CN110978660A - 一种梯度纤维预制体的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种梯度纤维预制体的设计方法，所述梯度纤维预制体包括表层和低密度层；所述表层为长纤维材料层，所述低密度层为短切纤维材料层；根据梯度纤维预制体的密度要求和厚度要求，按照如下公式来确定表层和低密度层的结构：
Figure DDA0002319232000000011
D＝D0+D1，ρ0＞ρ1，式中，ρ0为表层密度，D0为表层厚度，ρ1为低密度层密度，D1为低密度层厚度，ρ为梯度纤维预制体密度，D为梯度纤维预制体厚度。本发明提供的设计方法可以设计出不同形式的纤维预制体以满足复合材料的使用环境的不同需求，尤其可以满足高温高压较为严苛的使用条件的需求，为制备表面高强度和优异隔热性能的复合材料提供了良好的基础。

Description

一种梯度纤维预制体的设计方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种梯度纤维预制体的设计方法。
背景技术
目前，纤维增强树脂基或陶瓷基复合材料成为了航空、航天以及民用领域的主要热防护材料，其用量占比逐年增长。纤维预制体是纤维增强树脂基或者陶瓷基复合材料的重要组成部分，起到增强基体的作用。纤维预制体的结构直接影响最终复合材料的性能，特别是对力学性能和热物理性能有着重要影响。纤维预制体骨架对材料力学性能的影响不仅仅体现在纤维的受力方式上，还体现在因骨架不同导致的复合材料内孔隙大小、形状及分布的差异，最终表现在材料力学性能和其他性能上存在的较大差异。
因此针对复合材料的使用环境不同需要采用不同形式的纤维预制体，尤其是高温高压的使用环境下，需要设计梯度的纤维预制体，来实现复合材料表面高强度以及较好的隔热性能。
目前，现有技术未有梯度纤维预制体设计方法实质性内容的报道。
发明内容
为了解决高温高压使用环境下的纤维增强复合材料选材问题，本发明提供一种梯度密度的纤维预制体设计方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种梯度纤维预制体的设计方法，所述梯度纤维预制体包括表层和低密度层；所述表层为长纤维材料层，所述低密度层为短切纤维材料层；和
根据梯度纤维预制体的密度要求和厚度要求，按照如下公式来确定表层和低密度层的结构：
Figure BDA0002319231990000021
D＝D0+D1，
ρ0＞ρ1，
式中，ρ0为表层密度，D0为表层厚度，ρ1为低密度层密度，D1为低密度层厚度，ρ为梯度纤维预制体密度，D为梯度纤维预制体厚度。
优选地，在确定表层和低密度层的结构之前，所述方法还包括：根据使用环境中的纤维增强复合材料表面所受的压力确定表层厚度D0。
优选地，按照如下方法确定表层厚度D0：
表面压力＞10KPa时，D0＞1mm；
表面压力＞1KPa时，D0＞0.3mm。
优选地，在确定表层和低密度层的结构之前，所述方法还包括：根据使用环境中的纤维增强复合材料表面所受的压力确定表层的成型方式。
优选地，按照如下方法确定成型方式：
表面压力＞10KPa时，成型方法为三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种；
表面压力＞1KPa时，成型方法为二维编织法、三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种。
优选地，在确定梯度纤维预制体厚度和/或表层的成型方式之前，所述方法还包括：根据使用环境温度确定制备纤维预制体的纤维种类。
优选地，按照如下方法确定纤维种类：
使用环境温度低于700℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维中的任一种或多种；
使用环境温度在700℃以上且低于1600℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维中的任一种或多种；
使用环境温度在1600℃以上时，纤维种类包括碳纤维和/或碳化硅纤维。
一种梯度纤维预制体的设计方法，所述梯度纤维预制体包括表层和低密度层；所述表层为长纤维材料层，所述低密度层为短切纤维材料层；和
所述方法包括：
(1)根据使用环境温度确定制备纤维预制体的纤维种类；
(2)根据使用环境中的纤维增强复合材料表面所受的压力确定表层的成型方式以及表层厚度；
(3)根据梯度纤维预制体的密度要求和厚度要求，按照如下公式来确定表层和低密度层的结构：
Figure BDA0002319231990000031
D＝D0+D1，
ρ0＞ρ1，
式中，ρ0为表层密度，D0为表层厚度，ρ1为低密度层密度，D1为低密度层厚度，ρ为梯度纤维预制体密度，D为梯度纤维预制体厚度。
优选地，表面压力＞10KPa时，采用三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种成型方法将长纤维编织成表层，表层厚度＞1mm；
表面压力＞1KPa时，采用二维编织法、三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种成型方法将长纤维编织成表层，表层厚度＞0.3mm。
优选地，按照如下方法确定纤维种类：
使用环境温度低于700℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维中的任一种或多种；
使用环境温度在700℃以上且低于1600℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维中的任一种或多种；
使用环境温度在1600℃以上时，纤维种类包括碳纤维和/或碳化硅纤维。
有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明提供的设计方法可以设计出不同形式的纤维预制体以满足复合材料的使用环境的不同需求，尤其可以满足高温高压较为严苛的使用条件的需求，为制备表面高强度和优异隔热性能的复合材料提供了良好的基础。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明创新性地提供了一种梯度纤维预制体的设计方法。首先，本发明设计的梯度纤维预制体包括表层和低密度层，表层为长纤维材料层，低密度层为短切纤维材料层，表层的密度大于低密度层的密度。需要说明的是，术语“低密度层”的含义是指密度小于表层的纤维预制体层。术语“长纤维”是指具有20mm以上的纤维长度的纤维，特别是纤维长度在80mm以上的连续长纤维，纤维长度的上限并无特别限定。术语“短切纤维”是指由长纤维切断而成的纤维材料，本发明对其纤维长度并未特别限定。其次，针对这一结构的梯度纤维预制体，本发明提供了一种设计方法，根据梯度纤维预制体的密度要求和厚度要求，按照如下公式来确定表层和低密度层的结构：
Figure BDA0002319231990000051
D＝D0+D1，
ρ0＞ρ1，
式中，ρ0为表层密度，D0为表层厚度，ρ1为低密度层密度，D1为低密度层厚度，ρ为梯度纤维预制体密度，D为梯度纤维预制体厚度。
按照本发明提供的设计方法进行设计时，可以根据确定的ρ值和D值来设计ρ0、ρ1、D0和D1，使这四个参数分别满足上述公式即可，从而获得梯度纤维预制体的结构形式。这里的“结构”包括表层密度、表层厚度、低密度层密度和低密度层厚度这四项参数。
除了对纤维预制体的结构形式进行设计之外，本发明还根据使用环境来确定表层厚度D0以及表层的成型方法：
在一些优选的实施方式中，在确定表层和低密度层的结构之前，本发明提供的这一设计方法还包括：根据使用环境中的纤维增强复合材料表面所受的压力确定表层厚度D0。优选地，本发明按照如下方法确定表层厚度D0的数值范围：
当材料表面压力＞1KPa时，表层厚度D0需要大于0.3mm；而当表面压力＞10KPa时，表层厚度D0需要大于1mm才可满足材料表面压力的使用要求，否则设计出的纤维预制体表面无法承受相应的压力，使用时会发生表面变形，无法满足使用要求。另一方面，按照本发明提供的这一方法来确定表层厚度D0可以在密度较小的情况下确保复合材料的使用性能。
在一些优选的实施方式中，在确定表层和低密度层的结构之前，本发明提供的这一设计方法还包括：根据使用环境中的纤维增强复合材料表面所受的压力确定表层的成型方式。优选地，本发明按照如下方法确定表层的成型方式：
当表面压力＞1KPa时，成型方法可以选择二维编织法、三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种；而当表面压力＞10KPa时，成型方法可以选择三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种，而不适用于选用二维编织法，二维编制方法得到的织物厚度方向强度较差，不适用于高强度的应用环境。
另外，本发明还根据使用环境来确定用以制备纤维预制体的纤维种类：在一些优选的实施方式中，在确定表层厚度D0和/或表层的成型方式之前，本发明提供的这一设计方法还包括：根据使用环境温度确定制备纤维预制体的纤维种类。优选地，本发明按照如下方法确定纤维种类：
使用环境温度低于700℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维中的任一种或多种；
使用环境温度在700℃以上且低于1600℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维中的任一种或多种，而不适用采用玄武岩纤维来制备纤维预制体；
使用环境温度在1600℃以上时，纤维种类包括碳纤维和/或碳化硅纤维，而不适用采用石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维来制备纤维预制体。
更为全面地，本发明提供的设计方法包括：所述梯度纤维预制体包括表层和低密度层；所述表层为长纤维材料层，所述低密度层为短切纤维材料层；和
所述方法包括：
(1)根据使用环境温度确定制备纤维预制体的纤维种类；
(2)根据使用环境中的纤维增强复合材料表面所受的压力确定表层的成型方式以及表层厚度；
(3)根据梯度纤维预制体的密度要求和厚度要求，按照如下公式来确定表层和低密度层的结构：
Figure BDA0002319231990000061
D＝D0+D1，
ρ0＞ρ1，
式中，ρ0为表层密度，D0为表层厚度，ρ1为低密度层密度，D1为低密度层厚度，ρ为梯度纤维预制体密度，D为梯度纤维预制体厚度。
优选地，表面压力＞10KPa时，采用三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种成型方法将长纤维编织成表层，表层厚度＞1mm；表面压力＞1KPa时，采用二维编织法、三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种成型方法将长纤维编织成表层，表层厚度＞0.3mm。
优选地，按照如下方法确定纤维种类：
使用环境温度低于700℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维中的任一种或多种；
使用环境温度在700℃以上且低于1600℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维中的任一种或多种；
使用环境温度在1600℃以上时，纤维种类包括碳纤维和/或碳化硅纤维。
本发明上述设计方法先针对使用环境，选择耐温性满足要求的纤维材料，然后根据复合材料表面的压力设计纤维预制体表层成型结构，最后再根据使用环境对纤维增强复合材料的密度和厚度的要求，设计表层和低密度层的组合方式，最终设计出密度梯度纤维预制体的结构形式。上述设计方法具有如下优点：
本发明提供的设计方法可以设计出不同形式的纤维预制体以满足复合材料的使用环境的不同需求，尤其可以满足高温高压较为严苛的使用条件的需求，为制备表面高强度和优异隔热性能的复合材料提供了良好的基础。
设计的梯度纤维预制体可以用于制备纤维增强树脂基复合材料或纤维增强陶瓷基复合材料。
以下是本发明列举的实施例。
实施例1
复合材料的使用条件：使用环境的温度为1200℃，复合材料的表面压力5KPa；
梯度纤维预制体的厚度要求：30mm；
梯度纤维预制体的密度要求：0.18g/cm3。
针对上述条件设计出一种适用的梯度纤维预制体。
按照如下方法设计梯度纤维预制体：
所述梯度纤维预制体包括表层和低密度层；所述表层为长纤维材料层，所述低密度层为短切纤维材料层。长纤维材料层中的纤维的长度在20mm以上，短切纤维材料层中的短切纤维是将长纤维切断后而形成的纤维材料。
由于使用环境的温度为1200℃，选用玻璃纤维来制备梯度纤维预制体。
由于复合材料的表面压力5KPa，表层长纤维选用三维织物，厚度需大于0.3mm。
根据梯度纤维预制体的厚度和密度要求，最终将表层厚度确定为2mm，表层密度确定为0.85g/cm3，将低密度层的厚度确定为28mm，低密度层的密度确定为0.132g/cm3，该密度和厚度设计符合如下公式：
Figure BDA0002319231990000081
D＝D0+D1，
ρ0＞ρ1，
式中，ρ0为表层密度，D0为表层厚度，ρ1为低密度层密度，D1为低密度层厚度，ρ为梯度纤维预制体密度，D为梯度纤维预制体厚度。
最终，由2mm厚、密度0.85g/cm3的玻璃纤维三维织物组成的表层+28mm厚、密度0.132g/cm3的玻璃纤维网胎层组成最终的梯度纤维预制体。
将实施例1设计的这一梯度纤维预制体按照现有方法制备成纤维增强树脂基复合材料。经检测，该复合材料可在1200℃下使用，材料表面的压强为5KPa。
实施例2
复合材料的使用条件：使用环境的温度为1600℃，复合材料的表面压力10KPa；
梯度纤维预制体的厚度要求：20mm；
梯度纤维预制体的密度要求：0.2g/cm3。
针对上述条件设计出一种适用的梯度纤维预制体。
实施例2按照如下方法设计梯度纤维预制体：
所述梯度纤维预制体包括表层和低密度层；所述表层为长纤维材料层，所述低密度层为短切纤维材料层。长纤维材料层中的纤维的长度在20mm以上，短切纤维材料层中的短切纤维是将长纤维切断后而形成的纤维材料。
由于使用环境的温度为1600℃，选用碳纤维来制备梯度纤维预制体。
由于复合材料的表面压力10KPa，表层长纤维选用三维织物，厚度需大于0.3mm。
根据梯度纤维预制体的厚度和密度要求，最终将表层厚度确定为1.5mm，表层密度确定为0.90g/cm3，将低密度层的厚度确定为18.5mm，低密度层的密度确定为0.14g/cm3，该密度和厚度设计符合如下公式：
Figure BDA0002319231990000091
D＝D0+D1，
ρ0＞ρ1，
式中，ρ0为表层密度，D0为表层厚度，ρ1为低密度层密度，D1为低密度层厚度，ρ为梯度纤维预制体密度，D为梯度纤维预制体厚度。
最终，由1.5mm厚、密度0.90g/cm3的碳纤维三维织物组成的表层+18.5mm厚、密度0.14g/cm3的碳纤维网胎层组成最终的梯度纤维预制体。
将实施例2设计的这一梯度纤维预制体按照现有方法制备成纤维增强树脂基复合材料。经检测，该复合材料可在1600℃下使用，材料表面的压强为10KPa。
表1各实施例的纤维预制体结构设计形式
Figure BDA0002319231990000101
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种梯度纤维预制体的设计方法，其特征在于，所述梯度纤维预制体包括表层和低密度层；所述表层为长纤维材料层，所述低密度层为短切纤维材料层；和
根据梯度纤维预制体的密度要求和厚度要求，按照如下公式来确定表层和低密度层的结构：
Figure FDA0002319231980000011
D＝D0+D1，
ρ0＞ρ1，
式中，ρ0为表层密度，D0为表层厚度，ρ1为低密度层密度，D1为低密度层厚度，ρ为梯度纤维预制体密度，D为梯度纤维预制体厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在确定表层和低密度层的结构之前，所述方法还包括：根据使用环境中的纤维增强复合材料表面所受的压力确定表层厚度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
按照如下方法确定表层厚度：
表面压力＞10KPa时，D0＞1mm；
表面压力＞1KPa时，D0＞0.3mm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，
在确定表层和低密度层的结构之前，所述方法还包括：根据使用环境中的纤维增强复合材料表面所受的压力确定表层的成型方式。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
按照如下方法确定成型方式：
表面压力＞10KPa时，成型方法为三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种；
表面压力＞1KPa时，成型方法为二维编织法、三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种。
6.根据权利要求2至5任一项所述的方法，其特征在于，
在确定梯度纤维预制体厚度和/或表层的成型方式之前，所述方法还包括：根据使用环境温度确定制备纤维预制体的纤维种类。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
按照如下方法确定纤维种类：
使用环境温度低于700℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维中的任一种或多种；
使用环境温度在700℃以上且低于1600℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维中的任一种或多种；
使用环境温度在1600℃以上时，纤维种类包括碳纤维和/或碳化硅纤维。
8.一种梯度纤维预制体的设计方法，其特征在于，所述梯度纤维预制体包括表层和低密度层；所述表层为长纤维材料层，所述低密度层为短切纤维材料层；和
所述方法包括：
(1)根据使用环境温度确定制备纤维预制体的纤维种类；
(2)根据使用环境中的纤维增强复合材料表面所受的压力确定表层的成型方式和表层厚度；
(3)根据梯度纤维预制体的密度要求和厚度要求，按照如下公式来确定表层和低密度层的结构：
Figure FDA0002319231980000021
D＝D0+D1，
ρ0＞ρ1，
式中，ρ0为表层密度，D0为表层厚度，ρ1为低密度层密度，D1为低密度层厚度，ρ为梯度纤维预制体密度，D为梯度纤维预制体厚度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
表面压力＞10KPa时，采用三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种成型方法将长纤维编织成表层，表层厚度＞1mm；
表面压力＞1KPa时，采用二维编织法、三维编织法、四维编织法、七维编织法中的任一种成型方法将长纤维编织成表层，表层厚度＞0.3mm。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，
按照如下方法确定纤维种类：
使用环境温度低于700℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维中的任一种或多种；
使用环境温度在700℃以上且低于1600℃时，纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维中的任一种或多种；
使用环境温度在1600℃以上时，纤维种类包括碳纤维和/或碳化硅纤维。
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CN103835067A (zh) * 2014-03-13 2014-06-04 宜兴市宜泰碳纤维织造有限公司 一种准三维预制件
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