本發(fā)明涉及一種三維預(yù)制體，尤其是對(duì)現(xiàn)有陶瓷基或樹脂基復(fù)合材料用針刺三維預(yù)制體性能的提升。

背景技術(shù)：

纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)高損傷容限、耐沖擊、抗分層、抗疲勞等綜合性能，及結(jié)構(gòu)性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于筒狀、板狀以及異形結(jié)構(gòu)功能一體化部件，其中根據(jù)選用纖維材質(zhì)的不同、封頂結(jié)構(gòu)部件可應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域用功能材料、結(jié)構(gòu)材料等。封頂預(yù)制體作為該類陶瓷基或樹脂基復(fù)合材料的骨架，其性能好壞影響復(fù)合工藝和最終復(fù)合材料的性能。

中國(guó)專利(200610013430.2)公開了一種封頂三維織物及其織造方法，該織造方法將預(yù)置預(yù)留長(zhǎng)度經(jīng)紗法、直線形引緯法和預(yù)留長(zhǎng)度緯紗法三種織造工藝相結(jié)合，制備出成型封頂部分繼而采用機(jī)織或編織方法繼續(xù)進(jìn)行身部織造而成的整體封端織物。該織造、編織方法引入連續(xù)纖維，力學(xué)性能佳，但由于織造、編織工序繁多，人工參與多，制備成本高，均勻性和一致性難以控制，無(wú)法滿足封頂預(yù)制體的高性能、低成本、快速批量生產(chǎn)的要求。

中國(guó)專利(CN102731130B)公開了根據(jù)天線罩的幾何尺寸設(shè)計(jì)出芯模，在芯模上用石英布和石英氈通過針刺法刺成相應(yīng)幾何尺寸的仿形結(jié)構(gòu)織物，該織物低成本，快速成型，但該方法所述的石英布需根據(jù)天線罩外形進(jìn)行裁剪分瓣，造成了面內(nèi)纖維不連續(xù)，降低了材料環(huán)向力學(xué)性能，其次該方法所述的石英布層間為針刺短纖維，層間力學(xué)性能低，影響織物的整體性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)問題，提出了一種三維預(yù)制體，該預(yù)制體單元層面內(nèi)具備連續(xù)纖維層，單元層層間具備縫合連續(xù)纖維和針刺短纖維，連續(xù)纖維 含量高且分布均勻，環(huán)向、母向、層間均分布有連續(xù)纖維，層間結(jié)合強(qiáng)度好、整體力學(xué)性能高，且成型速度快，仿形精度高等特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種三維預(yù)制體，該預(yù)制體由機(jī)織布仿形鋪層，連續(xù)纖維層，網(wǎng)胎層疊層形成單元層，單元層經(jīng)組合針刺，后縫合成型為三維整體結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述的單元層內(nèi)機(jī)織布層、連續(xù)纖維層及網(wǎng)胎層配置比例為設(shè)定值，單元層層數(shù)依據(jù)產(chǎn)品厚度和性能要求確定。

進(jìn)一步地，所述機(jī)織布層的機(jī)織布依據(jù)產(chǎn)品外形仿形裁剪后鋪層，其面密度為100～640g/m²。

進(jìn)一步地，所述網(wǎng)胎層的網(wǎng)胎面密度為40～160g/m²。

進(jìn)一步地，所述連續(xù)纖維層的連續(xù)纖維纏繞方式為螺旋形或網(wǎng)格形。

進(jìn)一步地，所述預(yù)制體的針刺密度為15～35針/cm²。

進(jìn)一步地，所述縫合針距為2～20mm，行距為2～20mm。

進(jìn)一步地，所述機(jī)織布、連續(xù)纖維、網(wǎng)胎、縫合纖維的材質(zhì)為石英纖維、高硅氧纖維或碳纖維的一種或組合。

進(jìn)一步地，所述預(yù)制體的體積密度為0.30～0.88g/cm³。

本發(fā)明涉及的這種三維預(yù)制體，由機(jī)織布仿形分瓣裁剪后貼芯模鋪層、螺旋形或網(wǎng)格形纏繞的連續(xù)纖維層形成面內(nèi)均勻的連續(xù)纖維和網(wǎng)胎層疊層形成單元層，單元層經(jīng)組合針刺后進(jìn)行縫合成型預(yù)制體。該預(yù)制體單元層面內(nèi)和層間均具備均勻分布的連續(xù)纖維，力學(xué)性能高，整體性能穩(wěn)定。通過連續(xù)纖維纏繞彌補(bǔ)了機(jī)織布因開剪仿形鋪層易形變的不足，且通過設(shè)計(jì)纏繞方式在預(yù)制體內(nèi)部形成完整密實(shí)的具有連續(xù)纖維網(wǎng)絡(luò)單元的連續(xù)纖維層，滿足預(yù)制體單元層面內(nèi)各方向纖維體積含量高和均勻性高的要求。較三維封頂機(jī)織、編織預(yù)制體相比，成型過程簡(jiǎn)單，成型速度提高50％以上，制備效率高、成本低。各向同性網(wǎng)胎的引入在預(yù)制體內(nèi)部形成有效通道，有利于復(fù)合過程中基體的均勻滲透，通過針刺可在層間引入連接短纖維，在層間方向形成網(wǎng)絡(luò)通道，便于后期基體材質(zhì)的滲透；采用縫合技術(shù)在預(yù)制體單元層層間引入連續(xù)縫合纖維，層間的連續(xù)纖維可顯著提高材料的層間力學(xué)性能和抗沖擊損傷能力，提升了預(yù)制體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和一致性，滿足了航空航天用功能材料、結(jié)構(gòu)材料高性能、低成本的發(fā)展要求。

本發(fā)明提出的一種三維預(yù)制體與中國(guó)專利(200610013430.2)公開的一種封頂三維織物相比，成型過程簡(jiǎn)單，成型速度提高50％以上，制備效率高、成本低；本發(fā)明提出的一種預(yù)制體與中國(guó)專利(CN102731130B)公開的仿形結(jié)構(gòu)織物相比增加了預(yù)制體單元層面內(nèi)的連續(xù)纖維層和層間連續(xù)的縫合纖維，提高了預(yù)制體環(huán)向和層間力學(xué)性能，在滿足快速低成本的基礎(chǔ)上，提高了預(yù)制體力學(xué)性能。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

圖1為本發(fā)明的錐形封頂三維預(yù)制體示意圖；

圖2為圖1中A-A剖視圖；

圖3為圖2中I部放大圖示意圖；

圖4為本發(fā)明的兩級(jí)錐封頂三維預(yù)制體示意圖；

圖5為圖4中B-B剖視圖；

圖6為本發(fā)明的球形封頂三維預(yù)制體示意圖；

圖7為圖6中C-C剖視圖。

其中，圖中各符合說明如下：

錐形封頂三維預(yù)制體——1；錐形芯?！?；單元層——3；機(jī)織布層——4；連續(xù)纖維層——5；網(wǎng)胎層——6；縫合纖維——7；兩級(jí)錐封頂三維預(yù)制體——8；兩級(jí)錐封頂預(yù)制體連接區(qū)——9；兩級(jí)錐芯?！?0；球形封頂三維預(yù)制體——11；球形封頂預(yù)制體封頂區(qū)——12；球形芯?！?3。

具體實(shí)施方式

體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點(diǎn)的典型實(shí)施例將在以下的說明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的實(shí)施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及附圖在本質(zhì)上是當(dāng)作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。

實(shí)施例1

采用85tex石英纖維制備錐形封頂三維預(yù)制體1，外形結(jié)構(gòu)如圖1、圖2、圖3所示，設(shè)計(jì)單元層3為一層石英機(jī)織布層4一層連續(xù)纖維層5一層網(wǎng)胎 層6。將(120±8)g/m²石英布按照?qǐng)D2、3所示仿形裁剪貼合錐形芯模2鋪層形成機(jī)織布層4，纏繞(50±5)g/m²的石英纖維形成連續(xù)纖維層5，接著鋪覆一層(55±5)g/m²網(wǎng)胎形成網(wǎng)胎層6，后法向仿形針刺成型預(yù)制體，針刺密度為22針/cm²，重復(fù)上述步驟至最終產(chǎn)品厚度25mm，此時(shí)預(yù)制體單元層的層間密度為15.6層/cm，然后對(duì)預(yù)制體進(jìn)行整體非貫穿縫合引入縫合纖維7，縫合深度20mm，針距15mm，行距15mm。預(yù)制體體積密度為0.35g/cm³。

實(shí)施例2

采用高硅氧布復(fù)合190tex石英材料制備圖4、圖5所示的兩級(jí)錐封頂三維預(yù)制體8，設(shè)計(jì)單元層3為：兩層厚度0.25mm的高硅氧布的機(jī)織布層4一層連續(xù)纖維層5一層網(wǎng)胎層6。參照?qǐng)D3的鋪層順序?qū)?230±10)g/m²高硅氧布仿形裁剪貼合兩級(jí)錐芯模10鋪層形成機(jī)織布層4，纏繞(65±10)g/m²的網(wǎng)格纖維層形成連續(xù)纖維層5，鋪覆一層(60±10)g/m²網(wǎng)胎形成網(wǎng)胎層6，后仿形針刺成型預(yù)制體，針刺密度為22針/cm²，重復(fù)上述步驟至最終產(chǎn)品厚度30mm，后在兩級(jí)錐封頂預(yù)制體連接區(qū)9進(jìn)行貫穿縫合引入縫合纖維7，縫合針距為8mm，行距為5mm，預(yù)制體體積密度為0.71g/cm³。

實(shí)施例3

采用12K碳纖維制備圖6、圖7所示的球形封頂三維預(yù)制體11，設(shè)計(jì)單元層3為：一層緞紋碳布的機(jī)織布層4一層連續(xù)纖維層5一層碳纖維網(wǎng)胎層6。參照?qǐng)D3的鋪層順序?qū)?560±20)g/m²碳布仿形裁剪貼合球形芯模13鋪層形成機(jī)織布層4，纏繞(95±10)g/m²的網(wǎng)格纖維層形成連續(xù)纖維層5，再鋪覆一層(140±15)g/m²網(wǎng)胎形成網(wǎng)胎層6，后仿形針刺成型預(yù)制體，針刺密度為22針/cm²，重復(fù)上述步驟至最終產(chǎn)品厚度15mm，然后對(duì)球形封頂預(yù)制體封頂區(qū)12進(jìn)行貫穿縫合引入縫合纖維7，縫合針距10mm，行距10mm。此時(shí)預(yù)制體體積密度為0.83g/cm³。

本發(fā)明的技術(shù)方案已由可選實(shí)施例揭示如上。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到在不脫離本發(fā)明所附的權(quán)利要求所揭示的本發(fā)明的范圍和精神的情況下所作的更動(dòng)與潤(rùn)飾，均屬本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。