一种层间增韧层叠复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种层间增韧层叠复合材料及其制备方法，该层叠复合材料包含面内层叠织物以及层间XY向和Z向短纤维，首先将一定长度、直径的短纤维以一定的密度预先均匀的铺放在层叠织物层间，并在金属托网上进行夹持，再对其施加水刺处理。用一定直径、压强的高压微细水流射向层叠织物，水刺过程中水流与纤维、金属托网相互作用，产生散射、激荡，使层间短纤维产生位移、穿插、抱合，由于织物中间缝隙的存在，部分短纤维进入中间缝隙，产生Z向结构，经固化后得到含有层间与Z向短纤维的层间增韧层叠复合材料，本发明能够提高层叠复合材料的Ⅰ/Ⅱ混合型层间断裂韧性，同时对面内性能损失较小。
【专利说明】
一种层间増韧层叠复合材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于层叠复合材料层间增韧技术领域，具体涉及一种层间增韧的层叠复合材料结构以及制备方法。
【背景技术】
[0002]在层叠复合材料加工制造方法中，增强层叠复合材料的层间力学性能主要从基质改性和纤维结构设计两方面进行，其主要宗旨是在最大限度减少对面内性能的影响和不增加方法的复杂性的前提下，最大限度提升层叠复合材料的整体力学性能。在纤维的结构设计方面，目前层叠复合材料预制体层间增韧方法主要有Z-Pins、针刺、缝合技术，但这些技术都存在一定局限与不足，主要体现为以下几点:I)都是采用刚性介质进行层间短纤维的引入，穿刺的过程对层叠预制体的主纤维形成机械冲击和反复撕扯，从而造成面内纤维的破坏;2)面内增韧的“分辨率”低，对局部微小面积不能很好的进行增韧；3)生产效率较低，尤其是针刺与Z-Pins不适宜大规模批量化生产场合;4)对层间断裂韧性的增韧主要聚焦在I断裂模式下，很少结合Π断裂模式进行增韧。因此，亟需对层叠复合材料预制体的层间增韧过程中的穿刺方法进行创新和研究。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种可以提高I/Π混合型层间断裂韧性的层间增韧层叠复合材料及其制备方法。
[0004]为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0005]一种层间增韧层叠复合材料，该复合材料包括层间增韧的层叠复合材料预制体，所述层叠复合材料预制体包括层叠编织织物以及设置于层叠编织织物中的XY向短纤维和Z向短纤维，所述编织织物以一定角度逐层铺放，所述XY向短纤维均匀的处于全部或部分编织织物中相邻两层编织织物之间，所述Z向短纤维处于层叠编织织物中由每层编织织物的中间缝隙构成的通道中，Z向短纤维是由部分预先铺设于编织织物层间的短纤维随水刺射流进入编织织物的中间缝隙而形成的，所述Z向为垂直于编织织物平面的方向。
[0006]所述编织织物选自纤维织物，编织织物的铺放方式为0°、45°、-45°或90°，编织织物的编织结构选自平纹、斜纹或缎纹二维编织体。
[0007]所述编织织物的纤维种类为碳纤维、苎麻纤维、竹纤维或玻璃纤维，所述XY向短纤维以及Z向短纤维的纤维种类为碳纤维、玻璃纤维、尼龙纤维或凯夫拉纤维。
[0008]所述XY向短纤维以及Z向短纤维的长度为所述编织织物的中间缝隙间距的2?5倍，XY向短纤维以及Z向短纤维的直径为6?I Oym。
[0009]所述复合材料还包括固化树脂基体，固化树脂基体是均匀浸渍所述层叠复合材料预制体的树脂固化成型而形成的。
[0010]上述层间增韧层叠复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0011 ] I)在层叠编织织物层间铺放短纤维；
[0012]2)经过步骤I)后，用托网对层叠编织织物进行夹持；
[0013]3)经过步骤2)后，对层叠编织织物进行水刺处理，得到预制体；
[0014]4)将预制体固化成型。
[0015]所述步骤I)中，选择相应的编织织物种类，并按一定的角度层叠铺放，铺放时将一定密度的短纤维预先铺设在对应层叠编织织物层间，同时根据材料性能需要选择层叠编织织物的全部层间或部分层间铺设短纤维。
[0016]所述水刺处理是将单一水射流射向层叠编织织物，使射流体与编织织物以及托网碰撞、激荡，产生散射，使层间短纤维产生位移、穿插、抱合，并使部分短纤维进入编织织物中间缝隙，从而一次成型得到层间增韧的层叠复合材料预制体。
[0017]在一次成型的基础上，若需要继续增加构成所述层叠复合材料预制体的编织织物层数，则根据水刺原理并采用逐层累加编织织物的渐进方式，直至达到所需的编织织物层数。
[0018]本发明的有益效果体现在:
[0019]本发明对层间增韧层叠复合材料结构和制备方法进行改进，对中间铺有短纤维的层叠复合材料进行水刺，将短纤维作用向层叠复合材料微结构中各个方向，使层叠复合材料产生层间XY向与Z向短纤维，同时降低了传统层叠复合材料层间增韧过程中对预制体的主纤维造成的损伤。
[0020]对于编织织物层数较多的层叠复合材料预制体采用逐层累加的增韧方式，能够提高预制体的层间增韧效果。
[0021 ]本发明与现有技术相比，其优点在于:
[0022]I)本发明提出的层间增韧层叠复合材料结构整体性能优异，并且其制备方法流程清晰、简洁，便于工业化生产。
[0023]2)本发明基于水刺进行层间增韧，当射流喷射向层叠复合材料预制体表面后，射流会沿着织物间隙进入，提高了增韧效率和分辨率，利用射流将短纤维束带入层叠复合材料预制体微结构中各个方向，使层叠复合材料预制体产生层间XY向与Z向短纤维，不仅提高了复合材料的I型层间断裂韧性，同时对Π型层间断裂韧性也有所提高，使材料具备抵抗I/Π型混合层间断裂的能力。
[0024]3)本发明基于水刺的层间增韧方法，相比传统层叠复合材料的层间增韧方法，没有对层叠复合材料预制体的主纤维产生刚性机械冲击和反复撕扯，因此，本发明基于水刺的层间增韧方法可以降低对层叠复合材料预制体造成的损伤。
【附图说明】
[0025]图1是铺有层间短纤维的织物结构示意图；
[0026]图2是水刺系统原理图；
[0027]图3是层叠复合材料预制体水刺过程示意图；
[0028]图4是层叠复合材料预制体水刺层间增韧后结构示意图；
[0029]图中:i为第一层织物，2为第二层织物，3为第三层织物，4为短纤维，5为层间铺设短纤维的层叠织物，6为中间缝隙，7为高压微细水流，8为水针头，9为计算机控制系统，10为水栗，11为水箱，12为金属托网，13为Z向连接增强碳纤维;A、B、C分别为第三、二、一层织物的中间缝隙。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0031]I)层叠复合材料的水刺层间增韧方法:
[0032]针对层叠炭纤维预制体的微观结构，如图1所示，可以看出，层叠炭纤维预制体在厚度方向存在由每层XY向主纤维(即编织炭布的纤维)交织处的中间缝隙6构成的通道，为典型的连通管式多孔介质结构。
[0033]参见图2，当高压微细水流7射向并穿过层叠炭纤维预制体时，流体与主纤维和金属托网12碰撞、激荡，发生多向散射，在连通管式多孔介质结构中形成多种射流分布，如图3所示，可以看出，炭布层间铺设的部分短纤维4(碳纤维)在多向射流作用下发生位移、穿插与抱合，同时由于中间缝隙6的存在，短纤维4会进入到层叠炭纤维预制体的B、C间隙中，形成Z向连接增强碳纤维13(8卩Z向层间连接短纤维)，从而使得层叠炭纤维预制体成为一个整体，提高层叠炭纤维预制体的Z向层间连接强度。同时，层间保留有XY向短纤维，所述XY向为炭布平面的延伸方向。
[0034]2)面向层叠复合材料的水刺层间增韧方法实现
[0035]①为了实现层叠复合材料水刺增韧方法过程，需借助面向层叠复合材料的水刺方法系统，如图2所示，主要包括计算机控制系统9、水针头8、水箱11，以及高压水栗10。
[0036]②如图1所示，预先准备短纤维(碳纤维)，在进行水刺增韧前，将短纤维以一定的密度(短纤维的铺设密度例如为2?10g/m2。)均匀铺设在相邻炭布层间，短纤维可以是每个层间都铺设，或根据需要选择某些层间进行铺设。用金属托网12对层叠炭布进行夹持，以便于水刺过程的实现，同时保证炭布水刺的XY向受力均匀。
[0037]③在层叠复合材料水刺层间增韧过程中，利用图2所示的水刺系统，将高压微细水流7射向层叠炭纤维预制体，进行水刺增韧过程。在层叠复合材料的水刺层间增韧方法中，通过层叠炭纤维预制体水刺增韧后的微观结构，如图4所示，可以看出，在层叠炭纤维预制体结构中增加了层与层之间的Z向层间连接短纤维，这些连接短纤维使得层叠炭布的层与层之间产生连接，同时层间存在一定数量的XY向短纤维。
[0038]④在层叠复合材料水刺层间增韧过程中，如果炭布层数较多，可以采用分层水刺的方式，先进行部分层数炭布的水刺过程，然后再添加其余的炭布层同时铺设短纤维，以提高水刺的均匀性。
[0039]⑤在面向层叠复合材料的水刺层间增韧方法中，水针(水针就是水针头射出的高压微细水流)冲击最外侧炭布表面时，水针与纤维和托网发生碰撞，形成射流流场，这些射流对炭布的作用力随水针头到最外侧炭布的距离、射流压力与方向，以及水针头结构参数等的不同而不同，调整这些参数可以改变射流流场分布。
[0040]⑥在面向层叠复合材料的水刺层间增韧方法中，改变层间铺设短纤维密度、短纤维的长度以及炭布的厚度与编织结构能够改变层叠炭纤维预制体的微观结构中Z向层间连接短纤维的分布结构与数量，从而改变Z向层叠炭布之间层间连接的连接强度。
[0041]3)将上述水刺层间增韧后得到的预制体应用树脂传递固化方法得到层间增韧层叠复合材料。
[0042]4)应用举例以及效果说明
[0043]选用4层平纹碳布(东丽3k碳布)并0°铺放，每个相邻层间铺放短碳纤维，短碳纤维长度5mm，直径6?ΙΟμπι，铺设密度为2g/m2，水刺参数:水针直径d = 0.1mm、水刺压力P =1.5MPa、水针行走速度V =5mm/s;应用以上方法得到水刺增韧层叠复合材料预制体，最后应用真空辅助树脂传递方法得到水刺增韧层叠复合材料，其中树脂为EPOLAM 2040环氧树月旨(北京科拉斯公司)。
[0044]实验结果表明:相较于直接将混杂短纤维流体喷向层叠碳布的预制体增韧方法，本方法由于在预制体的层间即XY平面上存在大量短纤维，而在材料的断裂韧性方面，由于裂纹扩展方式的不同，Z向纤维对提高层叠复合材料的I型层间断裂韧性有直接作用，而XY向短纤维则对提高Π型层间断裂韧性效果明显，所以由于层间XY向与Z向短纤维的同时存在，不仅提高了复合材料的I型层间断裂韧性，同时对Π型层间断裂韧性也有所提高，增强了材料在复杂工况下的断裂韧性，使材料的工程适用性更强。
[0045]本发明也适用于除炭布之外，由诸如苎麻纤维、竹纤维或玻璃纤维构成的层叠预制体。短纤维除了采用碳纤维外，亦可采用其他用于增加连接强度的纤维，例如，玻璃纤维、尼龙纤维或凯夫拉纤维。
[0046]本发明针对在层叠编织预制体中每一层织物中的主纤维间隙(中间缝隙)以及每层织物的层间间隙形成的典型连通管式多孔介质结构，利用高压微细水流穿过层叠编织预制体，在连通管式多孔介质结构中形成各种射流分布，层间短纤维在多向射流作用下发生位移、穿插与抱合，同时由于中间缝隙的存在，短纤维会进入到层叠预制体的间隙中，形成Z向连接的增强纤维，从而使得层叠编织预制体成为一个整体，提高层叠编织预制体的Z向层间连接强度。
[0047]本发明采用的水刺层间增韧方法，相比传统层叠复合材料的层间增韧方法，没有对层叠复合材料预制体的主纤维产生刚性机械冲击和反复撕扯，因此，本发明所述水刺层间增韧方法可以降低对层叠复合材料预制体造成的损伤。由于层间XY向与Z向短纤维的存在，不仅提高了复合材料的I型层间断裂韧性，同时对Π型层间断裂韧性也有所提高，使材料具备抵抗I/Π型混合层间断裂的能力。
[0048]本发明通过分析层叠复合材料预制体的水刺技术原理，将水刺技术作为层间增韧方法，构建面向层叠复合材料的水刺层间增韧方法，在此基础上，利用高压微细水流将层叠织物层间短纤维作用入到层叠复合材料的Z向缝隙中，实现层叠复合材料预制体水刺层间增韧过程。
【主权项】
1.一种层间增韧层叠复合材料，其特征在于:该复合材料包括层间增韧的层叠复合材料预制体，所述层叠复合材料预制体包括层叠编织织物以及设置于层叠编织织物中的XY向短纤维和Z向短纤维，所述编织织物以一定角度逐层铺放，所述XY向短纤维均匀的处于全部或部分编织织物中相邻两层编织织物之间，所述Z向短纤维处于层叠编织织物中由每层编织织物的中间缝隙构成的通道中，所述Z向为垂直于编织织物平面的方向。2.根据权利要求1所述一种层间增韧层叠复合材料，其特征在于:所述编织织物的铺放方式为0°、45°、-45°或90°，编织织物的编织结构选自平纹、斜纹或缎纹二维编织体。3.根据权利要求1所述一种层间增韧层叠复合材料，其特征在于:所述编织织物的纤维种类为碳纤维、苎麻纤维、竹纤维或玻璃纤维，所述XY向短纤维以及Z向短纤维的纤维种类为碳纤维、玻璃纤维、尼龙纤维或凯夫拉纤维。4.根据权利要求1所述一种层间增韧层叠复合材料，其特征在于:所述XY向短纤维以及Z向短纤维的长度为所述编织织物的中间缝隙间距的2?5倍，XY向短纤维以及Z向短纤维的直径为6?ΙΟμπι。5.根据权利要求1所述一种层间增韧层叠复合材料，其特征在于:所述复合材料还包括固化树脂基体，固化树脂基体是均匀浸渍所述层叠复合材料预制体的树脂固化成型而形成的。6.—种制备如权利要求1所述层间增韧层叠复合材料的方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)在层叠编织织物层间铺放短纤维； 2)经过步骤I)后，用托网对层叠编织织物进行夹持； 3)经过步骤2)后，对层叠编织织物进行水刺处理，得到预制体； 4)将预制体固化成型。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于:所述步骤I)中，选择相应的编织织物种类，并按一定的角度层叠铺放，铺放时将一定密度的短纤维预先铺设在对应层叠编织织物层间，同时根据材料性能需要选择层叠编织织物的全部层间或部分层间铺设短纤维。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于:所述水刺处理是将单一水射流射向层叠编织织物，使射流体与编织织物以及托网碰撞、激荡，产生散射，使层间短纤维产生位移、穿插、抱合，并使部分短纤维进入编织织物中间缝隙，从而一次成型得到层间增韧的层叠复合材料预制体。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:在一次成型的基础上，若需要继续增加构成所述层叠复合材料预制体的编织织物层数，则采用逐层累加编织织物的渐进方式，直至达到所需的编织织物层数。
【文档编号】B32B33/00GK105946303SQ201610272688
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】仝哲, 赵丽萍, 要义勇
【申请人】西安交通大学