一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置及方法

摘要

本发明公开了一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置及方法，装置包括机座，机座包括一个水平板和设置在水平板两端的竖直板，水平板上开设有通孔，通孔中设置有成型模具，成型模具为上下贯通的壳体，其上开设有等间距、等深度用于对纤维进行定位的凹槽，竖直板上对称设置有Y方向导轨，Y方向导轨上滑动设置有X方向导轨，竖直板上Y方向导轨下方滑动设置有移动板，移动板上设置有纤维摆放台和储粉槽，储粉槽的底部开设有和模具内径等大的通孔，X方向导轨上滑动设置有用于加持纤维并将纤维移动至成型模具上的纤维夹具和用于将储粉槽中的基体粉末移动至成型模具中的刮板，实现了纤维的可控排布，设计合理、操作简单，制备过程一体化，工作效率高。

权利要求

1.一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置，其特征在于，包括机座(5)，机座(5)包括一个水平板和设置在水平板两端的竖直板，水平板上开设有通孔，通孔中设置有成型模具(8)，成型模具(8)能够以通孔的中心轴为转轴转动，成型模具(8)外侧面固定有用于限制成型模具(8)竖向位置的定位键(12)，成型模具(8)为上下贯通的壳体，其上开设有等间距、等深度的用于对纤维进行定位的凹槽，成型模具(8)中套设有升降台(9)，竖直板上对称设置有Y方向导轨(4)，Y方向导轨(4)上滑动设置有X方向导轨(1)，竖直板上Y方向导轨(4)下方滑动设置有移动板，移动板上设置有纤维摆放台(3)和储粉槽(2)，储粉槽(2)的底部开设有和模具内径等大的通孔，储粉槽(2)的下端面高于成型模具(8)的顶面，X方向导轨(1)上滑动设置有用于夹持纤维并将纤维移动至成型模具(8)上的纤维夹具(7)和用于将储粉槽(2)中的基体粉末移动至成型模具(8)中的刮板(10)。

2.根据权利要求1所述的一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置，其特征在于，还包括压力机，压力机上设置有用于对成型模具(8)中的材料施加压力的上模(11)。

3.根据权利要求2所述的一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置，其特征在于，所述成型模具(8)的横截面为圆形或正方形，上模(11)与升降台(9)和成型模具(8)的横截面形状相同，上模(11)的外径等于成型模具(8)的横截面的内径。

4.根据权利要求1所述的一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置，其特征在于，所述纤维夹具(7)包括两个分别设置在X方向导轨(1)上的两个机械爪，两个机械爪均为电磁式机械爪，机械爪的爪部带有吸附性胶布。

5.根据权利要求4所述的一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置，其特征在于，两个所述机械爪之间设置有连接杆。

6.一种基于权利 要求1的纤维可控排布增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将清洗后的纤维束分成单丝或复丝，平行放置于纤维摆放台(3)上；在储粉槽(2)中均匀铺满基体粉末，基体粉末的厚度为0～2mm；

步骤2、将刮板(10)在X方向导轨(1)上来回移动，使储粉槽(2)中的基体粉末铺在在成型模具(8)中，铺粉结束后对成型模具(8)中底层粉末进行预压；

步骤3、下移纤维夹具(7)并通电使纤维夹具(7)夹持纤维，然后平移储粉槽(2)和纤维摆放平台，使储粉槽(2)和纤维摆放平台避让开成型模具(8)，将纤维夹具(7)沿X方向导轨(1)移动至成型模具(8)正上方，然后将夹持的纤维依次放置于成型模具(8)上开设的凹槽中，完成纤维排布；

步骤4、将储粉槽(2)和纤维摆放台(3)复位，按照步骤1和步骤2中的铺粉方法进行第一层铺粉；

步骤5、根据纤维排布层数，然后按照步骤3至5进行后续纤维排布和铺粉压制，在第二层及后续的纤维排布和铺粉预压过程之前，下移升降台(9)，升降台下移的距离为上一层纤维和基体粉末的厚度之和；

步骤6、将成型模具(8)中将已排布好的纤维和基体粉末压制成形，并在高温烧结炉中进行常压或热压烧结。

7.根据权利要求6所述的一种纤维可控排布增强复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中的纤维为碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维或三氧化二铝纤维。

8.根据权利要求6所述的一种纤维可控排布增强复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，纤维的排布方式为平行排布、正交排布或多角度排布。

说明书

一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置及方法。

背景技术

[0002] 纤维增强型复合材料的力学性能(弯曲强度、断裂韧性等)与纤维性能及其在基体中的分布状态密切相关。

[0003] 目前，相关研究表明纤维增强复合材料基本都是通过将短切纤维与基体复合制备，但由于短切纤维容易在基体中产生严重的团聚现象，极大地影响了复合材料力学性能，弱化了纤维的增强增韧效果，且无法实现纤维在基体中的定向排布以及精确控制纤维增强复合材料的综合力学性能。而连续纤维增强复合材料由于纤维在基体内的可控排布，能够实现对复合材料综合力学性能的可控设计与构筑，也是近年来国内外研究的重点之一。然而，目前很少有专用的装置用于连续纤维在基体中的可控排布，大部分靠人工排布实现纤维可控排布。但是，人工排布的方式容易使纤维受损，排布效率低，难以实现精准排布。同时，目前复合材料的制备过程中纤维在基体中的排布、铺粉、压片(预压)等过程大多都是分步进行的，尚未实现制备过程的一体化，使得复合材料的制备周期长、效率低。

[0004] 采用可控排布装置对连续纤维增强复合材料中纤维的可控排布是一种实现复合材料力学性能科学控制的有效方法。

发明内容

[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置及方法，本发明成本低、操作简单的连续纤维可控排布增强复合材料的制备装置及其方法，主要制备过程包括纤维在成型模具中的可控排布、基体粉末铺陈及压片等过程。

[0006] 为达到上述目的，本发明所述一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置包括机座，机座包括一个水平板和设置在水平板两端的竖直板，水平板上开设有通孔，通孔中设置有成型模具，成型模具能够以通孔的中心轴为转轴转动，成型模具外侧面固定有用于限制成型模具竖向位置的定位键，成型模具为上下贯通的壳体，其上开设有等间距、等深度的用于对纤维进行定位的凹槽，成型模具中套设有升降台，竖直板上对称设置有Y方向导轨，Y方向导轨上滑动设置有X方向导轨，竖直板上Y方向导轨下方滑动设置有移动板，移动板上设置有纤维摆放台和储粉槽，储粉槽的底部开设有和模具内径等大的通孔，储粉槽的下端面高于成型模具的顶面，X方向导轨上滑动设置有用于夹持纤维并将纤维移动至成型模具上的纤维夹具和用于将储粉槽中的基体粉末移动至成型模具中的刮板。

[0007] 还包括压力机，压力机上设置有用于对成型模具中的材料施加压力的上模。

[0008] 所述成型模具的横截面为圆形或正方形，上模与升降台和成型模具的横截面形状相同，上模的外径等于成型模具的横截面的内径。

[0009] 所述纤维夹具包括两个分别设置在X方向导轨上的两个机械爪，两个机械爪均为电磁式机械爪，机械爪的爪部带有吸附性胶布。

[0010] 两个所述机械爪之间设置有连接杆。

[0011] 一种纤维可控排布增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0012] 步骤1、将清洗后的纤维束分成单丝或复丝，平行放置于纤维摆放台上；在储粉槽中均匀铺满基体粉末，基体粉末的厚度为0～2mm；

[0013] 步骤2、将刮板在X方向导轨上来回移动，使储粉槽中的基体粉末铺在在成型模具中，铺粉结束后对成型模具中底层粉末进行预压；

[0014] 步骤3、下移纤维夹具并通电使纤维夹具夹持纤维，然后平移储粉槽和纤维摆放平台，使储粉槽和纤维摆放平台避让开成型模具，将纤维夹具沿X方向导轨移动至成型模具正上方，然后将夹持的纤维依次放置于成型模具上开设的凹槽中，完成纤维排布；

[0015] 步骤4、将储粉槽和纤维摆放台复位，按照步骤1和步骤2中的铺粉方法进行第一层铺粉；

[0016] 步骤5、根据纤维排布层数，然后按照步骤3至5进行后续纤维排布和铺粉压制，在第二层及后续的纤维排布和铺粉预压过程之前，下移升降台，升降台下移的距离为上一层纤维和基体粉末的厚度之和；

[0017] 步骤6、将成型模具中将已排布好的纤维和基体粉末压制成形，并在高温烧结炉中进行常压或热压烧结。

[0018] 步骤1中的纤维为碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维或三氧化二铝纤维。

[0019] 步骤3中，纤维的排布方式为平行排布、正交排布或多角度排布。

[0020] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明装置中的成型模具开设有等间距、等深度的凹槽，同时成型模具可自由旋转一定的角度，可以实现碳纤维在成型模具中的排布方式，即实现纤维在模具中的可控排布，同时成型模具可根据所制备复合材料形状及纤维排布层数的需求，加工不同的模具(截面为圆形或方形)，根据需求随时更换，升降台和成型模具配合使用，每次纤维排布和铺粉压制结束后，根据制备复合材料的要求，确定升降台下移的距离，实现纤维的多层排布和粉体的压制过程，结构设计合理、操作简单，制备过程一体化，工作效率高。

[0021] 进一步的，还包括压力机，压力机上设置有用于对成型模具中的材料施加压力的上模，将上模下移一定的距离，进入成型模具中，可以方便的实现前期的预压和后期的压制成形，将排布好的纤维和基体粉末压平，最后通过对上模施加压力，将排布好的多层纤维和铺好的基体粉末压制成片体。

[0022] 进一步的，成型模具的横截面为圆形或正方形，可根据制备复合材料的要求替换，上模与升降台和成型模具的横截面形状相同，上模的外径等于成型模具的横截面的内径，上模的施力面积更大，更加均匀，压制效果好。

[0023] 进一步的，纤维夹具包括两个分别设置在X方向导轨上的两个机械爪，两个机械爪均为电磁式机械爪，机械爪的爪部带有吸附性胶布，电磁式机械爪通电后夹头相互吸引，同时为了防止夹具夹持碳纤维过程中纤维损伤，在爪部设置有静电吸附胶布，同时也可增加夹持纤维的力度。

[0024] 进一步的，两个机械爪之间设置有连接杆，连接杆将两个机械爪连接起来，一保证纤维夹具运动的同步性。

[0025] 一种纤维可控排布增强复合材料制备方法，制备方法配合装置，操作简便、实施过程简单易行。

附图说明

[0026] 图1为本发明纤维增强复合材料制备装置的结构示意图；

[0027] 图2为成型模具放大效果图；

[0028] 图3为图2的A部放大图；

[0029] 图4为复合材料制备过程示意图；

[0030] 附图中：1-X方向导轨，2-储粉槽，3-纤维摆放台，4-Y方向导轨，5-机座，6-滑槽，7-纤维夹具，8-成型模具，9-升降台，10-刮板，11-上模，12-定位键。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，而不是全部的实施例。因此，在基于本发明中的实施例下，相关人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 参照图1，一种纤维可控排布增强复合材料的制备装置包括机座5、X方向导轨1、Y方向导轨4、储粉槽2、刮板10、纤维摆放台3、纤维夹具7、升降台9、滑槽6、成型模具8和上模11。机座5为U形，包括一个水平板和设置在水平板两端的竖直板，水平板中部开设有通孔，通孔中设置有成型模具8，成型模具8能够以通孔的中心轴为转轴转动，成型模具8外侧面固定有用于限制成型模具8竖向位置的定位键12，定位键12一端与成型模具8固定连接，另一端卡在水平板上端面，成型模具8中套设有升降台9，初始位置时，成型模具8的顶部与升降台9的顶部齐平，竖直板上对称设置有Y方向导轨4，Y方向导轨4上滑动设置有两根X方向导轨1，两个竖直板上Y方向导轨4下方对称设置有滑槽6，滑槽6中设置有移动板，移动板上设置有纤维摆放台3和储粉槽2，储粉槽2的下端面高于成型模具8的顶面，且两者高度之差大于基体粉末、第一层粉和第一层纤维的高度之和，两根X方向导轨1上滑动设置有用于夹持纤维并将纤维移动至成型模具8上的纤维夹具7和用于将储粉槽2中的基体粉末移动至成型模具8中的刮板10，刮板10的长度大于成型模具8的直径且小于储粉槽的宽度，材质为有机玻璃(亚克力板)，纤维摆放台3设置在纤维夹具7下方，储粉槽2设置在刮板10下方，且储粉槽2侧面顶端与纤维摆放台3上表面齐平，上模11固定在压力机上，成型模具8中的粉体量满足要求后，通过上模11下移，将粉体压平，进行后续的纤维排布。

[0033] 储粉槽2用于盛装基体粉末，同时在储粉槽2的底部开设有和模具内径等大的通孔，当刮板10沿X方向导轨左右移动时，基体粉末从储粉槽2开设的孔中进入成型模具8中，实现铺粉。

[0034] 纤维夹具7包括两个分别设置在X方向导轨1上的两个机械爪，两个机械爪均为电磁式机械爪，通电后相互吸引，同时机械爪的爪部带有吸附性胶布，可以更加有效的夹持纤维，滑槽6的宽度大于纤维摆放台3的宽度与两个机械爪之间的距离之和，优选的，两个机械爪之间设置有连接杆，连接杆将两个机械爪连接起来，以保证纤维夹具运动的同步性。

[0035] 成型模具8的横截面为圆形或正方形，可根据制备复合材料的要求替换，上模11与升降台9和成型模具8的横截面形状相同。

[0036] 参照图2，成型模具8为外径大于纤维长度的圆筒，成型模具8上开设有等间距、等深度对纤维进行定位的凹槽，凹槽的宽度d大于纤维的直径，为0.5mm～1mm，同时成型模具8可旋转一定的角度，实现纤维在成型模具8中的多种排布方式，即实现纤维的可控排布。

[0037] 参照图3，上模11为圆柱状，将下移一定的距离，进入成型模具8中，可以实现前期的预压和后期的压制成形，将排布好的纤维和基体粉末压平，最后通过对上模11施加一定的压力，将排布好的多层纤维和铺好的基体粉末压制成片体。

[0038] 优选的，移动板、组合夹具7和刮板10的运动使用电机驱动，电机的启停或转动方向通过程序控制实现，自动化程度高，可以通过调整程序控制纤维夹具、刮板、储粉槽2及纤维摆放平台的移动距离，工作效率高。

[0039] 参照图3，一种纤维可控排布增强复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0040] 步骤1、将清洗处理后的纤维束分成单丝或复丝，对纤维丝进行裁剪，使每根纤维丝的长度比其即将摆放的两个凹槽之间的距离大0～2mm，然后平行放置于纤维摆放台3上；同时，根据复合材料制备要求设定在储粉槽2中均匀铺满基体粉末，基体粉末的厚度为0～
2mm。

[0041] 步骤2、将刮板10在X方向导轨1上的来回移动，使储粉槽2中的基体粉末铺在升降台9上端面(基体粉末进入成型模具8中，成型模具8下面是没有底面的，升降台上面充当成型模具的底面)，铺粉结束后下移上模11，使上模11进入成型模具8，同时对上模11施加向下的压力，实现成型模具8中底层粉末的预压。

[0042] 步骤3、下移纤维夹具7并通电相互接触夹持纤维，然后沿滑槽6Y负方向平移储粉槽2和纤维摆放平台，使储粉槽2和纤维摆放平台避让开成型模具8，将纤维夹具7沿X方向导轨1水平移动至成型模具8正上方，然后将夹持的纤维依次放置于成型模具8上开设的凹槽中，完成纤维的排布。

[0043] 步骤4、将储粉槽2和纤维摆放台3沿滑槽6复位，按照步骤1和步骤2中的铺粉方法进行第一层铺粉，铺粉完成后，下移上模11，对成型模具8中排布好的纤维和铺好的基体粉末施加压力，将纤维和基体粉末压平整。

[0044] 步骤5、根据所需复合材料的制备要求，进行后续的纤维排布和铺粉预压，在进行第二层及后续的纤维排布和铺粉预压过程之前，根据所需制备复合材料单层的厚度，升降台9下降距离d，d为每一次铺粉与排布的纤维的厚度之和，以此循环完成纤维的排布和基体粉末的预压。

[0045] 步骤6、将上模11下移至成型模具8中将已排布好的纤维和基体粉末施加压力，将其压制成形并在高温烧结炉中进行常压或热压烧结，最后得到纤维增强型复合材料。

[0046] 步骤1中，纤维包括碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维和三氧化二铝纤维。

[0047] 步骤3中，纤维的排布方式为平行排布、正交排布、多角度排布，不同角度的排布可通过成型模具8的定角度旋转实现。

[0048] 升降台9和成型模具8配合使用，在复合材料制备过程中每完成一层纤维排布和铺粉压制后，根据制备复合材料的要求，升降台9下移距离d，d为每一次铺粉与排布的纤维的厚度之和，使压制好的纤维和基体粉末随着升降台9下移，使其距成型模具8上表面保留0.5cm～2cm的距离，然后进行后续的纤维排布和铺粉压制。

[0049] 以下以具体的实施例来说明本发明的方法。

[0050] 实施例1

[0051] 利用本发明的装置和方法制备连续单丝纤维平行排布(两层)增强复合材料，包括以下步骤：

[0052] 步骤1、将经过清洗的碳纤维纤维束分成单丝，对纤维丝进行裁剪，使每根纤维丝的长度比其即将摆放的两个凹槽之间的距离大0～2mm，然后平行铺在纤维摆放台3上，并在储粉槽2中储入5g基体粉末。

[0053] 步骤2、通过刮板10在X方向导轨上的来回移动，使储粉槽2中的基体粉末进入成型模具8中并铺在升降台9上端面，进行底层铺粉；铺粉结束后下移上模11，上模11进入成型模具8对上模11施加1MPa的压力，将成型模具8中的基体粉末压平整。

[0054] 步骤3、下移纤维夹具7，夹持纤维摆放台3上的纤维，然后将储粉槽2和纤维摆放平台沿滑槽6移动，使储粉槽2和纤维摆放平台避让开成型模具8，再然后使纤维夹具7在X方向导轨1上水平移动，移动到成型模具8的正上方后纤维夹具7将夹持的纤维依次放置于成型模具8的凹槽中，然后复位，夹持第二根纤维并放置于成型模具8的下一个凹槽中，直至所有的凹槽中均放置有纤维，完成第一层纤维的排布。

[0055] 步骤4、完成第一层纤维的排布后，储粉槽2和纤维摆放台3沿滑槽6复位，进行第一层铺粉，铺粉完成后，下移上模11，对成型模具8中排布好的纤维和铺好的基体粉末施加1MPa的压力，将纤维和基体粉末压平整。

[0056] 步骤5、根据制备复合材料的厚度，将升降台9下移距离d，d为每一次铺粉与排布的纤维的厚度之和，然后按照步骤3至5进行第二层纤维排布和铺粉压制。

[0057] 步骤6、完成第二层纤维排布和铺粉压制后，上模11再次下移，进入成型模具8，对已经排布好的两层层纤维和基体粉末施加8MPa的压力，将其压制成片体，进行常压或热压烧结。

[0058] 实施例2

[0059] 利用本发明的装置和方法制备连续单丝纤维正交排布(两层)增强复合材料，包括以下步骤：

[0060] 步骤1、将清洗过的碳纤维纤维束分成单丝，对纤维丝进行裁剪，使每根纤维丝的长度比其即将摆放的两个凹槽之间的距离大0～2mm，然后平行铺在纤维摆放台3上；同时在储粉槽2中储入5g羟基磷灰石粉末。

[0061] 步骤2、通过刮板10在X方向导轨上的左右移动，使储粉槽2中的基体粉末进入成型模具8中铺在升降台9上端面，进行底层铺粉；铺粉结束后下移上模11，上模11进入成型模具8对上模11施加1MPa的压力，将成型模具8中的基体粉末压平整。

[0062] 步骤3、下移纤维夹具7，夹持纤维摆放台3上的纤维，然后将储粉槽2和纤维摆放平台在滑槽6中平移，使储粉槽2和纤维摆放平台避让开成型模具8，再然后使纤维夹具7在X方向导轨1上水平移动，移动到成型模具8的正上方后纤维夹具7将夹持的碳纤维依次放置于成型模具8的凹槽中，然后复位，将成型模具8旋转90度后，使纤维夹具7在X方向导轨上左右移动将碳纤维依次放置成型模具8的凹槽中，完成第一层纤维的排布。

[0063] 步骤4、完成第一层纤维的排布后，储粉槽2和纤维摆放台3沿滑槽6复位，进行第一层铺粉，铺粉完成后，上模11下移，对成型模具8中排布好的纤维和铺好的基体粉末施加1MPa压力，将纤维和基体粉末压平整。

[0064] 步骤5、根据制备复合材料的厚度，升降台9下降1cm，然后按照步骤3至5，进行第二层纤维排布和铺粉压制。

[0065] 步骤6、再次下移上模11，进入成型模具8，对已经排布好的两层层纤维和基体粉末施加8MPa的压力，将其压制成片体，进行常压或热压烧结。

[0066] 实施例3

[0067] 利用本发明的装置和方法制备连续复丝纤维正交排布(三层)增强复合材料，包括以下步骤：

[0068] 步骤1、将清洗过的碳纤维纤维束分成复丝，对纤维丝进行裁剪，使每根纤维丝的长度比其即将摆放的两个凹槽之间的距离大0～2mm，然后平行铺在纤维摆放台3上，同时在储粉槽2中储入5g的羟基磷灰石粉末。

[0069] 步骤2、通过刮板10在X方向导轨上的左右移动，使储粉槽2中的基体粉末进入成型模具8中并铺在升降台9上端面，进行底层铺粉；铺粉结束后下移上模11，上模11进入成型模具8对上模11施加1MPa的压力，将成型模具8中的基体粉末压平整。

[0070] 步骤3、下移纤维夹具7，使纤维夹具7夹持纤维摆放台3上的纤维，然后将储粉槽2和纤维摆放平台在滑槽6中平移，使储粉槽2和纤维摆放平台避让开成型模具8，再然后使纤维夹具7在X方向导轨1上水平移动，移动到成型模具8的正上方后纤维夹具7将夹持的碳纤维依次放置于成型模具8的等间距的凹槽中，然后复位，将成型模具8旋转90度后，使纤维夹具7在X方向导轨上左右移动将碳纤维依次放置成型模具8的凹槽中，完成第一层纤维的排布。

[0071] 步骤4、完成第一层纤维的排布后，储粉槽2和纤维摆放台3沿滑槽6复位，进行第一层铺粉，铺粉完成后，下移上模11对成型模具8中排布好的纤维和铺好的基体粉末施加1MPa的压力，将纤维和基体粉末压平整。

[0072] 步骤5、在进行第二层纤维排布和铺粉压制过程开始之前，根据制备复合材料的厚度，升降台9下降一定的距离。然后按照步骤3至5，进行第二层和第三层纤维排布和铺粉压制。

[0073] 步骤6、完成第三层纤维排布和铺粉压制后，上模11再次下移，进入成型模具8，对已经排布好的两层层纤维和基体粉末施加8MPa的压力，将其压制成片体，进行常压或热压烧结。