用于湿法成型预浸料的丝嘴结构及其使用方法与流程

本发明涉及复合材料成型技术领域，具体涉及一种用于湿法成型预浸料的丝嘴机构及其使用方法。

背景技术：

由于复合材料具有高的比模量比强度，同时因其结构的设计与制造一体化的优势，使得复合材料在航空航天领域得到广泛应用。随着航空航天领域复合材料产品结构的可靠性及质量要求不断地提高，并且复合材料成型工艺技术不断地进步，对于复合材料成型中间环节的复合材料预制品的性能、可靠性、稳定性的要求越来越苛刻。特别表现在以预浸料为中间成型材料的卫星桁架结构中多通接头复杂结构手铺成型、自动铺放、预浸料缠绕技术。因此，预浸料性能的提高以及预浸料稳定性成为制约复合材料成型技术发展的关键因素。

复合材料预浸料制备方法主要有两种，一种是干法制备；另一种是湿法制备。干法制备预浸料设备投资大，对纤维的磨损严重，对高模量碳纤维的损伤特别严重，使得制备的复合材料产品性能严重下降。湿法制备预浸料具有对设备投资小，对纤维磨损小，能保证高模量纤维的力学性能，并且具有制备预浸料周期短的特点，非常适合航天领域卫星结构小批量多种类的复合材料产品的生产。但是目前湿法制备预浸料设备丝嘴结构单一，薄厚度的预浸料难以制备，严重影响了复合材料铺层结构设计，难以满足卫星上具有复杂结构的复合材料产品对不同厚度预浸料的需求；在预浸料制备过程中大丝束碳纤维制备过程中展纱问题严重，在预浸料中间出现露白现象，降低了预浸料的利用率。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一用于湿法成型预浸料的丝嘴机构及其使用方法。通过对展纱辊的设计制备不同厚度的预浸料，提高预浸料厚度均匀性以及铺层设计的灵活性，进而控制航天复杂复合材料结构产品尺寸的稳定性，满足不同性能复合材料产品精细制造要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种用于湿法成型预浸料的丝嘴结构，包括支架模块、浸胶模块、预展纱模块和展纱模块；所述支架模块包括侧板和底板；所述胶辊模块、预展纱模块和展纱模块沿侧板的水平方向依次设置在侧板上。

优选地，所述预展纱模块包括两个连接圆盘以及设置于两个连接圆盘之间的预展纱辊。

优选地，所述预展纱辊包括凹型预展纱辊、凸型预展纱辊和平面预展纱辊中的至少一种。

更优选地，所述预展纱辊包括凹型预展纱辊、凸型预展纱辊和平面预展纱辊所述凹型预展纱辊、凸型预展纱辊和平面预展纱辊沿连接圆盘的圆周方向均匀设置；

所述凹型预展纱辊、凸型预展纱辊和平面预展纱辊的端面直径相同；

所述预展纱模块还包括设置在连接圆盘中心的定位孔、穿过定位孔的中心旋转轴、和设置在预展纱辊中心的辊动轴承。连接圆盘通过中心旋转轴、辊动轴承与支架模块连接，连接圆盘与预展纱辊通过定位螺纹连接。所述预展纱模块可沿圆周方向旋转，由此可调节预展纱辊的位置。

优选地，所述展纱模块包括两个连接块，两个连接块直接设置凹型集束辊和凸型展纱辊；所述凹型集束辊和凸型展纱辊沿水平方向依次设置。展纱模块安装在支架模块上靠近预浸料收卷端，其中凹形展纱辊将纤维集束定位，凸型展纱辊将纤维展开，并且可以通过调节凹、凸型展纱辊的曲率来控制展纱宽度。

优选地，所述展纱模块还包括中心旋转轴、定位螺钉。所述中心旋转轴为设置在凹型集束辊或凸型展纱辊中心的轴承。根据所需要的产品，旋转该中心旋转轴调节凸展纱辊和凹展纱辊的间隙。所述的定位螺钉设置在靠近支架一端的连接块上，通过该定位螺钉将连接块与支架连接。

优选地，所述的浸胶模块包括浸胶辊、轴承和浸胶槽；所述浸胶槽设置在底板上；所述轴承设置在浸胶辊中心，轴承一端与侧板连接，另一端与浸胶槽侧壁连接。所述浸胶辊可以绕着中心轴旋转。

优选地，所述支架模块上设置有碳纤维入口，浸胶槽设置在碳纤维入口处。

优选地，所述支架模块靠近展纱模块的一端与预浸料排布机连接。

本发明还提供了一种用于湿法成型预浸料的丝嘴装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、根据工业设计所需的预浸料厚度计算展纱辊截面曲率，由此确定合适型面的预展纱辊；

S2、将符合条件的预展纱辊通过中心轴旋转调节到最高点位置；

S3、碳纤维依次通过浸胶模块、预展纱模块和展纱模块后进行预浸料制备。

优选地，所述展纱辊截面曲率的计算公式包括：

宽度计算公式

W-纱片宽，mm；-展纱辊上展纱宽度对应角度，1°；R-展纱辊型面弧线对应半径，mm；

预浸料单层厚度

TEX-纤维的线密度，g/km；V_f-纤维体积分数，％；ρ-纤维密度，g/cm³；t-碳纤维单层厚度，mm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明设计的一种湿法成型碳纤维增强树脂基复合材料预浸料丝嘴结构及其使用方法，操作简便，能够根据工艺铺层设计的要求制备不同厚度的预浸料，拓宽了预浸料厚度的制备范围，提高了工艺铺层设计的灵活性，提高了碳纤维预浸料制备效率。

2、通过对展纱辊的设计制备不同厚度的预浸料，提高预浸料厚度均匀性以及铺层设计的灵活性，进而控制航天复杂复合材料结构产品尺寸的稳定性，满足不同性能复合材料产品精细制造要求。

3、该丝嘴结构可以适用于不同的纤维种类、纤维丝束大小的展纱情况；该丝嘴结构可以通过调节展纱辊的横截面形状调节纱片宽，达到制备不同厚度碳纤维预浸料的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为丝嘴结构示意图；

图2为预展纱模块示意图；

图3为展纱模块示意图；

图4为纤维展纱示意图；

图5为平辊纤维展纱状态；

图6为凹辊纤维展纱状态；

图7为凸辊纤维展纱状态；

其中：1-支架模块、2-浸胶辊、3-预展纱模块、4-展纱模块、5-浸胶模块、6-连接圆盘、7-凸型预展纱辊、8-平型预展纱辊、9-凹形预展纱辊、10-定位孔、11-凹形集束辊、12-凸型展纱辊、13-连接块、14-纤维纱、15-定位螺钉。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种用于湿法成型碳纤维增强树脂基复合材料预浸料的丝嘴结构及其使用方法,所述丝嘴结构如图1-7所示，包括支架模块1、浸胶模块5、预展纱模块3和展纱模块4；所述支架模块1包括侧板和底板；所述浸胶模块5、预展纱模块3和展纱模块4沿侧板的水平方向依次设置在侧板上。

所述预展纱模块3包括两个连接圆盘6以及设置于两个连接圆盘6之间的预展纱辊。

所述预展纱辊包括凹型预展纱辊9、凸型预展纱辊7和平面预展纱辊8；所述凹型预展纱辊9、凸型预展纱辊7和平面预展纱辊8沿连接圆盘6的圆周方向均匀设置。

所述凹型预展纱辊9、凸型预展纱辊7和平面预展纱辊8的端面直径相同。

所述预展纱模块3还包括设置在连接圆盘6中心的定位孔10、穿过定位孔10的中心旋转轴、和设置在预展纱辊中心的辊动轴承。连接圆盘6通过中心旋转轴、辊动轴承与支架模块1连接，连接圆盘6与预展纱辊通过定位螺纹连接。所述预展纱模块3可沿圆周方向旋转，由此可调节预展纱辊的位置。

所述展纱模块4包括两个连接块13，两个连接块13之间设置有凹型集束辊11和凸型展纱辊12；所述凹型集束辊11和凸型展纱辊12沿水平方向依次设置。展纱模块4安装在支架模块1上靠近预浸料收卷端，其中凹形集束辊11将纤维集束定位，凸型展纱辊12将纤维纱14展开，并且可以通过调节凹、凸型展纱辊的曲率来控制展纱宽度。

所述展纱模块4还包括中心旋转轴、定位螺钉15。

所述的浸胶模块5包括浸胶辊2、轴承和浸胶槽；所述浸胶槽设置在底板上；所述轴承设置在浸胶辊2中心，轴承一端与侧板连接，另一端与浸胶槽侧壁连接。浸胶辊可以绕着中心轴旋转。

所述支架模块1上设置有碳纤维入口，浸胶槽设置在碳纤维入口处。

所述支架模块1靠近展纱模块4的一端与预浸料排布机连接。

本发明所述用于湿法成型预浸料的丝嘴装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、根据工业设计所需的预浸料厚度计算展纱辊截面曲率，由此确定合适型面的预展纱辊；

S2、将符合条件的预展纱辊通过中心轴旋转调节到最高点位置；

S3、碳纤维依次通过浸胶模块5、预展纱模块3和展纱模块4后进行预浸料制备。

所述展纱辊界面曲率的计算公式包括：

纱片宽度计算公式：

W-纱片宽，mm；-展纱辊上展纱宽度对应角度，rad；R-展纱辊型面弧线对应半径，mm；

预浸料单层厚度

TEX-纤维的线密度，g/km；V_f-纤维体积分数，％；ρ-纤维密度，g/cm³；t-碳纤维单层厚度，mm。

实施例2

本实施例提供了一种采用实施例1所述用于湿法成型碳纤维增强树脂基复合材料预浸料的丝嘴结构来制备高模量碳纤维/环氧树脂预浸料，其成型方法包括如下步骤：

S1、根据工艺设计文件明确要求制备的复合材料高模量碳纤维预浸料理论单层厚度0.2mm。高模量碳纤维的线密度为230(g/km)，碳纤维密度为2.04(g/cm³)，碳纤维体积分数为60％。原始纤维束宽度为1.8mm，根据纱片宽为0.9mm要求，需采用凹型预展纱辊。

所述预展纱模块中，凹型预展纱辊的截面曲率计算如下：

其中展纱辊对应的角度根据工程经验取值4.2×10^-3rad；根据纱片宽为0.9mm要求，计算得到的R取值214.3mm。

所述展纱模块中，凹形集束辊的截面曲率计算如下：

凹型集束辊的截面曲率计算如下：

其中展纱辊对应的角度根据工程经验取值4.2×10-3rad；根据纱片宽为0.9mm要求，计算得到的R取值214.3mm。

凸型展纱辊的截面曲率计算如下：

其中展纱辊对应的角度根据工程经验取值4.2×10-3rad；根据纱片宽为0.9mm要求，计算得到的R取值-214.3mm。

S2、高模量碳纤维预浸料理论纱片宽难以展开，在展纱前需要通过预展纱辊进行预展纱，为了减小展纱宽度，采用凹型预展纱辊，将凹型预展纱辊通过中心轴旋转调节到最高点位置(90°)，通过螺钉与展纱盘上定位孔的组合将凹型预展纱辊固定在最高点位置。

S3、将树脂、固化剂、稀释剂按照比例配比，在搅拌机上匀速搅匀，搅拌速度为300r/min，搅拌时间30min；使树脂与固化剂充分混合。将配好的胶液加入浸胶槽。

S4、将卷筒收卷好的碳纤维安装到排布机纱架上，将碳纤维依次通过浸胶辊(2)、预展纱辊(3)、展纱辊(4)，最后将碳纤维用胶带固定在预浸料收卷筒上。

S5、设置排布机参数，排布张力设定为2N，纱片宽为0.9mm；开机运行进行预浸料制备。

实施例3

本实施例提供了一种采用实施例1所述用于湿法成型碳纤维增强树脂基复合材料预浸料的丝嘴结构来制备高模量碳纤维/环氧树脂预浸料，其成型方法包括如下步骤：

S1、根据工艺设计文件明确要求制备的复合材料高模量碳纤维预浸料理论单层厚度0.18mm。高模量碳纤维的线密度为230(g/km)，碳纤维密度为2.04(g/cm³)，碳纤维体积分数为60％，原始纤维束宽度为1mm,纤维束展开时纱片宽度为1mm。纤维纱片宽度与原始纤维束宽度一致，不需要展开。由此选择展纱辊截面曲率半径R＝+∞(mm)，即预展纱模块中采用平面预展纱辊。所述展纱模块中采用的凹型集束辊和凸型展纱辊与实施例2的相同。

S2、高模量碳纤维预浸料理论纱片宽难以展开，在展纱前需要通过预展纱辊进行预展纱，由于展纱前后的纤维束与纤维纱片宽度相同，无需展纱，由此采用平面预展纱辊预展纱，将平面预展纱辊通过中心轴旋转调节到最高点位置(90°)，通过螺钉与展纱盘上定位孔的组合将预展纱辊固定在最高点位置。

S3、将树脂、固化剂、稀释剂按照比例配比，在搅拌机上匀速搅匀，搅拌速度为300r/min，搅拌时间30min；使树脂与固化剂充分混合。将配好的胶液加入浸胶槽。

S4、将卷筒收卷好的碳纤维安装到排布机纱架上，将碳纤维依次通过浸胶辊2、预展纱辊、展纱辊，最后将碳纤维用胶带固定在预浸料收卷筒上。

S5、设置排布机参数，排布张力设定为2N，纱片宽为1mm；开机运行进行预浸料制备。

实施例4

本实施例提供了一种采用实施例1所述用于湿法成型碳纤维增强树脂基复合材料预浸料的丝嘴结构来制备高模量碳纤维/环氧树脂预浸料，其成型方法包括如下步骤：

S1、根据工艺设计文件明确要求制备的复合材料高模量碳纤维预浸料理论单层厚度0.1mm。高模量碳纤维的线密度为230(g/km)，碳纤维密度为2.04(g/cm³)，碳纤维体积分数为60％，原始纤维束宽度为0.9mm，根据纤维束展开时纱片宽度为1.8mm的要求，预展纱模块中选择凸型预展纱辊。

所述凸型预展纱辊的截面曲率计算如下：

其中展纱辊对应的角度根据工程经验取值4.2×10^-3rad；根据纱片宽为1.8mm要求，计算得到的R取值-428mm。

所述展纱模块中，凹形集束辊的截面曲率计算如下：

其中展纱辊对应的角度根据工程经验取值4.2×10^-3rad；根据纱片宽为1.8mm要求，计算得到的R取值428mm。

凸型展纱辊的截面曲率计算如下：

其中展纱辊对应的角度根据工程经验取值4.2×10^-3rad；根据纱片宽为1.8mm要求，计算得到的R取值-428mm。

S2、高模量碳纤维预浸料理论纱片宽难以展开，在展纱前需要通过预展纱辊进行预展纱，为了增加展纱宽度，采用凸型预展纱辊预展纱，将凸型预展纱辊通过中心轴旋转调节到最高点位置(90°)，通过螺钉与展纱盘上定位孔的组合将预展纱辊固定在最高点位置。

S3、将树脂、固化剂、稀释剂按照比例配比，在搅拌机上匀速搅匀，搅拌速度为300r/min，搅拌时间30min；使树脂与固化剂充分混合。将配好的胶液加入浸胶槽。

S4、将卷筒收卷好的碳纤维安装到排布机纱架上，将碳纤维依次通过浸胶辊(2)、预展纱辊(3)、展纱辊(4)，最后将碳纤维用胶带固定在预浸料收卷筒上。

S5、设置排布机参数，排布张力设定为4N，纱片宽为1.8mm；开机运行进行预浸料制备。

本发明设计一种湿法成型碳纤维增强树脂基复合材料预浸料丝嘴结构及其使用方法，操作简便，能够根据工艺铺层设计的要求制备不同厚度的预浸料，拓宽了预浸料厚度的制备范围，提高了工艺铺层设计的灵活性，提高了碳纤维预浸料制备效率。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。