一種層間增韌層疊復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種層間增韌層疊復合材料及其制備方法，該層疊復合材料包含面內層疊織物以及層間XY向和Z向短纖維，首先將一定長度、直徑的短纖維以一定的密度預先均勻的鋪放在層疊織物層間，并在金屬托網上進行夾持，再對其施加水刺處理。用一定直徑、壓強的高壓微細水流射向層疊織物，水刺過程中水流與纖維、金屬托網相互作用，產生散射、激蕩，使層間短纖維產生位移、穿插、抱合，由于織物中間縫隙的存在，部分短纖維進入中間縫隙，產生Z向結構，經固化后得到含有層間與Z向短纖維的層間增韌層疊復合材料，本發(fā)明能夠提高層疊復合材料的Ⅰ/Ⅱ混合型層間斷裂韌性，同時對面內性能損失較小。
【專利說明】
一種層間増韌層疊復合材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于層疊復合材料層間增韌技術領域，具體涉及一種層間增韌的層疊復合材料結構以及制備方法。
【背景技術】
[0002]在層疊復合材料加工制造方法中，增強層疊復合材料的層間力學性能主要從基質改性和纖維結構設計兩方面進行，其主要宗旨是在最大限度減少對面內性能的影響和不增加方法的復雜性的前提下，最大限度提升層疊復合材料的整體力學性能。在纖維的結構設計方面，目前層疊復合材料預制體層間增韌方法主要有Z-Pins、針刺、縫合技術，但這些技術都存在一定局限與不足，主要體現為以下幾點:I)都是采用剛性介質進行層間短纖維的引入，穿刺的過程對層疊預制體的主纖維形成機械沖擊和反復撕扯，從而造成面內纖維的破壞;2)面內增韌的“分辨率”低，對局部微小面積不能很好的進行增韌；3)生產效率較低，尤其是針刺與Z-Pins不適宜大規(guī)模批量化生產場合;4)對層間斷裂韌性的增韌主要聚焦在I斷裂模式下，很少結合Π斷裂模式進行增韌。因此，亟需對層疊復合材料預制體的層間增韌過程中的穿刺方法進行創(chuàng)新和研究。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種可以提高I/Π混合型層間斷裂韌性的層間增韌層疊復合材料及其制備方法。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案:
[0005]一種層間增韌層疊復合材料，該復合材料包括層間增韌的層疊復合材料預制體，所述層疊復合材料預制體包括層疊編織織物以及設置于層疊編織織物中的XY向短纖維和Z向短纖維，所述編織織物以一定角度逐層鋪放，所述XY向短纖維均勻的處于全部或部分編織織物中相鄰兩層編織織物之間，所述Z向短纖維處于層疊編織織物中由每層編織織物的中間縫隙構成的通道中，Z向短纖維是由部分預先鋪設于編織織物層間的短纖維隨水刺射流進入編織織物的中間縫隙而形成的，所述Z向為垂直于編織織物平面的方向。
[0006]所述編織織物選自纖維織物，編織織物的鋪放方式為0°、45°、-45°或90°，編織織物的編織結構選自平紋、斜紋或緞紋二維編織體。
[0007]所述編織織物的纖維種類為碳纖維、苧麻纖維、竹纖維或玻璃纖維，所述XY向短纖維以及Z向短纖維的纖維種類為碳纖維、玻璃纖維、尼龍纖維或凱夫拉纖維。
[0008]所述XY向短纖維以及Z向短纖維的長度為所述編織織物的中間縫隙間距的2?5倍，XY向短纖維以及Z向短纖維的直徑為6?I Oym。
[0009]所述復合材料還包括固化樹脂基體，固化樹脂基體是均勻浸漬所述層疊復合材料預制體的樹脂固化成型而形成的。
[0010]上述層間增韌層疊復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0011 ] I)在層疊編織織物層間鋪放短纖維；
[0012]2)經過步驟I)后，用托網對層疊編織織物進行夾持；
[0013]3)經過步驟2)后，對層疊編織織物進行水刺處理，得到預制體；
[0014]4)將預制體固化成型。
[0015]所述步驟I)中，選擇相應的編織織物種類，并按一定的角度層疊鋪放，鋪放時將一定密度的短纖維預先鋪設在對應層疊編織織物層間，同時根據材料性能需要選擇層疊編織織物的全部層間或部分層間鋪設短纖維。
[0016]所述水刺處理是將單一水射流射向層疊編織織物，使射流體與編織織物以及托網碰撞、激蕩，產生散射，使層間短纖維產生位移、穿插、抱合，并使部分短纖維進入編織織物中間縫隙，從而一次成型得到層間增韌的層疊復合材料預制體。
[0017]在一次成型的基礎上，若需要繼續(xù)增加構成所述層疊復合材料預制體的編織織物層數，則根據水刺原理并采用逐層累加編織織物的漸進方式，直至達到所需的編織織物層數。
[0018]本發(fā)明的有益效果體現在:
[0019]本發(fā)明對層間增韌層疊復合材料結構和制備方法進行改進，對中間鋪有短纖維的層疊復合材料進行水刺，將短纖維作用向層疊復合材料微結構中各個方向，使層疊復合材料產生層間XY向與Z向短纖維，同時降低了傳統(tǒng)層疊復合材料層間增韌過程中對預制體的主纖維造成的損傷。
[0020]對于編織織物層數較多的層疊復合材料預制體采用逐層累加的增韌方式，能夠提高預制體的層間增韌效果。
[0021 ]本發(fā)明與現有技術相比，其優(yōu)點在于:
[0022]I)本發(fā)明提出的層間增韌層疊復合材料結構整體性能優(yōu)異，并且其制備方法流程清晰、簡潔，便于工業(yè)化生產。
[0023]2)本發(fā)明基于水刺進行層間增韌，當射流噴射向層疊復合材料預制體表面后，射流會沿著織物間隙進入，提高了增韌效率和分辨率，利用射流將短纖維束帶入層疊復合材料預制體微結構中各個方向，使層疊復合材料預制體產生層間XY向與Z向短纖維，不僅提高了復合材料的I型層間斷裂韌性，同時對Π型層間斷裂韌性也有所提高，使材料具備抵抗I/Π型混合層間斷裂的能力。
[0024]3)本發(fā)明基于水刺的層間增韌方法，相比傳統(tǒng)層疊復合材料的層間增韌方法，沒有對層疊復合材料預制體的主纖維產生剛性機械沖擊和反復撕扯，因此，本發(fā)明基于水刺的層間增韌方法可以降低對層疊復合材料預制體造成的損傷。
【附圖說明】
[0025]圖1是鋪有層間短纖維的織物結構示意圖；
[0026]圖2是水刺系統(tǒng)原理圖；
[0027]圖3是層疊復合材料預制體水刺過程示意圖；
[0028]圖4是層疊復合材料預制體水刺層間增韌后結構示意圖；
[0029]圖中:i為第一層織物，2為第二層織物，3為第三層織物，4為短纖維，5為層間鋪設短纖維的層疊織物，6為中間縫隙，7為高壓微細水流，8為水針頭，9為計算機控制系統(tǒng)，10為水栗，11為水箱，12為金屬托網，13為Z向連接增強碳纖維;A、B、C分別為第三、二、一層織物的中間縫隙。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0031]I)層疊復合材料的水刺層間增韌方法:
[0032]針對層疊炭纖維預制體的微觀結構，如圖1所示，可以看出，層疊炭纖維預制體在厚度方向存在由每層XY向主纖維(即編織炭布的纖維)交織處的中間縫隙6構成的通道，為典型的連通管式多孔介質結構。
[0033]參見圖2，當高壓微細水流7射向并穿過層疊炭纖維預制體時，流體與主纖維和金屬托網12碰撞、激蕩，發(fā)生多向散射，在連通管式多孔介質結構中形成多種射流分布，如圖3所示，可以看出，炭布層間鋪設的部分短纖維4(碳纖維)在多向射流作用下發(fā)生位移、穿插與抱合，同時由于中間縫隙6的存在，短纖維4會進入到層疊炭纖維預制體的B、C間隙中，形成Z向連接增強碳纖維13(8卩Z向層間連接短纖維)，從而使得層疊炭纖維預制體成為一個整體，提高層疊炭纖維預制體的Z向層間連接強度。同時，層間保留有XY向短纖維，所述XY向為炭布平面的延伸方向。
[0034]2)面向層疊復合材料的水刺層間增韌方法實現
[0035]①為了實現層疊復合材料水刺增韌方法過程，需借助面向層疊復合材料的水刺方法系統(tǒng)，如圖2所示，主要包括計算機控制系統(tǒng)9、水針頭8、水箱11，以及高壓水栗10。
[0036]②如圖1所示，預先準備短纖維(碳纖維)，在進行水刺增韌前，將短纖維以一定的密度(短纖維的鋪設密度例如為2?10g/m2。)均勻鋪設在相鄰炭布層間，短纖維可以是每個層間都鋪設，或根據需要選擇某些層間進行鋪設。用金屬托網12對層疊炭布進行夾持，以便于水刺過程的實現，同時保證炭布水刺的XY向受力均勻。
[0037]③在層疊復合材料水刺層間增韌過程中，利用圖2所示的水刺系統(tǒng)，將高壓微細水流7射向層疊炭纖維預制體，進行水刺增韌過程。在層疊復合材料的水刺層間增韌方法中，通過層疊炭纖維預制體水刺增韌后的微觀結構，如圖4所示，可以看出，在層疊炭纖維預制體結構中增加了層與層之間的Z向層間連接短纖維，這些連接短纖維使得層疊炭布的層與層之間產生連接，同時層間存在一定數量的XY向短纖維。
[0038]④在層疊復合材料水刺層間增韌過程中，如果炭布層數較多，可以采用分層水刺的方式，先進行部分層數炭布的水刺過程，然后再添加其余的炭布層同時鋪設短纖維，以提高水刺的均勻性。
[0039]⑤在面向層疊復合材料的水刺層間增韌方法中，水針(水針就是水針頭射出的高壓微細水流)沖擊最外側炭布表面時，水針與纖維和托網發(fā)生碰撞，形成射流流場，這些射流對炭布的作用力隨水針頭到最外側炭布的距離、射流壓力與方向，以及水針頭結構參數等的不同而不同，調整這些參數可以改變射流流場分布。
[0040]⑥在面向層疊復合材料的水刺層間增韌方法中，改變層間鋪設短纖維密度、短纖維的長度以及炭布的厚度與編織結構能夠改變層疊炭纖維預制體的微觀結構中Z向層間連接短纖維的分布結構與數量，從而改變Z向層疊炭布之間層間連接的連接強度。
[0041]3)將上述水刺層間增韌后得到的預制體應用樹脂傳遞固化方法得到層間增韌層疊復合材料。
[0042]4)應用舉例以及效果說明
[0043]選用4層平紋碳布(東麗3k碳布)并0°鋪放，每個相鄰層間鋪放短碳纖維，短碳纖維長度5mm，直徑6?ΙΟμπι，鋪設密度為2g/m2，水刺參數:水針直徑d = 0.1mm、水刺壓力P =1.5MPa、水針行走速度V =5mm/s;應用以上方法得到水刺增韌層疊復合材料預制體，最后應用真空輔助樹脂傳遞方法得到水刺增韌層疊復合材料，其中樹脂為EPOLAM 2040環(huán)氧樹月旨(北京科拉斯公司)。
[0044]實驗結果表明:相較于直接將混雜短纖維流體噴向層疊碳布的預制體增韌方法，本方法由于在預制體的層間即XY平面上存在大量短纖維，而在材料的斷裂韌性方面，由于裂紋擴展方式的不同，Z向纖維對提高層疊復合材料的I型層間斷裂韌性有直接作用，而XY向短纖維則對提高Π型層間斷裂韌性效果明顯，所以由于層間XY向與Z向短纖維的同時存在，不僅提高了復合材料的I型層間斷裂韌性，同時對Π型層間斷裂韌性也有所提高，增強了材料在復雜工況下的斷裂韌性，使材料的工程適用性更強。
[0045]本發(fā)明也適用于除炭布之外，由諸如苧麻纖維、竹纖維或玻璃纖維構成的層疊預制體。短纖維除了采用碳纖維外，亦可采用其他用于增加連接強度的纖維，例如，玻璃纖維、尼龍纖維或凱夫拉纖維。
[0046]本發(fā)明針對在層疊編織預制體中每一層織物中的主纖維間隙(中間縫隙)以及每層織物的層間間隙形成的典型連通管式多孔介質結構，利用高壓微細水流穿過層疊編織預制體，在連通管式多孔介質結構中形成各種射流分布，層間短纖維在多向射流作用下發(fā)生位移、穿插與抱合，同時由于中間縫隙的存在，短纖維會進入到層疊預制體的間隙中，形成Z向連接的增強纖維，從而使得層疊編織預制體成為一個整體，提高層疊編織預制體的Z向層間連接強度。
[0047]本發(fā)明采用的水刺層間增韌方法，相比傳統(tǒng)層疊復合材料的層間增韌方法，沒有對層疊復合材料預制體的主纖維產生剛性機械沖擊和反復撕扯，因此，本發(fā)明所述水刺層間增韌方法可以降低對層疊復合材料預制體造成的損傷。由于層間XY向與Z向短纖維的存在，不僅提高了復合材料的I型層間斷裂韌性，同時對Π型層間斷裂韌性也有所提高，使材料具備抵抗I/Π型混合層間斷裂的能力。
[0048]本發(fā)明通過分析層疊復合材料預制體的水刺技術原理，將水刺技術作為層間增韌方法，構建面向層疊復合材料的水刺層間增韌方法，在此基礎上，利用高壓微細水流將層疊織物層間短纖維作用入到層疊復合材料的Z向縫隙中，實現層疊復合材料預制體水刺層間增韌過程。
【主權項】
1.一種層間增韌層疊復合材料，其特征在于:該復合材料包括層間增韌的層疊復合材料預制體，所述層疊復合材料預制體包括層疊編織織物以及設置于層疊編織織物中的XY向短纖維和Z向短纖維，所述編織織物以一定角度逐層鋪放，所述XY向短纖維均勻的處于全部或部分編織織物中相鄰兩層編織織物之間，所述Z向短纖維處于層疊編織織物中由每層編織織物的中間縫隙構成的通道中，所述Z向為垂直于編織織物平面的方向。2.根據權利要求1所述一種層間增韌層疊復合材料，其特征在于:所述編織織物的鋪放方式為0°、45°、-45°或90°，編織織物的編織結構選自平紋、斜紋或緞紋二維編織體。3.根據權利要求1所述一種層間增韌層疊復合材料，其特征在于:所述編織織物的纖維種類為碳纖維、苧麻纖維、竹纖維或玻璃纖維，所述XY向短纖維以及Z向短纖維的纖維種類為碳纖維、玻璃纖維、尼龍纖維或凱夫拉纖維。4.根據權利要求1所述一種層間增韌層疊復合材料，其特征在于:所述XY向短纖維以及Z向短纖維的長度為所述編織織物的中間縫隙間距的2?5倍，XY向短纖維以及Z向短纖維的直徑為6?ΙΟμπι。5.根據權利要求1所述一種層間增韌層疊復合材料，其特征在于:所述復合材料還包括固化樹脂基體，固化樹脂基體是均勻浸漬所述層疊復合材料預制體的樹脂固化成型而形成的。6.—種制備如權利要求1所述層間增韌層疊復合材料的方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)在層疊編織織物層間鋪放短纖維； 2)經過步驟I)后，用托網對層疊編織織物進行夾持； 3)經過步驟2)后，對層疊編織織物進行水刺處理，得到預制體； 4)將預制體固化成型。7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟I)中，選擇相應的編織織物種類，并按一定的角度層疊鋪放，鋪放時將一定密度的短纖維預先鋪設在對應層疊編織織物層間，同時根據材料性能需要選擇層疊編織織物的全部層間或部分層間鋪設短纖維。8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于:所述水刺處理是將單一水射流射向層疊編織織物，使射流體與編織織物以及托網碰撞、激蕩，產生散射，使層間短纖維產生位移、穿插、抱合，并使部分短纖維進入編織織物中間縫隙，從而一次成型得到層間增韌的層疊復合材料預制體。9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于:在一次成型的基礎上，若需要繼續(xù)增加構成所述層疊復合材料預制體的編織織物層數，則采用逐層累加編織織物的漸進方式，直至達到所需的編織織物層數。
【文檔編號】B32B33/00GK105946303SQ201610272688
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】仝哲, 趙麗萍, 要義勇
【申請人】西安交通大學