一种三维预制体的制作方法

本发明涉及一种三维预制体，尤其是对现有陶瓷基或树脂基复合材料用针刺三维预制体性能的提升。

背景技术：

纤维增强的复合材料因其优异的力学高损伤容限、耐冲击、抗分层、抗疲劳等综合性能，及结构性能可设计性强，已广泛应用于筒状、板状以及异形结构功能一体化部件，其中根据选用纤维材质的不同、封顶结构部件可应用于航空航天领域用功能材料、结构材料等。封顶预制体作为该类陶瓷基或树脂基复合材料的骨架，其性能好坏影响复合工艺和最终复合材料的性能。

中国专利(200610013430.2)公开了一种封顶三维织物及其织造方法，该织造方法将预置预留长度经纱法、直线形引纬法和预留长度纬纱法三种织造工艺相结合，制备出成型封顶部分继而采用机织或编织方法继续进行身部织造而成的整体封端织物。该织造、编织方法引入连续纤维，力学性能佳，但由于织造、编织工序繁多，人工参与多，制备成本高，均匀性和一致性难以控制，无法满足封顶预制体的高性能、低成本、快速批量生产的要求。

中国专利(CN102731130B)公开了根据天线罩的几何尺寸设计出芯模，在芯模上用石英布和石英毡通过针刺法刺成相应几何尺寸的仿形结构织物，该织物低成本，快速成型，但该方法所述的石英布需根据天线罩外形进行裁剪分瓣，造成了面内纤维不连续，降低了材料环向力学性能，其次该方法所述的石英布层间为针刺短纤维，层间力学性能低，影响织物的整体性能。

技术实现要素：

本发明针对上述技术问题，提出了一种三维预制体，该预制体单元层面内具备连续纤维层，单元层层间具备缝合连续纤维和针刺短纤维，连续纤维 含量高且分布均匀，环向、母向、层间均分布有连续纤维，层间结合强度好、整体力学性能高，且成型速度快，仿形精度高等特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种三维预制体，该预制体由机织布仿形铺层，连续纤维层，网胎层叠层形成单元层，单元层经组合针刺，后缝合成型为三维整体结构。

进一步地，所述的单元层内机织布层、连续纤维层及网胎层配置比例为设定值，单元层层数依据产品厚度和性能要求确定。

进一步地，所述机织布层的机织布依据产品外形仿形裁剪后铺层，其面密度为100～640g/m²。

进一步地，所述网胎层的网胎面密度为40～160g/m²。

进一步地，所述连续纤维层的连续纤维缠绕方式为螺旋形或网格形。

进一步地，所述预制体的针刺密度为15～35针/cm²。

进一步地，所述缝合针距为2～20mm，行距为2～20mm。

进一步地，所述机织布、连续纤维、网胎、缝合纤维的材质为石英纤维、高硅氧纤维或碳纤维的一种或组合。

进一步地，所述预制体的体积密度为0.30～0.88g/cm³。

本发明涉及的这种三维预制体，由机织布仿形分瓣裁剪后贴芯模铺层、螺旋形或网格形缠绕的连续纤维层形成面内均匀的连续纤维和网胎层叠层形成单元层，单元层经组合针刺后进行缝合成型预制体。该预制体单元层面内和层间均具备均匀分布的连续纤维，力学性能高，整体性能稳定。通过连续纤维缠绕弥补了机织布因开剪仿形铺层易形变的不足，且通过设计缠绕方式在预制体内部形成完整密实的具有连续纤维网络单元的连续纤维层，满足预制体单元层面内各方向纤维体积含量高和均匀性高的要求。较三维封顶机织、编织预制体相比，成型过程简单，成型速度提高50％以上，制备效率高、成本低。各向同性网胎的引入在预制体内部形成有效通道，有利于复合过程中基体的均匀渗透，通过针刺可在层间引入连接短纤维，在层间方向形成网络通道，便于后期基体材质的渗透；采用缝合技术在预制体单元层层间引入连续缝合纤维，层间的连续纤维可显著提高材料的层间力学性能和抗冲击损伤能力，提升了预制体增强结构的整体性和一致性，满足了航空航天用功能材料、结构材料高性能、低成本的发展要求。

本发明提出的一种三维预制体与中国专利(200610013430.2)公开的一种封顶三维织物相比，成型过程简单，成型速度提高50％以上，制备效率高、成本低；本发明提出的一种预制体与中国专利(CN102731130B)公开的仿形结构织物相比增加了预制体单元层面内的连续纤维层和层间连续的缝合纤维，提高了预制体环向和层间力学性能，在满足快速低成本的基础上，提高了预制体力学性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明的锥形封顶三维预制体示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为图2中I部放大图示意图；

图4为本发明的两级锥封顶三维预制体示意图；

图5为图4中B-B剖视图；

图6为本发明的球形封顶三维预制体示意图；

图7为图6中C-C剖视图。

其中，图中各符合说明如下：

锥形封顶三维预制体——1；锥形芯模——2；单元层——3；机织布层——4；连续纤维层——5；网胎层——6；缝合纤维——7；两级锥封顶三维预制体——8；两级锥封顶预制体连接区——9；两级锥芯模——10；球形封顶三维预制体——11；球形封顶预制体封顶区——12；球形芯模——13。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

实施例1

采用85tex石英纤维制备锥形封顶三维预制体1，外形结构如图1、图2、图3所示，设计单元层3为一层石英机织布层4一层连续纤维层5一层网胎 层6。将(120±8)g/m²石英布按照图2、3所示仿形裁剪贴合锥形芯模2铺层形成机织布层4，缠绕(50±5)g/m²的石英纤维形成连续纤维层5，接着铺覆一层(55±5)g/m²网胎形成网胎层6，后法向仿形针刺成型预制体，针刺密度为22针/cm²，重复上述步骤至最终产品厚度25mm，此时预制体单元层的层间密度为15.6层/cm，然后对预制体进行整体非贯穿缝合引入缝合纤维7，缝合深度20mm，针距15mm，行距15mm。预制体体积密度为0.35g/cm³。

实施例2

采用高硅氧布复合190tex石英材料制备图4、图5所示的两级锥封顶三维预制体8，设计单元层3为：两层厚度0.25mm的高硅氧布的机织布层4一层连续纤维层5一层网胎层6。参照图3的铺层顺序将(230±10)g/m²高硅氧布仿形裁剪贴合两级锥芯模10铺层形成机织布层4，缠绕(65±10)g/m²的网格纤维层形成连续纤维层5，铺覆一层(60±10)g/m²网胎形成网胎层6，后仿形针刺成型预制体，针刺密度为22针/cm²，重复上述步骤至最终产品厚度30mm，后在两级锥封顶预制体连接区9进行贯穿缝合引入缝合纤维7，缝合针距为8mm，行距为5mm，预制体体积密度为0.71g/cm³。

实施例3

采用12K碳纤维制备图6、图7所示的球形封顶三维预制体11，设计单元层3为：一层缎纹碳布的机织布层4一层连续纤维层5一层碳纤维网胎层6。参照图3的铺层顺序将(560±20)g/m²碳布仿形裁剪贴合球形芯模13铺层形成机织布层4，缠绕(95±10)g/m²的网格纤维层形成连续纤维层5，再铺覆一层(140±15)g/m²网胎形成网胎层6，后仿形针刺成型预制体，针刺密度为22针/cm²，重复上述步骤至最终产品厚度15mm，然后对球形封顶预制体封顶区12进行贯穿缝合引入缝合纤维7，缝合针距10mm，行距10mm。此时预制体体积密度为0.83g/cm³。

本发明的技术方案已由可选实施例揭示如上。本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。