專利名稱：一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備技術(shù)，涉及一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶及其制備方法。
背景技術(shù)：
航空航天領(lǐng)域大量用到碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，它們可以歸類并被抽象為一些加墻、加筋、加肋、加帽的結(jié)構(gòu)件2， 這些結(jié)構(gòu)件的拐角處以及結(jié)構(gòu)件2與基板I都有一個“封閉”或“半開放”、需要被填充的所謂“三角區(qū)”(圖I)。通過用近似材質(zhì)材料的填充帶3進行近似等密度的填充，將能夠提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的連接特性，提高結(jié)構(gòu)的完整性，克服應(yīng)力集中等。傳統(tǒng)上，常見的填充帶材料是單向的纖維紗或纖維束，在預(yù)制時通過適當?shù)亩ㄐ?，放置進三角填充區(qū)，擠緊、壓實即完成了填充的任務(wù)。很顯然，這是一種方便、柔性，但在施工處理上可能會使得填充區(qū)的填充帶變形太大。事實上，三角填充區(qū)的幾何形狀比較固定(參見圖I)，對封閉式接頭，其填充區(qū)類似一個等邊三角形，而對半開放式接頭，其填充區(qū)接近一種直角三角形，只不過這兩種三角形與被填充結(jié)構(gòu)的倒角邊應(yīng)該有一定的弧度而非直線而已。為了提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造的一致性，提高結(jié)構(gòu)的完整性，用一種高整體性能、標準、系列化的填充專用預(yù)制結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單向纖維紗填充帶，就顯得非常重要；而為了使這種填充材料能夠標準化和系列化，同時降低制造成本，需要有一種高制備效率、高形狀和尺寸精度的制造技術(shù)。布拉格光柵光纖是一種無源光纖元件，在通訊和傳感領(lǐng)域有重要用途。布拉格光柵光纖是一種波長選擇反射器件，反射波長、與光柵柵距A有關(guān)。當外界溫度和應(yīng)力作用于光柵時，光柵的柵距A將發(fā)生變化，這個變化將導(dǎo)致反射波長\移動，通過測量反射波長、的變化，即可實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變的測量。光纖光柵傳感技術(shù)的優(yōu)點包括(I)對光波長信號進行數(shù)字式測量，檢測精確度高，可避免出現(xiàn)由于光強調(diào)制型傳感系統(tǒng)中光強起伏引起的誤差；⑵靈敏度高，響應(yīng)時間短；(3)測量結(jié)果重復(fù)性好，長期穩(wěn)定性高；(4)結(jié)構(gòu)簡單，外觀與常規(guī)光纖無異，可以與標準通信光纖直接連接，可同時進行傳感和遠距離信息傳輸。文獻上,利用布拉格光柵光纖傳感器檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的技術(shù)統(tǒng)稱為復(fù)合材料“結(jié)構(gòu)健康檢測”(Structure HealthMonitoring,簡稱SHM)技術(shù),對此國內(nèi)外已有較多的參考專利，但到目前為止，SHM技術(shù)還屬于一種演示性的技術(shù)。這種技術(shù)難以工業(yè)實用的原因之一就是鋪設(shè)光柵光纖需要極高的技巧，因為光柵光纖本質(zhì)上是一種玻璃材料，脆而易斷，把它鋪設(shè)進復(fù)合材料預(yù)制結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)過相當長的復(fù)合材料本身的制備流程，光柵光纖的“存活率”因此極低。解決這個問題的辦法之一是對光柵光纖進行封裝保護。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提出以標準化的整體結(jié)構(gòu)和系列化的形狀尺寸，提供復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在封閉或半開放“三角”區(qū)的一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是；所述的編織預(yù)制填充帶是由芯材和包覆層組成芯材是由單向纖維紗組成，包覆層是由多層編織帶組成，每層的編織帶的結(jié)構(gòu)形式為二維二向或二維三向。所述的芯材與包覆層所用的纖維 紗的材質(zhì)相同或不同，其纖維紗材質(zhì)為碳纖維或玻璃纖維或芳綸纖維或超高分子量聚乙烯纖維或玄武巖纖維或天然植物纖維或上述一種或幾種纖維的混合。所述的編織預(yù)制填充帶為干態(tài)預(yù)制填充帶；其預(yù)制截面形狀為“三角”形，具體由復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件接頭形式?jīng)Q定，包括等弧邊三角形或直角弧弦三角形或不等弧邊三角形。所述芯材內(nèi)部包裹一根表面經(jīng)脫脂處理的布拉格光柵光纖。復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶的制備方法的具體操作步驟如下(I)選擇纖維紗的填充量依據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件三角區(qū)的標準化的整體結(jié)構(gòu)及其形狀尺寸為基礎(chǔ)，并用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的纖維體積分數(shù)來設(shè)計復(fù)合材料制件三角區(qū)所用纖維紗線的纖維束總數(shù)N，選取纖維束為N/20 4N/5的纖維紗作為芯材用量，其余作為包覆層纖維紗用量；(2)芯材的制備先配制質(zhì)量百分比濃度為1% wt. 20% wt.的非反應(yīng)性定型劑溶液，并把非反應(yīng)性定型劑溶液噴涂或刷涂在芯材用纖維紗表面，然后把芯材用纖維紗經(jīng)過預(yù)定型工藝制備成芯材預(yù)制帶；(3)編織預(yù)制填充帶的編織先按照標準編織工藝把包覆層用纖維紗編織成二維二向或二維三向的編織帶，并包覆在芯材預(yù)制帶外表面，制備得到在芯材預(yù)制帶外表面包覆多層編織帶的編織預(yù)制填充帶；(4)編織預(yù)制填充帶的預(yù)定型先把非反應(yīng)性定型劑溶液噴涂或刷涂在編織預(yù)制填充帶外表面，再把編織預(yù)制填充帶經(jīng)拉伸后放入特定形狀的整體或可分拆的口模模具中，經(jīng)預(yù)定型工藝處理后獲得具有特定形狀的編織預(yù)制填充帶。所述的非反應(yīng)性定型劑是與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件所用樹脂基體相匹配的熱塑性樹脂或熱固性樹脂或熱塑性樹脂與熱固性樹脂的混合物；所述的非反應(yīng)性定型劑在纖維紗表面噴涂或刷涂的質(zhì)量百分比為1% 20%。所述在芯材中不包裹或包裹一根表面經(jīng)脫脂處理的布拉格光柵光纖。所述編織預(yù)制填充帶的特定形狀是由復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的接頭形式?jīng)Q定的，其特定形狀包括等弧邊三角形或直角弧弦三角形或不等弧邊三角形。所述的預(yù)定型工藝為有兩種一是“干法”，首先在溫度為60°C 250°C下保持5min 3h,使要預(yù)定型的芯材和編織預(yù)制填充帶軟化,并在負壓> 0. 09MPa下保持5min 3h ;或采用“濕法”，即通過用溶劑使要預(yù)定型的芯材和編織預(yù)制填充帶軟化，并在溫度60度 250度下,保持負壓> 0. 09MPa下保持5min 3h。所述采用“濕法”的溶劑為丙酮或四氫呋喃或乙醇或丙酮。本發(fā)明專利的優(yōu)點是(I)本發(fā)明涉及一種編織預(yù)制復(fù)合材料填充帶及其制備方法，它以標準化的整體結(jié)構(gòu)和系列化的形狀尺寸，提供復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在“封閉”或“半開放三角區(qū)”的填充，提高結(jié)構(gòu)件的連接整體特性。(2)在必要的情況下，這種編織預(yù)制復(fù)合材料填充帶的內(nèi)部還可以包裹布拉格光柵光纖，固化，就得到具有傳感功能的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。當此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在遭受沖擊時，能夠?qū)_擊波傳遞給布拉格光柵光纖傳感器，從而在線監(jiān)測復(fù)合材料制件的沖擊威脅，甚至可以利用編碼布拉格光柵光線對沖擊事件進行定位和沖擊能量估計。


圖I復(fù)合材料制件三角填充區(qū)域示意圖，( a)是封閉的三角填充區(qū)示意圖，(b)是半開放的三角填充區(qū)示意圖；圖2典型工業(yè)編織結(jié)構(gòu)示意。
具體實施例方式下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明中的“編織”特指工業(yè)標準的編織(Braiding)技術(shù)(圖2)，“預(yù)制”特指具有指定填充形狀和尺寸的干態(tài)結(jié)構(gòu)預(yù)制件(BraidedPreform), “填充帶”特指編織預(yù)制的連續(xù)的條帶(Braided Gusset), “傳感”特指采用布拉格光柵光纖(Fiber Bragg Grating,FBG)的動態(tài)傳感器。圖2中給出了編織紗4和軸向紗5及其二者形成的編織角度8，并分別受到軸向編織載荷6和面內(nèi)的橫向載荷7，且顯示了樹脂傳遞模塑成型時的樹脂浸滲過程9。本發(fā)明所述的可兼?zhèn)鞲泄δ艿膹?fù)合材料編織預(yù)制填充帶是由芯材和包覆層組成芯材是由單向纖維紗組成，且芯材內(nèi)部可以包裹一根表面經(jīng)脫脂處理的起傳感功能的布拉格光柵光纖(Fiber Bragg Grating, FBG);包覆層是由包覆著芯材的多層編織帶(OverBraiding)組成，每層的編織帶的結(jié)構(gòu)形式為二維二向或二維三向。所述的芯材與包覆層所用的纖維紗的材質(zhì)相同或不同，其纖維紗材質(zhì)為碳纖維或玻璃纖維或芳綸纖維或超高分子量聚乙烯纖維或玄武巖纖維或天然植物纖維或上述一種或幾種纖維的混合。所述的編織預(yù)制填充帶為干態(tài)預(yù)制填充帶(Braided Gusset);其預(yù)制截面形狀為“三角”區(qū)，具體由復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件接頭形式?jīng)Q定，包括等弧邊三角形、直角弧弦三角形、不等弧邊三角形等。本發(fā)明的可兼?zhèn)鞲泄δ艿膹?fù)合材料編織預(yù)制填充帶的制備方法具體操作步驟如下(I)選擇纖維紗的填充量依據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件三角區(qū)的標準化的整體結(jié)構(gòu)及其形狀尺寸為基礎(chǔ)，并用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的纖維體積分數(shù)來設(shè)計復(fù)合材料制件三角區(qū)所用纖維紗線的纖維束總數(shù)N，選取纖維束為N/20 4N/5的纖維紗作為芯材用量，其余作為包覆層纖維紗用量；(2)芯材的制備先配制質(zhì)量百分比濃度為1% wt. 20% wt.的非反應(yīng)性定型劑溶液，并把非反應(yīng)性定型劑溶液噴涂或刷涂在芯材用纖維紗表面，然后把芯材用纖維紗經(jīng)過預(yù)定型工藝制備成芯材預(yù)制帶；
(3)編織預(yù)制填充帶的編織先按照標準編織工藝把包覆層用纖維紗編織成二維二向或二維三向的編織帶，并包覆在芯材預(yù)制帶外表面，制備得到在芯材預(yù)制帶外表面包覆多層編織帶的編織預(yù)制填充帶；(4)編織預(yù)制填充帶的預(yù)定型先把非反應(yīng)性定型劑溶液噴涂或刷涂在編織預(yù)制填充帶外表面，再把編織預(yù)制填充帶經(jīng)拉伸后放入特定形狀的整體或可分拆的口模模具中，經(jīng)預(yù)定型工藝處理后獲得具有特定形狀的編織預(yù)制填充帶。上面所述的一種可兼?zhèn)鞲泄δ艿膹?fù)合材料編織預(yù)制填充帶的制備方法中所述的非反應(yīng)性定型劑是與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件所用樹脂基 體相匹配的熱塑性樹脂或熱固性樹脂或熱塑性樹脂與熱固性樹脂的混合物；所述的非反應(yīng)性定型劑在纖維紗表面噴涂或刷涂的質(zhì)量百分比為1% 20%。上面所述的最后獲得編織預(yù)制填充帶的特定形狀是由復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的接頭形式?jīng)Q定的，包括等弧邊三角形或直角弧弦三角形或不等弧邊三角形。上面所述的預(yù)定型工藝為有兩種一是“干法”，首先在溫度為60°C 250°C下保持5min 3h，使要預(yù)定型的芯材和編織預(yù)制填充帶軟化，并在負壓> 0. 09MPa下保持5min 3h ;或采用“濕法”，即通過用溶劑使要預(yù)定型的芯材和編織預(yù)制填充帶軟化，并在溫度60V 250°C下，保持負壓> 0. 09MPa下保持5min 3h。所述采用“濕法”的溶劑為丙酮或四氫呋喃或乙醇或丙酮。下面通過實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。實施例I(I)取12K的T300碳纖維束2束作為芯材，少量(質(zhì)量百分比約1/100 4/100)噴涂環(huán)氧定型劑預(yù)處理，成型工藝為在65°C下，并在真空輔助條件下保持20min ；(2)取12K的T300碳纖維束9束，在以上芯材外面，按照標準編織工藝進行二維二向編織；(3)在該編織帶外表面，少量(質(zhì)量百分比約1/100 4/100)噴涂商用環(huán)氧定型齊U，經(jīng)過適當揮發(fā)后連續(xù)軸向拉伸進入一個簡單的等弧邊三角形口模(參見圖Ia)，口模溫度與該定型劑匹配，如此，編織帶被定型為等弧邊三角形的預(yù)制編織帶，待用；(4)與上述點(3)相似，但改等弧邊三角形口模為直角弧弦三角形口模(參見圖Ib)，得到內(nèi)包裹傳感光柵光纖的直角弧弦三角形的預(yù)制編織帶，待用。實施例2該實施事例與實施例I的區(qū)別是成型用口模改為等弧邊三角形口模為直角弧弦三角形口模(參見圖Ib)，以及芯材內(nèi)部包裹傳感光柵光纖的直角弧弦三角形的預(yù)制編織帶，待用。實施例3(I)標準化編織填充帶的制備，第一步首先確定基礎(chǔ)編織帶的最小直徑并以此為基礎(chǔ)變量，采用上述實施例I的制備方法，進行編織。(2)標準化編織填充帶的制備，第二步如果設(shè)計需要的編織帶的直徑大于該最小直徑，則根據(jù)表I進行換算，然后選用合適的纖維束規(guī)格以及纖維束的數(shù)量，在最小直徑編織帶的外面進行一層或多層的包覆編織(Over braiding)，從而得到不同尺寸(或大尺寸)的編織預(yù)制填充帶。
表I標準化編織填充帶的規(guī)格
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶，其特征在于，所述的編織預(yù)制填充帶是由芯材和包覆層組成芯材是由單向纖維紗組成，包覆層是由多層編織帶組成，每層編織帶的結(jié)構(gòu)形式為二維二向或二維三向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶，其特征在于，所述的芯材與包覆層所用的纖維紗的材質(zhì)相同或不同，其纖維紗材質(zhì)為碳纖維或玻璃纖維或芳綸纖維或超高分子量聚乙烯纖維或玄武巖纖維或天然植物纖維或上述一種或幾種纖維的混合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶，其特征在于，所述的編織預(yù)制填充帶為干態(tài)預(yù)制填充帶；其預(yù)制截面形狀為“三角”形，具體由復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件接頭形式?jīng)Q定，包括等弧邊三角形或直角弧弦三角形或不等弧邊三角形。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶，其特征在于，所述芯材內(nèi)部包裹一根表面經(jīng)脫脂處理的布拉格光柵光纖。
5.一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶的制備方法，其特征是，該制備方法的具體操作步驟如下 (1)選擇纖維紗的填充量依據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件三角區(qū)的標準化的整體結(jié)構(gòu)及其形狀尺寸，并用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的纖維體積分數(shù)來設(shè)計復(fù)合材料制件三角區(qū)所用纖維紗線的纖維束總數(shù)N，選取纖維束為N/20 4N/5的纖維紗作為芯材用量，其余作為包覆層纖維紗用量; (2)芯材的制備先配制質(zhì)量百分比濃度為1%wt. 20% wt.的非反應(yīng)性定型劑溶液，并把非反應(yīng)性定型劑溶液噴涂或刷涂在芯材用纖維紗表面，然后把芯材用纖維紗經(jīng)過預(yù)定型工藝制備成芯材預(yù)制帶； (3)編織預(yù)制填充帶的編織先按照標準編織工藝把包覆層用纖維紗編織成二維二向或二維三向的編織帶，并包覆在芯材預(yù)制帶外表面，制備得到在芯材預(yù)制帶外表面包覆多層編織帶的編織預(yù)制填充帶； (4)編織預(yù)制填充帶的預(yù)定型先把非反應(yīng)性定型劑溶液噴涂或刷涂在編織預(yù)制填充帶外表面，再把編織預(yù)制填充帶經(jīng)拉伸后放入特定形狀的整體或可分拆的口模模具中，經(jīng)預(yù)定型工藝處理后獲得具有特定形狀的編織預(yù)制填充帶。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶的制備方法，其特征是，所述的非反應(yīng)性定型劑是與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件所用樹脂基體相匹配的熱塑性樹脂或熱固性樹脂或熱塑性樹脂與熱固性樹脂的混合物；所述的非反應(yīng)性定型劑在纖維紗表面噴涂或刷涂的質(zhì)量百分比為1% 20%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶的制備方法，其特征是，所述在芯材中不包裹或包裹一根表面經(jīng)脫脂處理的布拉格光柵光纖。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶的制備方法，其特征是，所述編織預(yù)制填充帶的特定形狀是由復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的接頭形式?jīng)Q定的，其特定形狀包括等弧邊三角形或直角弧弦三角形或不等弧邊三角形。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶的制備方法，其特征是，所述的預(yù)定型工藝為有兩種一是“干法”，首先在溫度為60°C 250°C下保持5min 3h，使要預(yù)定型的芯材和編織預(yù)制填充帶軟化，并在負壓> 0. 09MPa下保持5min 3h ;或采用“濕法”，即通過用溶劑使要預(yù)定型的芯材和編織預(yù)制填充帶軟化，并在溫度60°C 250°C下，保持負壓> o. 09MPa下保持5min 3h。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶的制備方法，其特征是，所述采用“濕法”的溶劑為丙酮或四氫呋喃或乙醇或丙酮。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種復(fù)合材料編織預(yù)制填充帶及其制備方法，涉及編織預(yù)制填充帶的結(jié)構(gòu)形狀及其尺寸的標準化設(shè)計以及編織預(yù)制技術(shù)，并用此填充帶提供復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在封閉或半開放三角區(qū)的整體性填充，可以提高填充區(qū)的連接特性、整體特性和結(jié)構(gòu)完整性，從而提升復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的使用性能；同時，此填充帶的內(nèi)部可包裹布拉格光柵光纖，使其成為固化后復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件內(nèi)嵌的傳感器，從而在線監(jiān)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在服役狀態(tài)下遭受異物沖擊的威脅，提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的使用安全性和產(chǎn)品的價值。
文檔編號G02B6/02GK102707373SQ20101058186
公開日2012年10月3日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者劉剛, 安學鋒, 崔海超, 益小蘇 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院