一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法及系統(tǒng)：針對層疊復(fù)合材料預(yù)制體的增強(qiáng)碳纖維穿刺工藝過程，將射流技術(shù)和碳纖維穿刺工藝相結(jié)合，利用射流將增強(qiáng)碳纖維束射向?qū)盈B復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)中各個方向，使得層疊炭纖維預(yù)制體成為一個整體，提高Z向?qū)娱g連接纖維強(qiáng)度，也可以降低傳統(tǒng)層疊炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的針刺成型工藝對碳纖維造成的損傷，從而進(jìn)一步提高層疊復(fù)合材料預(yù)制體的品質(zhì)。
【專利說明】一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于層疊復(fù)合材料預(yù)制體加工制造領(lǐng)域，具體涉及一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在層疊復(fù)合材料預(yù)制體加工制造工藝中，作為層疊復(fù)合材料預(yù)制體的制造工藝的核心就是增加炭布之間的Z向增強(qiáng)碳纖維層間連接，從而提高炭布的層間連接強(qiáng)度，但是目前我國制造的層疊復(fù)合材料預(yù)制體針刺工藝方法與國際先進(jìn)水平仍有很大差距，主要體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)不足:1)由于針刺過程中利用刺針倒刺將增強(qiáng)碳纖維帶入到層疊預(yù)制體中，同時刺針也對層疊預(yù)制體的炭布高模碳纖維形成機(jī)械沖擊和反復(fù)撕扯，從而造成損傷；2)針刺過程中，容易產(chǎn)生斷針現(xiàn)象；3)針刺工藝生產(chǎn)效率較低，不適宜高速針刺場合。因此，亟需對層疊復(fù)合材料預(yù)制體的增強(qiáng)碳纖維穿刺工藝過程中的原始穿刺方法進(jìn)行創(chuàng)新和研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法及系統(tǒng)。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0005]—種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法，該射流穿刺工藝方法包括以下步驟:利用射流將碳纖維噴射到層疊復(fù)合材料預(yù)制體表面，然后由射流將碳纖維帶入到由層疊復(fù)合材料預(yù)制體中每一層內(nèi)的間隙與層間間隙形成的層疊復(fù)合材料預(yù)制體微結(jié)構(gòu)中，帶入到層疊復(fù)合材料預(yù)制體微結(jié)構(gòu)中的碳纖維形成層疊復(fù)合材料預(yù)制體層間的連接，使得層疊復(fù)合材料預(yù)制體的層與層之間成為一個整體。
[0006]所述層疊復(fù)合材料預(yù)制體的每一層為炭纖維或碳纖維構(gòu)成。
[0007]所述射流穿刺工藝方法具體包括以下步驟:將射流技術(shù)和碳纖維穿刺工藝相結(jié)合，利用高速射流將碳纖維噴射到層疊炭纖維預(yù)制體表面，然后由射流將碳纖維帶入到由層疊炭纖維預(yù)制體每一層炭布中的纖維間隙(孔隙)與炭布之間的層間間隙形成的連通管式多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)中，形成炭布之間的連接，使得層疊炭纖維預(yù)制體炭布的層與層之間成為一個整體，從而提高層疊炭纖維預(yù)制體的炭布層與層之間Z向?qū)娱g連接纖維強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)層疊復(fù)合材料預(yù)制體的增強(qiáng)碳纖維射流穿刺。
[0008]所述射流向?qū)盈B復(fù)合材料預(yù)制體的單側(cè)表面噴射，或者所述射流向?qū)盈B復(fù)合材料預(yù)制體的兩側(cè)表面噴射。兩側(cè)表面噴射可以使層疊復(fù)合材料預(yù)制體的層與層之間Z向?qū)娱g連接纖維從兩個方向進(jìn)行交叉，從而獲得更大的連接強(qiáng)度。
[0009]一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括射流噴嘴，射流噴嘴與混合介質(zhì)容器相連，在混合介質(zhì)容器中完成混合介質(zhì)的準(zhǔn)備，混合介質(zhì)是液體介質(zhì)與碳纖維的混合物，在完成射流的準(zhǔn)備后使包含碳纖維的混合介質(zhì)從射流噴嘴射向?qū)盈B復(fù)合材料預(yù)制體表面。
[0010]所述系統(tǒng)還包括計算機(jī)以及水泵，混合介質(zhì)容器與水泵相連，計算機(jī)分別與射流噴嘴以及水泵相連，計算機(jī)控制射流噴嘴移動和射流噴嘴開閉，同時控制水泵。
[0011]所述混合介質(zhì)的準(zhǔn)備就是將液體介質(zhì)和碳纖維進(jìn)行攪拌混合。
[0012]所述射流的準(zhǔn)備就是將壓力作用到混合介質(zhì)上，使混合介質(zhì)能夠由射流噴嘴噴出，形成射流。
[0013]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0014]本發(fā)明對層疊復(fù)合材料預(yù)制體的增強(qiáng)碳纖維穿刺工藝過程中的原始穿刺方法進(jìn)行創(chuàng)新，對層疊復(fù)合材料預(yù)制體既可以利用射流將碳纖維束射向?qū)盈B復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)中各個方向，使得層疊復(fù)合材料預(yù)制體成為一個整體，提高層疊復(fù)合材料預(yù)制體的Z向?qū)娱g連接強(qiáng)度，也可以降低傳統(tǒng)層疊復(fù)合材料預(yù)制體中增強(qiáng)炭纖維的針刺成型工藝對預(yù)制體的纖維造成的損傷，從而進(jìn)一步提聞層置復(fù)合材料預(yù)制體的品質(zhì)。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于:
[0016]I)本發(fā)明為層疊復(fù)合材料預(yù)制體的增強(qiáng)碳纖維穿刺工藝過程提供了完整的參考解決方案以及清晰的控制流程。
[0017]2)本發(fā)明提出了一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法，并首次將其應(yīng)用于層疊復(fù)合材料預(yù)制體的增強(qiáng)碳纖維穿刺工藝過程中。其射流穿刺工藝過程包括:混合介質(zhì)的準(zhǔn)備；射流的準(zhǔn)備；射流穿刺的實(shí)現(xiàn)，流程清晰，簡潔，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0018]3)本發(fā)明所述射流穿刺工藝方法，由于射流噴射向?qū)盈B復(fù)合材料預(yù)制體表面后會沿著間隙進(jìn)入，無需傳統(tǒng)針刺過程的對準(zhǔn)，提高了穿刺效率，便于層疊復(fù)合材料預(yù)制體的射流穿刺的生產(chǎn)，利用射流將碳纖維束射向?qū)盈B復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)中各個方向，使得層疊復(fù)合材料預(yù)制體成為一個整體，提高層疊復(fù)合材料預(yù)制體的Z向?qū)娱g連接纖維強(qiáng)度。
[0019]4)本發(fā)明所述射流穿刺工藝方法，相比傳統(tǒng)層疊復(fù)合材料的針刺成型工藝，沒有對層疊復(fù)合材料預(yù)制體的纖維產(chǎn)生機(jī)械沖擊和反復(fù)撕扯，因此，本發(fā)明所述射流穿刺工藝方法可以降低對層疊復(fù)合材料預(yù)制體造成的損傷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是層疊復(fù)合材料預(yù)制體穿刺前結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是層疊復(fù)合材料預(yù)制體射流穿刺原理圖；
[0022]圖3是層疊復(fù)合材料預(yù)制體射流穿刺系統(tǒng)原理圖；
[0023]圖4是噴嘴射流原理圖；
[0024]圖5是層疊復(fù)合材料預(yù)制體射流穿刺后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖中:1為計算機(jī)，2為射流噴嘴，3為層疊復(fù)合材料預(yù)制體，4為混合介質(zhì)容器，5為水容器，6為水泵，7為第一層炭布，8為第二層炭布，9為第三層炭布，10為孔隙，11為炭纖維束，12為Z向連接碳纖維，A為主射流，B為分射流，Q表示混合介質(zhì)，V表示射流穿刺前的初始速度，vl表示射流穿過層疊復(fù)合材料預(yù)制體的速度。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0027]I) 一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法
[0028]針對層疊炭纖維預(yù)制體的微觀結(jié)構(gòu)，如圖1所示，可以看出，層疊炭纖維預(yù)制體的微觀結(jié)構(gòu)是由每一層炭布中的XY向纖維間隙以及一層層炭布之間的層間間隙構(gòu)成的，這種微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是典型的連通管式多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用射流將含有碳纖維的混合介質(zhì)高速噴射到層疊炭纖維預(yù)制體表面，在連通管式多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)中形成各種射流流場分布，如圖2所示，可以看出，混合介質(zhì)中的碳纖維由射流帶入到層疊炭纖維預(yù)制體的間隙中，形成Z向連接的增強(qiáng)碳纖維，從而使得層疊炭纖維預(yù)制體成為一個整體，提高層疊炭纖維預(yù)制體的Z向?qū)娱g連接纖維強(qiáng)度。
[0029]2)面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝實(shí)現(xiàn)
[0030]①為了實(shí)現(xiàn)面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝過程，采用面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝系統(tǒng)，如圖3所示，包括計算機(jī)1，射流噴嘴2，混合介質(zhì)容器4，水容器5以及高壓水泵6。
[0031]②在面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝系統(tǒng)中，在混合介質(zhì)容器中放入液體水和碳纖維，經(jīng)過攪拌形成混合介質(zhì)。
[0032]③在面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝系統(tǒng)中，由計算機(jī)控制高壓水泵及射流噴嘴工作，使得高壓壓力作用于混合介質(zhì)，混合介質(zhì)經(jīng)過噴嘴噴出，噴射到層疊炭纖維預(yù)制體表面，如圖4所示。
[0033]④在面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝系統(tǒng)中，高壓水射流沖擊炭布表面時，射流對物體的最大作用力位置是在離噴嘴一定距離處，層疊炭纖維預(yù)制體的微觀結(jié)構(gòu)在連續(xù)高壓水射流作用下形成射流流場分布，這些射流對炭布的作用力隨噴嘴到炭布距離、射流壓力與方向，以及噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)等工藝參數(shù)的不同而不同，調(diào)整這些工藝參數(shù)就可以改變射流流場分布。
[0034]⑤在面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝系統(tǒng)中，改變混合介質(zhì)的密度就可以改變層疊炭纖維預(yù)制體的微觀結(jié)構(gòu)中Z向?qū)娱g連接增強(qiáng)碳纖維的數(shù)量，從而提高Z向?qū)盈B炭布之間層間連接的連接強(qiáng)度。
[0035]3)應(yīng)用效果說明
[0036]在面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝系統(tǒng)中，通過層疊炭纖維預(yù)制體射流穿刺后的微觀結(jié)構(gòu)，如圖5所示，可以看出，在層疊炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)中增加了層疊炭布的層與層之間的連接碳纖維，這些連接碳纖維使得層疊炭布的層與層之間產(chǎn)生連接，從而提高Z向?qū)盈B炭布之間層間連接的強(qiáng)度。
[0037]本發(fā)明針對在層疊炭纖維預(yù)制體中每一層炭布中的XY向纖維間隙以及一層層炭布的層間間隙形成的典型的連通管式多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用射流將混合介質(zhì)高速噴射到層疊炭纖維預(yù)制體表面，在連通管式多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)中形成各種射流流場分布，這樣，在射流流場中就由射流將混合介質(zhì)中的碳纖維帶入到層疊復(fù)合材料的縫隙中，形成Z向連接的增強(qiáng)碳纖維，使得層疊炭纖維預(yù)制體成為一個整體，從而提高層疊復(fù)合材料預(yù)制體的Z向?qū)娱g連接纖維強(qiáng)度。
[0038]本發(fā)明提出的層疊復(fù)合材料預(yù)制體射流穿刺工藝方法可以實(shí)現(xiàn)層疊炭纖維預(yù)制體在穿刺制造過程中增強(qiáng)Z向?qū)娱g連接纖維的目的，同時可以降低傳統(tǒng)穿刺工藝對層疊炭纖維預(yù)制體中炭布高模碳纖維的機(jī)械沖擊和反復(fù)撕扯造成的損傷，具有實(shí)用性和有效性。
[0039]總之，本發(fā)明通過分析層疊復(fù)合材料預(yù)制體的射流穿刺工藝方法，將射流技術(shù)和碳纖維穿刺工藝相結(jié)合，構(gòu)建面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，就可以利用射流將混合介質(zhì)高速噴射層疊復(fù)合材料表面,并將混合介質(zhì)中的碳纖維帶入到層疊復(fù)合材料的縫隙中，實(shí)現(xiàn)碳纖維射流穿刺。
【權(quán)利要求】
1.一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法，其特征在于:該射流穿刺工藝方法包括以下步驟:利用射流將碳纖維噴射到層疊復(fù)合材料預(yù)制體表面，然后由射流將碳纖維帶入到由層疊復(fù)合材料預(yù)制體中每一層內(nèi)的間隙與層間間隙形成的層疊復(fù)合材料預(yù)制體微結(jié)構(gòu)中，帶入到層疊復(fù)合材料預(yù)制體微結(jié)構(gòu)中的碳纖維形成層疊復(fù)合材料預(yù)制體層間的連接，使得層疊復(fù)合材料預(yù)制體的層與層之間成為一個整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法，其特征在于:所述層疊復(fù)合材料預(yù)制體的每一層為炭纖維或碳纖維構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法，其特征在于:所述射流穿刺工藝方法具體包括以下步驟:利用射流將碳纖維噴射到層疊炭纖維預(yù)制體表面，然后由射流將碳纖維帶入到由層疊炭纖維預(yù)制體每一層炭布中的纖維間隙與炭布之間的層間間隙形成的連通管式多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)中，形成炭布之間的連接，使得層疊炭纖維預(yù)制體炭布的層與層之間成為一個整體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺工藝方法，其特征在于:所述射流向?qū)盈B復(fù)合材料預(yù)制體的單側(cè)表面噴射，或者所述射流向?qū)盈B復(fù)合材料預(yù)制體的兩側(cè)表面噴射。
5.一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括射流噴嘴(2)，射流噴嘴(2)與混合介質(zhì)容器(4)相連，在混合介質(zhì)容器中完成混合介質(zhì)的準(zhǔn)備，混合介質(zhì)是液體介質(zhì)與碳纖維的混合物，在完成射流的準(zhǔn)備后使包含碳纖維的混合介質(zhì)從射流噴嘴射向?qū)盈B復(fù)合材料預(yù)制體表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)還包括計算機(jī)(I)以及水泵(6)，混合介質(zhì)容器(4)與水泵(6)相連，計算機(jī)(I)分別與射流噴嘴(2)以及水泵(6)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺系統(tǒng)，其特征在于:所述混合介質(zhì)的準(zhǔn)備就是將液體介質(zhì)和碳纖維進(jìn)行攪拌混合。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種面向?qū)盈B復(fù)合材料的射流穿刺系統(tǒng)，其特征在于:所述射流的準(zhǔn)備就是將壓力作用到混合介質(zhì)上。
【文檔編號】B29C70/28GK103737940SQ201310728603
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】要義勇, 趙麗萍 申請人:西安交通大學(xué)