一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体的制作方法

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1.本实用新型涉及一种碳纤维穿刺预制体，尤其涉及一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体。


背景技术：

2.碳纤维穿刺预制体是三维强度高、各向同性度高、整体结构强度好、力学性能优异的编织材料，用其加工的碳/碳复合材料具有优异的耐烧蚀性能、耐温度冲击性能、整体结构强度、三维力学性能等，在航空、航天等高端领域得到广泛应用。
3.目前国内通用的穿刺预制体编织过程是利用预先排布好的钢针矩阵，对碳纤维无纬布、无纬布/网胎、机织物等片材进行整体刺布和压实，然后由人工完成碳纤维置换z向钢针操作，得到穿刺预制体。
4.其存在的问题如下：
5.1、成型模式和预制体结构设计方式单一，只能编织成型长方体形的预制体，对于需要利用预制体制作中空圆柱形结构的情况，无法一次性完成近净尺寸制件，需要经切割后得到近净尺寸的穿刺预制体；如此，就需要切割掉一定量的预制体，导致生产过程中原材料损耗大；
6.2、对于大尺寸的穿刺预制体制备，因为z向钢针数量极大，操作阻力激增，穿刺过程中，钢针阵列控制难度大，导致较大尺寸的穿刺预制体无法制备；
7.3、由于z向钢针的用量较大，且需要人工置换z向钢针，而切割掉的预制体部分所对应的z向钢针置换操作相当于无效工作，导致生产效率低，生产成本高。
8.4、由于水平(x-y)方向没有铺纱，在z向钢针置换的过程中，钢针阵列中边缘处的钢针控制难度较大。


技术实现要素：

9.为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体。
10.本实用新型由如下技术方案实施：
11.一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体，包括x-y方向复合结构和垂直穿刺x-y方向复合结构的一根z向纤维；所述x-y方向复合结构的水平截面呈中心开孔的正n边形(n＝4m，m＝2,3,4
……
)；所述z向纤维按照一定间距逐排穿设于所述x-y方向复合结构内。
12.进一步的，所述x-y方向复合结构包括若干层平面铺层结构和若干层纱线层结构，且所述平面铺层结构与所述纱线层结构交替重叠；
13.每层所述平面铺层结构均由多层平面铺层垂直重叠后构成，且每层所述平面铺层结构的总厚度为5～10mm；
14.每层所述纱线层结构由一个或多个纱线层垂直重叠后构成，且每层所述纱线层包括四层铺纱，其中：
15.第一层铺纱：第一根纱线沿与所述平面铺层任意一个边相平行的方向，由靠近该边的第一排z向纤维与第二排z向纤维之间的间隙穿入，并按照蛇形的方式往复铺设，直至第一根纱线的铺设路径覆盖了所述平面铺层1/2的面积；第二根纱线的铺设路径与第一根纱线的铺设路径以所述平面铺层的中心呈中心对称；
16.第二层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径绕所述平面铺层的中心顺时针旋转90
°
，即为第二层铺纱的铺纱路径；
17.第三层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线的纱线方向相垂直的方向镜像对称，即为第三层铺纱的铺纱路径；
18.第四层铺纱：将第二层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线的纱线方向相平行的方向镜像对称，即为第四层铺纱的铺纱路径。
19.进一步的，所述平面铺层为由碳纤维机织无纬布和碳纤维网胎重叠后得到的复合铺层。
20.进一步的，所述z向纤维为碳纤维。
21.本实用新型的优点：
22.1、可直接编织成型八棱柱(或十二棱柱、十六棱柱等)、中空、近回转体形、近净尺寸碳纤维穿刺预制体，无需进行二次切割，可节省原材料；
23.2、可减少z向钢针使用量，减小穿刺阻力，使大尺寸穿刺预制体成型成为可能；
24.3、大大的减少了z向钢针的使用量，相应的钢针置换工作量同比降低，提升成型效率，降低生产成本；
25.4、通过引入碳纤维铺纱操作，使得铺设的碳纤维可对穿刺钢针起到限位和保持作用，降低了穿刺过程中的钢针阵列控制难度，也有利于大尺寸穿刺预制体的成型，而且，还可提升预制体的环向强度，提升x-y向性能的各向同性。
26.5、通过在局部铺设多个循环的纱线，可以提升局部连续纤维含量，提升该部位力学性能和抗烧蚀性能。
附图说明：
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为实施例1中平面铺层的结构示意图；
29.图2为利用平面铺层结构与纱线层结构交替重叠得到的穿刺预制体的整体示意图，也即利用实施例2的方法制备得到的穿刺预制体的整体示意图；
30.图3为局部高度采用多个纱线层结构，其余部分采用平面铺层结构与纱线层结构交替重叠得到的穿刺预制体的整体示意图，也即利用实施例3的方法制备得到的穿刺预制体的整体示意图；
31.图4为实施例1中穿刺预制体中纱线层结构的示意图；
32.图5为实施例2和实施例3中刺入钢针阵列的平面铺层的示意图；
33.图6为实施例2和实施例3中第一层铺纱过程中第一根纱线的铺设路径；
34.图7为实施例2和实施例3中完成第一层铺纱后的示意图；
35.图8为实施例2和实施例3中完成一个循环的铺纱操作后的示意图。
36.图中：穿刺钢针1、平面铺层2、穿刺预制体3、纱线层结构4、纱线5、z向纤维6。
具体实施方式：
37.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.实施例1：
39.一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体，包括x-y方向复合结构和垂直穿刺x-y方向复合结构的一根z向纤维6；x-y方向复合结构的水平截面呈中心开孔的正n边形(n＝4m，m＝2,3,4
……
)；z向纤维6逐排穿设于x-y方向复合结构内。
40.x-y方向复合结构包括若干层平面铺层结构和若干层纱线层结构4，且平面铺层结构与纱线层结构4交替重叠；
41.每层平面铺层2结构均由多层平面铺层2垂直重叠后构成，且每层平面铺层2结构的总厚度为5～10mm；
42.每层纱线层结构4由一个或多个纱线层垂直重叠后构成，且每层纱线层包括四层铺纱，其中：
43.第一层铺纱：第一根纱线5沿与平面铺层2任意一个边相平行的方向，由靠近该边的第一排z向纤维6与第二排z向纤维6之间的间隙穿入，并按照蛇形的方式铺设，直至第一根纱线5的铺设路径覆盖了平面铺层2总面积的1/2；第二根纱线5的铺设路径与第一根纱线5的铺设路径以平面铺层2的中心呈中心对称；
44.第二层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径绕平面铺层2的中心顺时针旋转90
°
，即为第二层铺纱的铺纱路径；
45.第三层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线5的纱线5方向相垂直的方向镜像对称，即为第三层铺纱的铺纱路径；
46.第四层铺纱：将第二层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线5的纱线5方向相平行的方向镜像对称，即为第四层铺纱的铺纱路径。
47.进一步的，平面铺层2为由碳纤维机织无纬布和碳纤维网胎重叠后得到的复合铺层。纱线5采用碳纤维长丝，z向纤维6为1k、3k或6k的碳纤维。
48.实施例2：
49.按照一次成型近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体3，其有效外径500mm、有效内径200mm、高度300mm、体积密度0.75g/cm3、z向纤维6为双股6k碳纤维、间距2.4mm；预制体结构采用以5mm～10mm厚度的平面铺层2与一个循环的6k碳纤维连续纤维铺纱层交替重叠的结构，如图2所示。其编织方法，具体包括以下步骤：
50.s1、铺层下料：根据拟编织成型穿刺预制体3的x-y向尺寸，将原材料经数控裁床切割成中心开孔的正八边形的平面铺层2，下料时应保证平面铺层2的单边尺寸留有5mm～10mm余量，平面铺层2的外测边长207mm，内侧边长83mm；原材料为由碳纤维机织无纬布和碳
纤维网胎重叠后得到的复合铺层。
51.s2、选针、排针：根据s1中切割得到的平面铺层2的尺寸、形状，和拟编织成型穿刺预制体3的厚度尺寸以及z向纤维6间距参数，选取合适长度、直径的穿刺钢针130340支，并对穿刺钢针1的直线度和长度一致性进行筛选，确保穿刺钢针1长度偏差
±
0.5mm；将选好的穿刺钢针1按照正八边形的平面铺层2的形状在钢针阵列限位装置上进行排列，排针时每列钢针的数量可预先计算得到；
52.s3、钢针阵列保持：依据拟编织成型穿刺预制体3的z向纤维6间距参数，在s2中排列好的钢针阵列中加入相应尺寸的阵列保持装置，将钢针阵列调整到2.4mm钢针间距，并使阵列中的穿刺钢针1得到充分保护和位置控制，钢针阵列调整好后，检查并更换阵列中状态不好的穿刺钢针1，并开始钢针阵列刺布操作；
53.s4、刺布和铺纱：选取10层～20层的由s1中切割得到的平面铺层2垂直重叠后铺放于s3得到的钢针阵列上方，利用模板将多层平面铺层2刺入钢针阵列，如图5所示；然后，利用碳纤维连续长丝在平面铺层2上方钢针阵列的穿刺钢针1的间隙中按照铺纱规则进行一个或多个循环的铺纱操作，铺纱的过程中主要控制纱线5的张力，确保铺放的纱线5对钢针阵列最外层的穿刺钢针1的束缚力度均匀；如此重复刺布和铺纱的操作，直到达到拟编织成型穿刺预制体3的厚度尺寸，得到待压实复合结构；
54.s4中，每次刺布的平面铺层2的总厚度为5～10mm。
55.进一步的，s4中的铺纱规则为：
56.第一层铺纱：第一根纱线5沿与平面铺层2任意一个边相平行的方向，由靠近该边的第一排穿刺钢针1与第二排穿刺钢针1之间的间隙穿入，并按照蛇形的方式铺设，直至第一根纱线5的铺设路径覆盖了平面铺层2总面积的1/2，如图6所示；第二根纱线5的铺设路径与第一根纱线5的铺设路径以平面铺层2的中心呈中心对称，如图7所示；
57.第二层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径绕平面铺层2的中心顺时针旋转90
°
，即得第二层铺纱的铺纱路径；
58.第三层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线5的纱线5方向相垂直的方向镜像对称，即得第三层铺纱的铺纱路径；
59.第四层铺纱：将第二层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线5的纱线5方向相平行的方向镜像对称，即得第四层铺纱的铺纱路径；
60.上述四层铺纱全部结束后，即完成了一个循环的铺纱操作，如图8所示。
61.s5、压实：将s4中得到的待压实复合结构移至加压装置进行压实操作，将x-y向的平面铺层2压实到300mm厚度，得到体积密度满足设计要求的x-y方向复合结构，对于大外形尺寸的近净尺寸穿刺预制体3编织成型的移布和压实操作，需使用与预制体壁厚匹配的钢针间距保持装置和与穿刺预制体3内孔尺寸向匹配的加压辅助装置进行移布和压实操作；
62.s6、碳纤维置换z向钢针：用厚度保持装置将s5得到的x-y方向复合结构固定，并移至钢针置换工作台，依据预制体设计要求，利用1k、3k或6k的碳纤维，依次水平往复逐排完成钢针置换，直至所用穿刺钢针1完成置换，实现了对x-y方向复合结构的链式锁扣编织，得到穿刺预制体3。
63.实施例3：
64.按照一次成型近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体3，其有效外径500mm、有效内
径200mm，预制体体积密度分三段：表面至100mm高度范围0.75g/cm3，100mm～200mm高度范围0.85g/cm3，200mm～300mm范围0.75g/cm3；z向纤维6为双股6k碳纤维、间距2.4mm；预制体结构：100mm～200mm高度范围采用多个循环的6k碳纤维连续长丝铺纱结构；其余部分采用以5mm～10mm厚度的平面铺层2与一个循环的6k碳纤维连续纤维铺纱层交替重叠的结构，如图3所示。其编织方法，具体包括以下步骤：
65.s1、铺层下料：根据拟编织成型穿刺预制体3的x-y向尺寸，将原材料经数控裁床切割成中心开孔的正八边形的平面铺层2，下料时应保证平面铺层2的单边尺寸留有5mm～10mm余量，平面铺层2的外测边长207mm，内侧边长83mm；原材料为由碳纤维机织无纬布和碳纤维网胎重叠后得到的复合铺层。
66.s2、选针、排针：根据s1中切割得到的平面铺层2的尺寸、形状，和拟编织成型穿刺预制体3的厚度尺寸以及z向纤维6间距参数，选取合适长度、直径的穿刺钢针130340支，并对穿刺钢针1的直线度和长度一致性进行筛选，确保穿刺钢针1长度偏差
±
0.5mm；将选好的穿刺钢针1按照正八边形的平面铺层2的形状在钢针阵列限位装置上进行排列，排针时每列穿刺钢针1的数量可预先计算得到；
67.s3、钢针阵列保持：依据拟编织成型穿刺预制体3的z向纤维间距参数，在s2中排列好的钢针阵列中加入相应尺寸的阵列保持装置，将钢针阵列调整到2.4mm钢针间距，并使阵列中的穿刺钢针1得到充分保护和位置控制，钢针阵列调整好后，检查并更换阵列中状态不好的穿刺钢针1，并开始钢针阵列刺布操作；
68.s4、刺布和铺纱：选取10层～20层的由s1中切割得到的平面铺层2垂直重叠后铺放于s3得到的钢针阵列上方，利用模板将多层平面铺层2刺入钢针阵列，如图5所示；然后，利用碳纤维连续长丝在平面铺层2上方钢针阵列的穿刺钢针1的间隙中按照铺纱规则进行一个或多个循环的铺纱操作，铺纱的过程中主要控制纱线5的张力，确保铺放的纱线5对钢针阵列最外层的穿刺钢针1的束缚力度均匀；如此重复刺布和铺纱的操作，直到达到拟编织成型穿刺预制体3的厚度尺寸，得到待压实复合结构；
69.s4中，每次刺布的平面铺层2的总厚度为5～10mm。
70.进一步的，s4中的铺纱规则为：
71.第一层铺纱：第一根纱线5沿与平面铺层2任意一个边相平行的方向，由靠近该边的第一排穿刺钢针1与第二排穿刺钢针1之间的间隙穿入，并按照蛇形的方式铺设，直至第一根纱线5的铺设路径覆盖了平面铺层2总面积的1/2，如图6所示；第二根纱线5的铺设路径与第一根纱线5的铺设路径以平面铺层2的中心呈中心对称，如图7所示；
72.第二层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径绕平面铺层2的中心顺时针旋转90
°
，即得第二层铺纱的铺纱路径；
73.第三层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线5的纱线5方向相垂直的方向镜像对称，即得第三层铺纱的铺纱路径；
74.第四层铺纱：将第二层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线5的纱线5方向相平行的方向镜像对称，即得第四层铺纱的铺纱路径；
75.上述四层铺纱全部结束后，即完成了一个循环的铺纱操作。如图8所示。
76.s5、压实：将s4中得到的待压实复合结构移至加压装置进行压实操作，将x-y向的平面铺层2压实到300mm厚度，得到体积密度满足设计要求的x-y方向复合结构，对于大外形
尺寸的近净尺寸穿刺预制体3编织成型的移布和压实操作，需使用与预制体壁厚匹配的钢针间距保持装置和与穿刺预制体3内孔尺寸向匹配的加压辅助装置进行移布和压实操作；
77.s6、碳纤维置换z向钢针：用厚度保持装置将s5得到的x-y方向复合结构固定，并移至钢针置换工作台，依据预制体设计要求，利用1k、3k或6k的碳纤维，依次水平往复逐排完成钢针置换，直至所用穿刺钢针1完成置换，实现了对x-y方向复合结构的链式锁扣编织，得到穿刺预制体3。
78.对比例1：
79.一种传统方法成型的碳纤维穿刺预制体3，体积密度0.75g/cm3，z向纤维为双股6k碳纤维、间距2.4mm；x-y方向以12k碳纤维机织无纬布/碳纤维网胎的复合单元层叠层压实而成；先成型得到外形尺寸为500mm
×
500mm
×
300mm的穿刺预制体后，切割成为有效外径500mm、有效内径200mm、高度300mm的中空八棱柱形穿刺预制体。其对应的穿刺预制体成型实际置换钢针43681支，切除部分预制体重量16.6kg(成为固体废料)。
80.通过将实施例一、实施例二与对比例一相比，可以得出：
81.实施例一、实施例二中穿刺预制体3成型实际置换钢针30340支，预制体成型后无需进行二次切割，可直接实现近净尺寸穿刺预制体3的成型；因为成型过程中使用的钢针较对比例一减少30.6％，有效降低了成型时的刺布阻力和压实压力值，以及钢针置换量，更适合进行大尺寸穿刺预制体3制件的成型。通过引入铺纱的操作，增加了环向强度，提升了纤维含量，进而提升了烧蚀性能。
82.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体，其特征在于，包括x-y方向复合结构和垂直穿刺x-y方向复合结构的一根z向纤维；所述x-y方向复合结构的水平截面呈中心开孔的正n边形，n＝4m，m＝2,3,4
……
；所述z向纤维逐排穿设于所述x-y方向复合结构内。2.根据权利要求1所述的一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体，其特征在于，所述x-y方向复合结构包括若干层平面铺层结构和若干层纱线层结构，且所述平面铺层结构与所述纱线层结构交替重叠；每层所述平面铺层结构均由多层平面铺层垂直重叠后构成，且每层所述平面铺层结构的总厚度为5～10mm；每层所述纱线层结构由一个或多个纱线层垂直重叠后构成，且每层所述纱线层包括四层铺纱，其中：第一层铺纱：第一根纱线沿与所述平面铺层任意一个边相平行的方向，由靠近该边的第一排z向纤维与第二排z向纤维之间的间隙穿入，并按照蛇形的方式铺设，直至第一根纱线的铺设路径覆盖了所述平面铺层1/2的面积；第二根纱线的铺设路径与第一根纱线的铺设路径以所述平面铺层的中心呈中心对称；第二层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径绕所述平面铺层的中心顺时针旋转90
°
，即为第二层铺纱的铺纱路径；第三层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线的纱线方向相垂直的方向镜像对称，即为第三层铺纱的铺纱路径；第四层铺纱：将第二层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线的纱线方向相平行的方向镜像对称，即为第四层铺纱的铺纱路径。3.根据权利要求2所述的一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体，其特征在于，所述平面铺层为由碳纤维机织无纬布和碳纤维网胎重叠后得到的复合铺层。4.根据权利要求1所述的一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体，其特征在于，所述z向纤维为碳纤维。

技术总结
本实用新型公开了一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体，包括X-Y方向复合结构和垂直穿刺X-Y方向复合结构的一根Z向纤维；所述X-Y方向复合结构的水平截面呈中心开孔的正n边形，n＝4m，m＝2,3,4


技术研发人员：王宝生 鲍鑫 霍蒙 云振义
受保护的技术使用者：内蒙古河西航天科技发展有限公司
技术研发日：2023.02.13
技术公布日：2023/9/26