[发明专利]一种纤维复合材料的制备方法及其专用设备

说明书

一种纤维复合材料的制备方法及其专用设备，属于复合材料制备技术领域。所述设备包括机架、纤维处理模块、光固化成形模块以及含有控制软件的计算机；其方法首先将制件的三维实体模型利用分层软件进行切片分层，然后调用纤维处理模块按照设定的铺展纤维路径程序，对纤维进行特定区域的分布处理，再调用运动机构，实现预制纤维在制件表面的载入；最后结合光固化成形系统实现光固化材料和纤维材料复合的单层打印，层层累积得到纤维增强树脂制件或纤维复合陶瓷坯件，其中纤维复合陶瓷坯件通过后处理和脱脂、烧结可得到纤维增强陶瓷制件。本发明纤维的含量、分布区域可控，可灵活的对树脂/陶瓷基体中的纤维增强体进行设计。

技术领域

本发明涉及一种纤维增强复合材料的制备方法及其专用设备，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

向基体材料中加入纤维一直以来都是提升材料性能的复合方法，从高分子材料到陶瓷材料，加入纤维组分，能使材料的各项性能得到提升。

传统的纤维复合方法都是将纤维预加到树脂/陶瓷浆料中，再采用模具成形，无法制备出形状复杂的制件，且纤维添加的成分以及梯度性无法自由控制，无法根据性能需求进行自由设计。

光固化快速成型技术是増材制造技术中成型精度最高的方法之一。光固化快速成型技术使用光敏材料，在对应波长的光源照射下材料由液态变为固态，结合快速成型硬件和软件配合，实现制件成型。

快速成形的出现，为多材添加提供了工艺窗口，对于材料配方、结构设计都有了更大的自由空间，需要对其工艺和设备进行设计，实现更高性能的纤维复合材料的设计。

发明内容

针对上述需求，本发明特别提供了一种纤维增强复合材料的制备方法及其专用设备，基于光固化快速成形技术，结合独立定点纤维铺送与纤维沾取过程，从而实现纤维的含量、组分、梯度的自由设计，进一步优化复合材料的性能。

本发明的技术方案如下：

一种制备纤维复合材料的专用设备，其特征在于，所述设备包括机架、纤维处理模块、光固化成形模块以及含有控制软件的计算机；

所述纤维处理模块包括纤维喷头、喷胶喷头、纤维底板、刮板、X-Y平面运动机构和X轴水平运动机构；纤维喷头和喷胶喷头均安装在X-Y平面运动机构上，纤维底板安装在水平直线运动机构上；刮板位于纤维底板一端，其下部紧贴纤维底板上表面；所述光固化成形模块包括光源、料盒、成型台、Z轴垂直导轨和X轴水平导轨；成型台安装在Z轴垂直导轨上；光源位于料盒下方；料盒内设有刮刀，刀尖与料盒底部留有间隙，该刮刀沿X轴水平导轨运动；所述的X-Y平面运动机构、X轴水平运动机构、刮板、Z轴垂直导轨、X轴水平导轨、料盒和光源均安装在机架上；所述计算机分别通过控制线路控制所述的纤维喷头、喷胶喷头、纤维底板的运动，以及成型台的升降、刮刀的运动和光源的曝光时间。

本发明所述专用设备中，其特征在于，所述光源包括LED灯、汞灯、氙灯或激光，其波长范围为295-460nm。

本发明提供的一种纤维复合材料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)分层切片：使用三维建模软件设计制件模型，用分层软件对制件进行切片处理，得到纤维层和基体材料层的分层厚度和形状，并将分层厚度与形状数据导入计算机中；

2)纤维定向分布和纤维喷胶处理：X-Y平面运动机构带动纤维喷头和喷胶喷头，根据分层形状和区域首先在纤维底板上喷涂一层纤维材料，其厚度不大于步骤1中的纤维层的分层厚度)；然后喷胶喷头在纤维层上喷射一层粘结剂；

3)粘取纤维材料：使成型台沿Z轴垂直导轨运动至纤维底板水平面之上，纤维底板沿X轴水平运动机构运动至成型台之下；然后使成型台下降，当成型台底部或已成形部分底部与纤维层上的粘结剂接触时停止下降；