本發(fā)明涉及復(fù)合材料成型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于濕法成型預(yù)浸料的絲嘴機(jī)構(gòu)及其使用方法。

背景技術(shù)：

由于復(fù)合材料具有高的比模量比強(qiáng)度，同時(shí)因其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造一體化的優(yōu)勢，使得復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著航空航天領(lǐng)域復(fù)合材料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性及質(zhì)量要求不斷地提高，并且復(fù)合材料成型工藝技術(shù)不斷地進(jìn)步，對于復(fù)合材料成型中間環(huán)節(jié)的復(fù)合材料預(yù)制品的性能、可靠性、穩(wěn)定性的要求越來越苛刻。特別表現(xiàn)在以預(yù)浸料為中間成型材料的衛(wèi)星桁架結(jié)構(gòu)中多通接頭復(fù)雜結(jié)構(gòu)手鋪成型、自動(dòng)鋪放、預(yù)浸料纏繞技術(shù)。因此，預(yù)浸料性能的提高以及預(yù)浸料穩(wěn)定性成為制約復(fù)合材料成型技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

復(fù)合材料預(yù)浸料制備方法主要有兩種，一種是干法制備；另一種是濕法制備。干法制備預(yù)浸料設(shè)備投資大，對纖維的磨損嚴(yán)重，對高模量碳纖維的損傷特別嚴(yán)重，使得制備的復(fù)合材料產(chǎn)品性能嚴(yán)重下降。濕法制備預(yù)浸料具有對設(shè)備投資小，對纖維磨損小，能保證高模量纖維的力學(xué)性能，并且具有制備預(yù)浸料周期短的特點(diǎn)，非常適合航天領(lǐng)域衛(wèi)星結(jié)構(gòu)小批量多種類的復(fù)合材料產(chǎn)品的生產(chǎn)。但是目前濕法制備預(yù)浸料設(shè)備絲嘴結(jié)構(gòu)單一，薄厚度的預(yù)浸料難以制備，嚴(yán)重影響了復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，難以滿足衛(wèi)星上具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料產(chǎn)品對不同厚度預(yù)浸料的需求；在預(yù)浸料制備過程中大絲束碳纖維制備過程中展紗問題嚴(yán)重，在預(yù)浸料中間出現(xiàn)露白現(xiàn)象，降低了預(yù)浸料的利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一用于濕法成型預(yù)浸料的絲嘴機(jī)構(gòu)及其使用方法。通過對展紗輥的設(shè)計(jì)制備不同厚度的預(yù)浸料，提高預(yù)浸料厚度均勻性以及鋪層設(shè)計(jì)的靈活性，進(jìn)而控制航天復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性，滿足不同性能復(fù)合材料產(chǎn)品精細(xì)制造要求。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供了一種用于濕法成型預(yù)浸料的絲嘴結(jié)構(gòu)，包括支架模塊、浸膠模塊、預(yù)展紗模塊和展紗模塊；所述支架模塊包括側(cè)板和底板；所述膠輥模塊、預(yù)展紗模塊和展紗模塊沿側(cè)板的水平方向依次設(shè)置在側(cè)板上。

優(yōu)選地，所述預(yù)展紗模塊包括兩個(gè)連接圓盤以及設(shè)置于兩個(gè)連接圓盤之間的預(yù)展紗輥。

優(yōu)選地，所述預(yù)展紗輥包括凹型預(yù)展紗輥、凸型預(yù)展紗輥和平面預(yù)展紗輥中的至少一種。

更優(yōu)選地，所述預(yù)展紗輥包括凹型預(yù)展紗輥、凸型預(yù)展紗輥和平面預(yù)展紗輥所述凹型預(yù)展紗輥、凸型預(yù)展紗輥和平面預(yù)展紗輥沿連接圓盤的圓周方向均勻設(shè)置；

所述凹型預(yù)展紗輥、凸型預(yù)展紗輥和平面預(yù)展紗輥的端面直徑相同；

所述預(yù)展紗模塊還包括設(shè)置在連接圓盤中心的定位孔、穿過定位孔的中心旋轉(zhuǎn)軸、和設(shè)置在預(yù)展紗輥中心的輥動(dòng)軸承。連接圓盤通過中心旋轉(zhuǎn)軸、輥動(dòng)軸承與支架模塊連接，連接圓盤與預(yù)展紗輥通過定位螺紋連接。所述預(yù)展紗模塊可沿圓周方向旋轉(zhuǎn)，由此可調(diào)節(jié)預(yù)展紗輥的位置。

優(yōu)選地，所述展紗模塊包括兩個(gè)連接塊，兩個(gè)連接塊直接設(shè)置凹型集束輥和凸型展紗輥；所述凹型集束輥和凸型展紗輥沿水平方向依次設(shè)置。展紗模塊安裝在支架模塊上靠近預(yù)浸料收卷端，其中凹形展紗輥將纖維集束定位，凸型展紗輥將纖維展開，并且可以通過調(diào)節(jié)凹、凸型展紗輥的曲率來控制展紗寬度。

優(yōu)選地，所述展紗模塊還包括中心旋轉(zhuǎn)軸、定位螺釘。所述中心旋轉(zhuǎn)軸為設(shè)置在凹型集束輥或凸型展紗輥中心的軸承。根據(jù)所需要的產(chǎn)品，旋轉(zhuǎn)該中心旋轉(zhuǎn)軸調(diào)節(jié)凸展紗輥和凹展紗輥的間隙。所述的定位螺釘設(shè)置在靠近支架一端的連接塊上，通過該定位螺釘將連接塊與支架連接。

優(yōu)選地，所述的浸膠模塊包括浸膠輥、軸承和浸膠槽；所述浸膠槽設(shè)置在底板上；所述軸承設(shè)置在浸膠輥中心，軸承一端與側(cè)板連接，另一端與浸膠槽側(cè)壁連接。所述浸膠輥可以繞著中心軸旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)選地，所述支架模塊上設(shè)置有碳纖維入口，浸膠槽設(shè)置在碳纖維入口處。

優(yōu)選地，所述支架模塊靠近展紗模塊的一端與預(yù)浸料排布機(jī)連接。

本發(fā)明還提供了一種用于濕法成型預(yù)浸料的絲嘴裝置的使用方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)所需的預(yù)浸料厚度計(jì)算展紗輥截面曲率，由此確定合適型面的預(yù)展紗輥；

S2、將符合條件的預(yù)展紗輥通過中心軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)到最高點(diǎn)位置；

S3、碳纖維依次通過浸膠模塊、預(yù)展紗模塊和展紗模塊后進(jìn)行預(yù)浸料制備。

優(yōu)選地，所述展紗輥截面曲率的計(jì)算公式包括：

寬度計(jì)算公式

W-紗片寬，mm；-展紗輥上展紗寬度對應(yīng)角度，1°；R-展紗輥型面弧線對應(yīng)半徑，mm；

預(yù)浸料單層厚度

TEX-纖維的線密度，g/km；V_f-纖維體積分?jǐn)?shù)，％；ρ-纖維密度，g/cm³；t-碳纖維單層厚度，mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種濕法成型碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料絲嘴結(jié)構(gòu)及其使用方法，操作簡便，能夠根據(jù)工藝鋪層設(shè)計(jì)的要求制備不同厚度的預(yù)浸料，拓寬了預(yù)浸料厚度的制備范圍，提高了工藝鋪層設(shè)計(jì)的靈活性，提高了碳纖維預(yù)浸料制備效率。

2、通過對展紗輥的設(shè)計(jì)制備不同厚度的預(yù)浸料，提高預(yù)浸料厚度均勻性以及鋪層設(shè)計(jì)的靈活性，進(jìn)而控制航天復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性，滿足不同性能復(fù)合材料產(chǎn)品精細(xì)制造要求。

3、該絲嘴結(jié)構(gòu)可以適用于不同的纖維種類、纖維絲束大小的展紗情況；該絲嘴結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)展紗輥的橫截面形狀調(diào)節(jié)紗片寬，達(dá)到制備不同厚度碳纖維預(yù)浸料的目的。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：

圖1為絲嘴結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為預(yù)展紗模塊示意圖；

圖3為展紗模塊示意圖；

圖4為纖維展紗示意圖；

圖5為平輥纖維展紗狀態(tài)；

圖6為凹輥纖維展紗狀態(tài)；

圖7為凸輥纖維展紗狀態(tài)；

其中：1-支架模塊、2-浸膠輥、3-預(yù)展紗模塊、4-展紗模塊、5-浸膠模塊、6-連接圓盤、7-凸型預(yù)展紗輥、8-平型預(yù)展紗輥、9-凹形預(yù)展紗輥、10-定位孔、11-凹形集束輥、12-凸型展紗輥、13-連接塊、14-纖維紗、15-定位螺釘。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種用于濕法成型碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料的絲嘴結(jié)構(gòu)及其使用方法,所述絲嘴結(jié)構(gòu)如圖1-7所示，包括支架模塊1、浸膠模塊5、預(yù)展紗模塊3和展紗模塊4；所述支架模塊1包括側(cè)板和底板；所述浸膠模塊5、預(yù)展紗模塊3和展紗模塊4沿側(cè)板的水平方向依次設(shè)置在側(cè)板上。

所述預(yù)展紗模塊3包括兩個(gè)連接圓盤6以及設(shè)置于兩個(gè)連接圓盤6之間的預(yù)展紗輥。

所述預(yù)展紗輥包括凹型預(yù)展紗輥9、凸型預(yù)展紗輥7和平面預(yù)展紗輥8；所述凹型預(yù)展紗輥9、凸型預(yù)展紗輥7和平面預(yù)展紗輥8沿連接圓盤6的圓周方向均勻設(shè)置。

所述凹型預(yù)展紗輥9、凸型預(yù)展紗輥7和平面預(yù)展紗輥8的端面直徑相同。

所述預(yù)展紗模塊3還包括設(shè)置在連接圓盤6中心的定位孔10、穿過定位孔10的中心旋轉(zhuǎn)軸、和設(shè)置在預(yù)展紗輥中心的輥動(dòng)軸承。連接圓盤6通過中心旋轉(zhuǎn)軸、輥動(dòng)軸承與支架模塊1連接，連接圓盤6與預(yù)展紗輥通過定位螺紋連接。所述預(yù)展紗模塊3可沿圓周方向旋轉(zhuǎn)，由此可調(diào)節(jié)預(yù)展紗輥的位置。

所述展紗模塊4包括兩個(gè)連接塊13，兩個(gè)連接塊13之間設(shè)置有凹型集束輥11和凸型展紗輥12；所述凹型集束輥11和凸型展紗輥12沿水平方向依次設(shè)置。展紗模塊4安裝在支架模塊1上靠近預(yù)浸料收卷端，其中凹形集束輥11將纖維集束定位，凸型展紗輥12將纖維紗14展開，并且可以通過調(diào)節(jié)凹、凸型展紗輥的曲率來控制展紗寬度。

所述展紗模塊4還包括中心旋轉(zhuǎn)軸、定位螺釘15。

所述的浸膠模塊5包括浸膠輥2、軸承和浸膠槽；所述浸膠槽設(shè)置在底板上；所述軸承設(shè)置在浸膠輥2中心，軸承一端與側(cè)板連接，另一端與浸膠槽側(cè)壁連接。浸膠輥可以繞著中心軸旋轉(zhuǎn)。

所述支架模塊1上設(shè)置有碳纖維入口，浸膠槽設(shè)置在碳纖維入口處。

所述支架模塊1靠近展紗模塊4的一端與預(yù)浸料排布機(jī)連接。

本發(fā)明所述用于濕法成型預(yù)浸料的絲嘴裝置的使用方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)所需的預(yù)浸料厚度計(jì)算展紗輥截面曲率，由此確定合適型面的預(yù)展紗輥；

S2、將符合條件的預(yù)展紗輥通過中心軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)到最高點(diǎn)位置；

S3、碳纖維依次通過浸膠模塊5、預(yù)展紗模塊3和展紗模塊4后進(jìn)行預(yù)浸料制備。

所述展紗輥界面曲率的計(jì)算公式包括：

紗片寬度計(jì)算公式：

W-紗片寬，mm；-展紗輥上展紗寬度對應(yīng)角度，rad；R-展紗輥型面弧線對應(yīng)半徑，mm；

預(yù)浸料單層厚度

TEX-纖維的線密度，g/km；V_f-纖維體積分?jǐn)?shù)，％；ρ-纖維密度，g/cm³；t-碳纖維單層厚度，mm。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供了一種采用實(shí)施例1所述用于濕法成型碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料的絲嘴結(jié)構(gòu)來制備高模量碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，其成型方法包括如下步驟：

S1、根據(jù)工藝設(shè)計(jì)文件明確要求制備的復(fù)合材料高模量碳纖維預(yù)浸料理論單層厚度0.2mm。高模量碳纖維的線密度為230(g/km)，碳纖維密度為2.04(g/cm³)，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為60％。原始纖維束寬度為1.8mm，根據(jù)紗片寬為0.9mm要求，需采用凹型預(yù)展紗輥。

所述預(yù)展紗模塊中，凹型預(yù)展紗輥的截面曲率計(jì)算如下：

其中展紗輥對應(yīng)的角度根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值4.2×10^-3rad；根據(jù)紗片寬為0.9mm要求，計(jì)算得到的R取值214.3mm。

所述展紗模塊中，凹形集束輥的截面曲率計(jì)算如下：

凹型集束輥的截面曲率計(jì)算如下：

其中展紗輥對應(yīng)的角度根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值4.2×10-3rad；根據(jù)紗片寬為0.9mm要求，計(jì)算得到的R取值214.3mm。

凸型展紗輥的截面曲率計(jì)算如下：

其中展紗輥對應(yīng)的角度根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值4.2×10-3rad；根據(jù)紗片寬為0.9mm要求，計(jì)算得到的R取值-214.3mm。

S2、高模量碳纖維預(yù)浸料理論紗片寬難以展開，在展紗前需要通過預(yù)展紗輥進(jìn)行預(yù)展紗，為了減小展紗寬度，采用凹型預(yù)展紗輥，將凹型預(yù)展紗輥通過中心軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)到最高點(diǎn)位置(90°)，通過螺釘與展紗盤上定位孔的組合將凹型預(yù)展紗輥固定在最高點(diǎn)位置。

S3、將樹脂、固化劑、稀釋劑按照比例配比，在攪拌機(jī)上勻速攪勻，攪拌速度為300r/min，攪拌時(shí)間30min；使樹脂與固化劑充分混合。將配好的膠液加入浸膠槽。

S4、將卷筒收卷好的碳纖維安裝到排布機(jī)紗架上，將碳纖維依次通過浸膠輥(2)、預(yù)展紗輥(3)、展紗輥(4)，最后將碳纖維用膠帶固定在預(yù)浸料收卷筒上。

S5、設(shè)置排布機(jī)參數(shù)，排布張力設(shè)定為2N，紗片寬為0.9mm；開機(jī)運(yùn)行進(jìn)行預(yù)浸料制備。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供了一種采用實(shí)施例1所述用于濕法成型碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料的絲嘴結(jié)構(gòu)來制備高模量碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，其成型方法包括如下步驟：

S1、根據(jù)工藝設(shè)計(jì)文件明確要求制備的復(fù)合材料高模量碳纖維預(yù)浸料理論單層厚度0.18mm。高模量碳纖維的線密度為230(g/km)，碳纖維密度為2.04(g/cm³)，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為60％，原始纖維束寬度為1mm,纖維束展開時(shí)紗片寬度為1mm。纖維紗片寬度與原始纖維束寬度一致，不需要展開。由此選擇展紗輥截面曲率半徑R＝+∞(mm)，即預(yù)展紗模塊中采用平面預(yù)展紗輥。所述展紗模塊中采用的凹型集束輥和凸型展紗輥與實(shí)施例2的相同。

S2、高模量碳纖維預(yù)浸料理論紗片寬難以展開，在展紗前需要通過預(yù)展紗輥進(jìn)行預(yù)展紗，由于展紗前后的纖維束與纖維紗片寬度相同，無需展紗，由此采用平面預(yù)展紗輥預(yù)展紗，將平面預(yù)展紗輥通過中心軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)到最高點(diǎn)位置(90°)，通過螺釘與展紗盤上定位孔的組合將預(yù)展紗輥固定在最高點(diǎn)位置。

S3、將樹脂、固化劑、稀釋劑按照比例配比，在攪拌機(jī)上勻速攪勻，攪拌速度為300r/min，攪拌時(shí)間30min；使樹脂與固化劑充分混合。將配好的膠液加入浸膠槽。

S4、將卷筒收卷好的碳纖維安裝到排布機(jī)紗架上，將碳纖維依次通過浸膠輥2、預(yù)展紗輥、展紗輥，最后將碳纖維用膠帶固定在預(yù)浸料收卷筒上。

S5、設(shè)置排布機(jī)參數(shù)，排布張力設(shè)定為2N，紗片寬為1mm；開機(jī)運(yùn)行進(jìn)行預(yù)浸料制備。

實(shí)施例4

本實(shí)施例提供了一種采用實(shí)施例1所述用于濕法成型碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料的絲嘴結(jié)構(gòu)來制備高模量碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，其成型方法包括如下步驟：

S1、根據(jù)工藝設(shè)計(jì)文件明確要求制備的復(fù)合材料高模量碳纖維預(yù)浸料理論單層厚度0.1mm。高模量碳纖維的線密度為230(g/km)，碳纖維密度為2.04(g/cm³)，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為60％，原始纖維束寬度為0.9mm，根據(jù)纖維束展開時(shí)紗片寬度為1.8mm的要求，預(yù)展紗模塊中選擇凸型預(yù)展紗輥。

所述凸型預(yù)展紗輥的截面曲率計(jì)算如下：

其中展紗輥對應(yīng)的角度根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值4.2×10^-3rad；根據(jù)紗片寬為1.8mm要求，計(jì)算得到的R取值-428mm。

所述展紗模塊中，凹形集束輥的截面曲率計(jì)算如下：

其中展紗輥對應(yīng)的角度根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值4.2×10^-3rad；根據(jù)紗片寬為1.8mm要求，計(jì)算得到的R取值428mm。

凸型展紗輥的截面曲率計(jì)算如下：

其中展紗輥對應(yīng)的角度根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值4.2×10^-3rad；根據(jù)紗片寬為1.8mm要求，計(jì)算得到的R取值-428mm。

S2、高模量碳纖維預(yù)浸料理論紗片寬難以展開，在展紗前需要通過預(yù)展紗輥進(jìn)行預(yù)展紗，為了增加展紗寬度，采用凸型預(yù)展紗輥預(yù)展紗，將凸型預(yù)展紗輥通過中心軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)到最高點(diǎn)位置(90°)，通過螺釘與展紗盤上定位孔的組合將預(yù)展紗輥固定在最高點(diǎn)位置。

S3、將樹脂、固化劑、稀釋劑按照比例配比，在攪拌機(jī)上勻速攪勻，攪拌速度為300r/min，攪拌時(shí)間30min；使樹脂與固化劑充分混合。將配好的膠液加入浸膠槽。

S4、將卷筒收卷好的碳纖維安裝到排布機(jī)紗架上，將碳纖維依次通過浸膠輥(2)、預(yù)展紗輥(3)、展紗輥(4)，最后將碳纖維用膠帶固定在預(yù)浸料收卷筒上。

S5、設(shè)置排布機(jī)參數(shù)，排布張力設(shè)定為4N，紗片寬為1.8mm；開機(jī)運(yùn)行進(jìn)行預(yù)浸料制備。

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種濕法成型碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料絲嘴結(jié)構(gòu)及其使用方法，操作簡便，能夠根據(jù)工藝鋪層設(shè)計(jì)的要求制備不同厚度的預(yù)浸料，拓寬了預(yù)浸料厚度的制備范圍，提高了工藝鋪層設(shè)計(jì)的靈活性，提高了碳纖維預(yù)浸料制備效率。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指出，以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而并不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。