低纤维体积含量的三维编织预制体结构的制作方法

本技术涉及一种低纤维体积含量的三维编织预制体结构。

背景技术：

1、在编织人工骨、碳碳、碳陶、陶陶预制体时，经常需要完成较低纤维体积含量的技术要求，较低的纤维体积含量主要的好处是材料的均匀性更好，便于基体浸渗或沉积，孔隙率更低，相应的复合材料的某些物理特性更为突出等，比如较为常用的纤维体积含量为25％-35％，这已经超过了正常的三维编织预制体的纤维体积含量的下限40％。

2、通常情况下，三维编织预制体是由可编可纺的纤维(如碳、玻璃、芳纶、石英、超强聚乙烯、氧化铝、碳化硅、氮化硅等高性能纤维，以及聚乳酸、蚕丝等具有较好生物相容性的人造或天然纤维等)经过锭子沿三维编织平台上设定的轨迹运行，带动纱线沿空间多个方向互相交织而形成纤维的空间立体结构。三维编织工艺属于近净形状编织成型，即所编织成的预制体与最终的复合材料制品的外形尺寸非常接近，以便固化成型后不必再对制品表面进行机械加工以便保护纤维结构不被破坏，和增加额外的加工成本。为了形成和维持预制体的形状，在编织过程中，锭子上的携纱器会始终保持一定的纤维张力，并通过这样的张力将所有的纤维彼此绑定在一起并形成所设计的形状，编织张力的大小不同和三维编织结构(如三维四向、五向、多向等)会在一定程度上影响预制体的纤维体积含量，比如典型的三维编织结构中预制体的纤维体积含量一般都会超过40％，在40％-60％之间，如果是做为结构材料，为了更轻更强的目标，通常会选择更高性能的纤维和更高的纤维体积含量，这是因为根据相应的理论，三维编织复合材料的力学性能主要由编织角、纤维/基体性能、纤维体积含量等几个主要指标决定，所以较高的纤维体积含量正好满足了这方面的要求。虽然更高的纤维体积含量不容易实现，而低于40％的纤维体积含量由于此时参与编织的纤维束之间缺少了必要的互相约束和支撑作用也导致难以成型，这样的预制体即使能够做出来，在后面的固化成型过程中也会由于纤维结构不稳定而导致纤维局部堆密或疏松，影响制品的性能。

3、经过研究分析，预制体内互相紧密接触、依靠、支撑的纤维束之间的空隙多少和纤维束本身的纤维含量占比是影响整个纤维体积含量的关键，换句话说，整个体积是由所有的纤维单丝的体积、纤维束之间的空隙和纤维束内各单丝纤维之间的空隙组成，这就给进一步降低纤维体积含量提供了方向，即扩大纤维束之间的空隙、扩大纤维束内各单丝之间的空隙，但如前所述的，这都会丧失纤维束彼此之间的约束和支撑作用，或者说，由于纤维编织张力的存在而无法实现。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种低纤维体积含量的三维编织预制体结构，在降低纤维体积含量的同时，还能够保持纤维束彼此之间具有足够的约束和支撑作用。

2、本实用新型采用的技术方案是：

3、一种低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其特征在于：该三维编织预制体是由一级三维编织束经三维编织而成并且具有20-35％的纤维体积含量，该一级三维编织束是由纤维经三维编织而成并且具有40％-60％的纤维体积含量。

4、所述的低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其中：该三维编织预制体还复合有基体材料。

5、所述的低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其中：所述的基体材料是树脂、金属、碳或陶瓷。

6、所述的低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其中：该三维编织预制体是人工骨，该人工骨具有身部以及位于身部两端的呈扩大状的端部。

7、所述的低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其中：该三维编织预制体是喷管，该喷管具有位于中部的细口部以及位于两端的扩口部。

8、所述的低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其中：该三维编织预制体是喉衬，该喉衬具有位于中部的细口部以及位于两端的扩口部。

9、所述的低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其中：该三维编织预制体是坩埚或热场器件。

10、采用上述工艺制备低纤维体积含量预制体的有益之处：

11、1、通过降低纤维体积含量，使实际应用中对于人工骨、需要气相、液相等化学沉积工艺制备相应的复合材料成为可能；

12、2、由于用相同粗细的三维编织束替代了由单丝组成的纤维束，使得预制体内的空隙的大小、分布都更为均匀，有利于后续固化工艺的致密性，减少孔隙率，提高某些结构和物化性能指标；

13、3、在后续的结构应用中，使用效果更为突出，如对于人工骨(如图4)来说，由三维编织束制成的骨组织的是相容性会更好，新生组织更容易附着于骨组织，并会取代一部分的孔隙部位的基体组织生成血管、神经等组织，骨组织中的较低的纤维体积含量还会降低人工骨的力学性能而更加接近于真实的人体骨组织，避免较高性能的人工骨组织产生的遮蔽效应。对于碳碳、碳陶、陶陶等，本发明的预制体中的纤维束可以更为细密，配合更好的基体沉积效果，降低了孔隙率，材料的抗烧蚀性、抗热震等性能也会大幅提高。

技术特征：

1.一种低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其特征在于：该三维编织预制体是由一级三维编织束经三维编织而成并且具有20-35％的纤维体积含量，该一级三维编织束是由纤维经三维编织而成并且具有40％-60％的纤维体积含量。

2.根据权利要求1所述的低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其特征在于：该三维编织预制体是人工骨，该人工骨具有身部以及位于身部两端的呈扩大状的端部。

3.根据权利要求1所述的低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其特征在于：该三维编织预制体是喷管，该喷管具有位于中部的细口部以及位于两端的扩口部。

4.根据权利要求1所述的低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其特征在于：该三维编织预制体是喉衬，该喉衬具有位于中部的细口部以及位于两端的扩口部。

5.根据权利要求1所述的低纤维体积含量的三维编织预制体结构，其特征在于：该三维编织预制体是坩埚或热场器件。

技术总结
本技术提供一种低纤维体积含量的三维编织预制体结构，该三维编织预制体是由一级三维编织束经三维编织而成并且具有20‑35％的纤维体积含量，该一级三维编织束是由纤维经三维编织而成并且具有40％‑60％的纤维体积含量。本技术采用相同粗细的三维编织束替代了由单丝组成的纤维束，使得预制体内的空隙的大小、分布都更为均匀，有利于后续固化工艺的致密性，减少孔隙率，提高某些结构和物化性能指标。

技术研发人员：刘念
受保护的技术使用者：刘念
技术研发日：20230615
技术公布日：2024/2/29