纤维增强复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及复合材料，具体为纤维增强复合材料及其制备方法和应用，可用于制备高力学性能的纤维增强金属承力零件、纤维增强有机材料承力零件等。

背景技术：

1、当采用增材制造技术制造纤维增强复合材料时，如果基体材料由多种不同的基体材料(例如可熔接性不佳的金属)构成，可以通过同步打印多种基体材料的方式(打印z向平行于基体材料之间的接合面)来代替先后打印各个基体材料的方式(打印z向垂直于基体材料之间的接合面)以提高不同的基体材料之间的接合面的结合强度，这是因为增强纤维是在逐层打印基体材料的时候通过喷丝方式添加到预先确定的打印层，打印z向平行于基体材料之间的接合面时，增强纤维的布设正好是垂直于基体材料之间的接合面，增强纤维就能对不同的基体材料之间的接合面起到显著的增强作用，弥补接合面由于材料差异而存在的力学性能的薄弱。

2、产业中应用的多基体的复合材料并不仅仅是有限的两种基体材料的复合，也有可能是三种或更多种基体材料的复合，这种情况下，就可能出现两种以上的由不同基体材料临接而产生的接合面，并且力学性能各异，当作为承力零件使用时，不同的结合面区域的力学性能差异明显，零件整体性能不可控，也容易导致零件在不期望位置失效。目前现有技术已经公开的相关研究中，对多基体的纤维增强复合材料不同基体接合面的结合强度的研究并不多，即使偶有报道，也主要局限在由有限的两种基体所呈现的单一接合面的简单情形，没有能够给出如何控制多个不同基体材料的接合面之间的力学性能一致性的有效方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种纤维增强复合材料及其制备方法和应用，借助增材制造工艺的材质/性能定制化优势结合纤维增强复合材料自身特点，解决背景技术提出的问题。

2、本发明所采取的技术方案具体是：

3、一种纤维增强复合材料，包括：

4、由多种不同基体材料打印而成的多种增材制造基体；

5、形成在两种不同增材制造基体之间的第一打印接合面；

6、形成在两种不同增材制造基体之间的第二打印接合面，所述第二打印接合面具有不同于所述第一打印接合面的结合强度；

7、分布于多种增材制造基体中的多条增强纤维，至少一部分增强纤维在长度方向上延伸穿过所述第一打印接合面，至少一部分增强纤维在长度方向上延伸穿过所述第二打印接合面；

8、其中，延伸穿过所述第一打印接合面的增强纤维与延伸穿过所述第二打印接合面的增强纤维具有不同的分布密度，所述不同的分布密度使得所述第一打印接合面区域和所述第二打印接合面区域具有趋向相同的力学性能。

9、上述一种纤维增强复合材料，所述力学性能包括抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗拉强度、抗扭强度中的至少一种。

10、上述一种纤维增强复合材料，所述的分布密度通过在材料试验机上对样品进行加载试验确定。

11、上述一种纤维增强复合材料，形成所述第一打印接合面的两种增材制造基体的两种基体材料中，有一种基体材料与形成所述第二打印接合面的两种增材制造基体的两种基体材料中的其中一种是相同材料。

12、上述一种纤维增强复合材料，至少一部分增强纤维同时延伸穿过所述第一打印接合面和第二打印接合面。

13、上述一种纤维增强复合材料，至少一部分增强纤维仅延伸穿过所述第一打印接合面和第二打印接合面中的其中之一。

14、上述一种纤维增强复合材料，在所述纤维增强复合材料的打印面上和/或高度方向上，至少部分区域具有非均质分布的增强纤维。

15、上述一种纤维增强复合材料，所述基体材料为金属或塑料，所述增强纤维为金属纤维、无机非金属纤维或有机纤维。

16、用于制备如上所述的纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

17、步骤1，在打印基板或者上一打印层上，先后或同时打印多种不同基体材料形成一个或多个复合打印层，每个复合打印层上的每两种不同基体材料之间形成打印接合线；

18、步骤2，在步骤1形成的最上面的复合打印层上，利用布丝方式添加增强纤维，所述增强纤维在长度方向上延伸穿过最上面的复合打印层上的至少一个所述打印接合线；

19、步骤3，继续打印多种不同基体材料，再次形成包含所述打印接合线的一个或多个复合打印层；

20、步骤4，在步骤3形成的最上面的复合打印层上，再次利用布丝方式添加增强纤维；

21、按照步骤3、步骤4重复进行，直到完成设定的打印层数。

22、一种纤维增强复合材料在承力零件中的应用，所述纤维增强复合材料为如上所述的纤维增强复合材料或者如上所述的制备方法所制备的纤维增强复合材料。

23、有益效果：

24、本发明提供的纤维增强复合材料，在利用增强纤维对不同基体材料接合面进行力学强化的同时，充分发挥增材制造工艺的材质/性能定制化优势，结合纤维增强复合材料自身特点，对复合材料中两种以上的由不同基体材料临接而产生的接合面进行力学性能的调节，确保了纤维增强复合材料作为承力零件使用时本体力学性能的一致性。

25、制备本发明的纤维增强复合材料时，在打印单个打印层时就可以先后或同时打印多种不同基体材料形成两条或更多条由不同基体材料临接而成的打印接合线，然后利用布丝方式添加增强纤维并使增强纤维在长度方向上延伸穿过该两条或更多条打印接合线，在逐层打印过程中，只需要根据前期验证结果合理预设穿过不同打印接合线的增强纤维分布密度，就能使得不同的打印接合面区域力学性能趋向相同，过程控制灵活，实施手段简单。

技术特征：

1.一种纤维增强复合材料，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，所述力学性能包括抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗拉强度、抗扭强度中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，所述的分布密度通过在材料试验机上对样品进行加载试验确定。

4.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，形成所述第一打印接合面(5)的两种增材制造基体(1、2)的两种基体材料中，有一种基体材料与形成所述第二打印接合面(6)的两种增材制造基体(2、3)的两种基体材料中的其中一种是相同材料。

5.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，至少一部分增强纤维(7)同时延伸穿过所述第一打印接合面(5)和第二打印接合面(6)。

6.根据权利要求1或5所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，至少一部分增强纤维(7)仅延伸穿过所述第一打印接合面(5)和第二打印接合面(6)中的其中之一。

7.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，在所述纤维增强复合材料的打印面上和/或高度方向上，至少部分区域具有非均质分布的增强纤维(7)。

8.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，所述基体材料为塑料或金属，所述增强纤维(7)为有机纤维、金属纤维或无机非金属纤维。

9.用于制备权利要求1-8任一项所述的纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

10.一种纤维增强复合材料在承力零件中的应用，其特征在于，所述纤维增强复合材料为权利要求1-8任一项所述的纤维增强复合材料或者权利要求9所述的制备方法所制备的纤维增强复合材料。

技术总结
纤维增强复合材料及其制备方法和应用，其中纤维增强复合材料包括由多种不同基体材料打印而成的多种增材制造基体、形成在两种不同增材制造基体之间的第一打印接合面和第二打印接合面，第二打印接合面具有不同于第一打印接合面的结合强度。还包括分布于多种增材制造基体中的多条增强纤维，在长度方向上延伸穿过第一打印接合面和第二打印接合面。其中，延伸穿过第一打印接合面的增强纤维与延伸穿过第二打印接合面的增强纤维具有不同的分布密度，使得第一打印接合面区域和第二打印接合面区域具有趋向相同的力学性能。该纤维增强复合材料通过增材制造工艺结合纤维布丝工艺制备，过程控制灵活，实施手段简单，产品可用作承力零件。

技术研发人员：贾绪辉,张明东,王俊强,刘雪莹,汪关文
受保护的技术使用者：肥城三合工程材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22