[发明专利]一种高长径比棒状预制体及其制备方法

权利要求书

1.一种高长径比棒状预制体，其特征在于：由芯体结构与包层结构构成，其中芯体结构为由多根纤维束同向排布而成的圆柱体；包层结构为采用编织方法编织的筒状纤维束编织层，缝合在芯体结构外周面。

2.根据权利要求1所述的高长径比棒状预制体，其特征在于：编织方法为管编织、三维四向、2.5D或三维五向编织方法。

3.根据权利要求2所述的高长径比棒状预制体，其特征在于：纤维为碳纤维、碳化硅纤维和氮化硅纤维中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求3所述的高长径比棒状预制体，其特征在于：芯体结构中纤维为碳纤维，芯体结构中碳纤维占整个圆柱体芯体结构的体积分数为40～60％；

或，芯体结构中纤维为碳化硅纤维，芯体结构中碳化硅纤维占整个圆柱体芯体结构的体积分数为30～50％；

或，芯体结构中纤维为氮化硅纤维，芯体结构中氮化硅纤维占整个圆柱体芯体结构的体积分数为30～50％。

5.根据权利要求4所述的高长径比棒状预制体，其特征在于：包层结构中纤维为碳纤维，包层结构中碳纤维占筒状纤维束编织层的体积分数为30～50％；

或，包层结构中纤维为碳化硅纤维，包层结构中碳化硅纤维占筒状纤维束编织层的体积分数为20～40％；

或，包层结构中纤维为氮化硅纤维，包层结构中氮化硅纤维占筒状纤维束编织层的体积分数为20～40％。

6.一种高长径比棒状预制体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：预制体设计；

步骤1.1、设计纤维预制体结构；

纤维预制体由芯体结构与包层结构构成，芯体结构为由多根纤维束同向排布而成的圆柱体；包层结构为采用编织方法包裹在芯体结构外周面的筒状纤维束编织层；

步骤1.2、确定纤维预制体的尺寸；

按照陶瓷基复合材料螺栓尺寸要求，确定纤维预制体的尺寸；针对小径为d mm，大径为D mm的螺栓，确定纤维预制体的芯体结构直径为d-x mm，包层结构内径为d-x mm，包层外径为D+y mm；其中x、y取值为保证在包层加工结构时不损伤芯体；

步骤1.3、根据纤维束直径计算芯体结构与包层结构所需纤维束数量；

步骤2、制备芯体结构；

步骤2.1、准备长度为L mm的纤维束，采用长度为L-z mm，直径为D-x mm的圆棒作为模具，其中z为捆扎端头的约束余量；将多根纤维束以每根纤维束沿圆棒的轴向延伸，多根纤维束沿圆棒的周向均匀排布的方式分散到圆棒表面，直至包裹整根圆棒；

步骤2.2、将超出圆棒端面的纤维束的一端用纤维束捆扎，然后去除圆棒，再拉直所有纤维束，用纤维束捆扎另一端；

步骤2.3、保持纤维束张力，用熔融玻璃丝按螺旋方向捆绑，形成芯体结构，并保持拉直状态；

步骤3：编制包层结构；

在芯体结构保持拉直的状态下，采用编织方法在其外周面编织纤维束包层，设置纤维束编织张力，使得芯体结构受到包层结构的压应力；

步骤4：缝合芯体和包层结构，获得棒状预制体；

采用玻璃丝，在金属针的引导下，沿步骤3获得的预制体横截面的0度和90度方向各进行一次缝合，之后沿轴向间隔设定长度后继续沿横截面的0度和90度方向各进行一次缝合，重复上述缝合步骤，最终形成包层为筒状纤维束编织层结构，芯体为多根纤维束同向排布而成的圆柱体结构的棒状预制体。

7.根据权利要求6所述的高长径比棒状预制体的制备方法，其特征在于：步骤1中纤维为碳纤维、碳化硅纤维和氮化硅纤维中的一种或多种的组合。

8.根据权利要求7所述的高长径比棒状预制体的制备方法，其特征在于：步骤2.3中，芯体结构中纤维为碳纤维，芯体结构中碳纤维占整个圆柱体芯体结构的体积分数为40～60％；

或，芯体结构中纤维为碳化硅纤维，芯体结构中碳化硅纤维占整个圆柱体芯体结构的体积分数为30～50％；

或，芯体结构中纤维为氮化硅纤维，芯体结构中氮化硅纤维占整个圆柱体芯体结构的体积分数为30～50％。