一种多材料复合构件及其成形工艺的制作方法

本发明设计一种多材料复合材料构件及其成形工艺，具体涉及一种内层、过渡层和外层选用不同类型材料，内层采取以芯模为支撑的三维织造工艺，过渡层采用无导向纤维铺放缠绕工艺，外层采用针刺工艺，将内层、过渡层和外层连成一体。

背景技术：

复合材料构件具有高比强度、高比模量、耐疲劳、抗侵蚀、抗冲击、可设计性好等优点，其成形制造技术水平是工业发达国家高新技术、高端装备水平的重要标志，在航空航天、国防军工领域的应用比例越来越大。

多材料复合预制体作为增强体的复合材料构件具有优异力学性能，在发动机喷管、扩张段及飞行器关键部件具有广阔的应用前景。目前，变曲率、异形截面构件多采用单一材料，同时受到制备工艺的限制，导致变曲率、异形截面构件成形困难。

针对上述问题，本发明提出内层三维织造、过渡层纤维缠绕、外层针刺一体化的多材料复合结构成形工艺，能够实现异形截面、变曲率复合材料构件一体化成形。

技术实现要素：

针对异形截面、变曲率复材构件材料体系单一和成形难等问题，本发明提供一种多材料复合构件及其成形工艺。

本发明采取的技术手段如下：

一种多材料复合构件及其成形工艺，包括内层1、过渡层2以及外层3，分别选用不同种类材料，内层1结构以芯模4为支撑，采用三维织造成形工艺，过渡层2纤维以一定张紧力沿着内层1按照不同角度和组合方式进行无导向层层铺放缠绕，同时对内层1进行压实，消除纤维内间隙，外层3选用碳布或网胎缠绕过渡层，采用针刺成形工艺，通过刺针作用将碳布或网胎内纤维刺入内层1和过渡层2，实现将内层1、过渡层2和外层3连成一体，制备出具有多材料梯度结构的复合构件。

一种多材料复合构件及其成形工艺，所述成形工艺步骤包括：

(1)选用在特定压力、温度或溶剂作用下可溶材料，以构件外形轮廓为参照，制备芯模。

(2)在芯模表面自动植入导向棒，芯模表面经纬方向导向棒间距为均匀或不均匀，导向棒植入厚度可根据要求进行调整。

(3)内层结构以芯模和导向棒为支撑，纤维沿着导向棒切线方向绕着芯模进行织造，纤维可沿着同一排导向棒依次织造，也可以沿着不同排导向棒交叉织造，织造厚度为导向棒漏在外面高度。

(4)过渡层结构每束纤维按照设定的张紧力沿着内层表面按照不同角度进行无导向铺放缠绕，过渡层纤维同时能够对内层纤维进行压实作用，消除纤维内间隙，完成第一层铺放，第二层纤维按照与第一层纤维相同或不同角度再次铺放缠绕，以此类推，完成过渡层的缠绕铺放。

(5)过渡层铺放完成后，碳布或网胎沿着过渡层进行缠绕，直至要求的厚度。

(6)采用针刺工艺，通过针刺作用将碳布或网胎内的纤维刺入内层和过渡层，将内层、过渡层和外层连为一体。

(7)完成上述步骤后，在一定温度、压力或溶剂作用下，芯模自动消失，完成多材料复合预制体的成形。

所述的芯模4为可溶性材料，在特定温度、压力或者溶剂作用下芯模能够气化或溶解。

所述的导向棒5为金属材料或者非金属材料。

所述的内层1材料为连续碳纤维、碳化硅纤维或玄武岩纤维等，首先在芯模4上预置导向棒5，保证导向棒5预置深度一致，纤维沿着导向棒5进行三维织造，织造厚度为导向棒5预置后的剩余高度。

所述的过渡层2选用连续石英纤维或者玻璃纤维等，每根纤维以一定张紧力沿着内层1结构，采用±α°进行铺放缠绕，并且纤维可逐根变角度铺放缠绕，层层铺放，最终形成过渡层2。

所述的过渡层2纤维铺放缠绕能够对内层1产生压实作用，消除内层1纤维间的缝隙，使内层纤维排布更加紧实。

所述的外层3材料为碳布或者网胎等，碳布或者网胎逐层铺设在过渡层3外面，铺设一定厚度后在碳布层或者网胎层进行多角度、多深度、变密度针刺，形成沿针刺方向的增强纤维6，从而使内层、过渡层以及外层连接成一体，制备出多材料复合构件。

所述的梯度结构，可通过控制各层厚度、预置导向棒5经纬方向间距、过渡层3纤维张紧力以及针刺密度实现。

本发明涉及的一种多材料复合构件及其成形工艺，可制备出多材料体系复合材料预制体，提出的内层三维织造、过渡层铺放/缠绕、外层针刺一体化的多材料复合结构成形工艺，能够实现异形截面、变曲率梯度结构复材构件一体化成形。

附图说明

下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明具体实施案例扩张段的结构示意图。

图2是本实施案例采用的扩张段芯模结构示意图。

图3是本实施案例预置导向棒的芯模结构示意图。

图4是本实施案例三维织造内层与芯模结构示意图。

图5是本实施案例纤维缠绕过渡层、三维织造内层与芯模结构示意图。

图6是本实施案例多材料一体化成形复合构件结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例做详细说明，此案例以本发明为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种抗烧蚀-防隔热一体化扩张段的制备方法，扩张段包括内层1、过渡层2以及外层3，其成形工艺包括以下步骤：

步骤一：选用石蜡作为芯模4材料，以扩张段外形轮廓为参照，制备出石蜡芯模4。

步骤二：在芯模表面植入导向棒5，导向棒5为碳棒，导向棒5预留高度为10mm，在芯模表面沿经纬方向等间距分布，间距均为5mm。

步骤三：内层1选用3k碳纤维，以芯模4和导向碳棒5为支撑，纤维沿着导向碳棒5切线方向绕着芯模4进行如图4所述织造方式进行交叉织造，内层1厚度为导向碳棒5预留高度10mm，即内层1厚度为10mm。

步骤四：过渡层2选用石英纤维，每束纤维以30cn张紧力沿着内层1表面，以±45°方式进行缠绕，过渡层2纤维同时能够对内层纤维进行压实，消除纤维内间隙，完成第一层铺放后，第二层纤维按照与第一层相同的参数进行铺放缠绕，以此类推，逐层铺放缠绕，过渡层2厚度为20mm。

步骤五：外层3选用碳纤维网胎沿着过渡层2进行缠绕，碳纤维网胎的纤维长度约为40-60mm，面密度约为100g/㎡，外层3厚度约为15mm。

步骤六：采用针刺工艺，针刺密度采用15-25针/cm²，针刺深度范围取20-50mm，通过针刺作用将碳纤维网胎内的纤维刺入内层和过渡层，形成沿针刺方向的增强纤维6，从而将内层1、过渡层2和外层3连成一体。

步骤七：完成上述步骤后，在60℃左右下石蜡芯模融化，制备出多材料复合构件预制体，将制备出的预制体进行渗碳工艺，完成扩张段的制备。

本发明所述的具体实施方式并不构成对本技术范围的限制，凡是在本发明技术方案之内，本领域的专业人员能够作出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种多材料复合构件及其成形工艺，多材料复合构件包括内层、过渡层和外层，分别选用不同种类材料，以构件外形轮廓为参照，选用可溶性材料制备芯模，在芯模表面植入导向棒。内层结构以芯模为支撑，采用三维织造成形工艺。过渡层纤维以一定张紧力沿着内层按照不同角度和组合方式进行无导向层层缠绕铺放，同时对内层纤维进行压实，消除纤维内间隙。外层选用碳布或网胎缠绕过渡层，采用针刺形成工艺，通过刺针作用将碳布或网胎内纤维刺入内层和过渡层，将内层、过渡层和外层连成一体，最终制备出具有多材料梯度结构的复合构件。本发明复合构件内层、过渡层和外层采用不同材料，分别采用三维织造、缠绕铺放、针刺成形工艺，能够实现多材料复合构件一体化成形和复合制造。

技术研发人员：单忠德;孙正;刘丰;张群;吴晓川
受保护的技术使用者：机械科学研究总院集团有限公司;北京机科国创轻量化科学研究院有限公司
技术研发日：2018.07.23
技术公布日：2019.05.14