一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体及其编

：本发明涉及一种碳纤维穿刺预制体及其编织方法，尤其涉及一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体及其编织方法。背景技术0、背景技术：1、碳纤维穿刺预制体是三维强度高、各向同性度高、整体结构强度好、力学性能优异的编织材料，用其加工的碳/碳复合材料具有优异的耐烧蚀性能、耐温度冲击性能、整体结构强度、三维力学性能等，在航空、航天等高端领域得到广泛应用。2、目前国内通用的穿刺预制体编织过程是利用预先排布好的钢针矩阵，对碳纤维无纬布、无纬布/网胎、机织物等片材进行整体刺布和压实，然后由人工完成碳纤维置换z向钢针操作，得到穿刺预制体。3、其存在的问题如下：4、1、成型模式和预制体结构设计方式单一，只能编织成型长方体形的预制体，对于需要利用预制体制作中空圆柱形结构的情况，无法一次性完成近净尺寸制件，需要经切割后得到近净尺寸的穿刺预制体；如此，就需要切割掉一定量的预制体，导致生产过程中原材料损耗大；5、2、对于大尺寸的穿刺预制体制备，因为z向钢针数量极大，操作阻力激增，穿刺过程中，钢针阵列控制难度大，导致较大尺寸的穿刺预制体无法制备；6、3、由于z向钢针的用量较大，且需要人工置换z向钢针，而切割掉的预制体部分所对应的z向钢针置换操作相当于无效工作，导致生产效率低，生产成本高。7、4、由于水平(x-y)方向没有铺纱，在z向钢针置换的过程中，钢针阵列中边缘处的钢针控制难度较大。技术实现思路0、技术实现要素：1、为了解决上述问题，本发明的第一个目的在于提供一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体，本发明的第二个目的在于提供一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体及其编织方法。2、本发明的第一个目的由如下技术方案实施：3、一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体，包括x-y方向复合结构和垂直穿刺x-y方向复合结构的一根z向纤维；所述x-y方向复合结构的水平截面呈中心开孔的正n边形(n＝4m，m＝2,3,4……)；所述z向纤维按照一定间距逐排穿设于所述x-y方向复合结构内。4、进一步的，所述x-y方向复合结构包括若干层平面铺层结构和若干层纱线层结构，且所述平面铺层结构与所述纱线层结构交替重叠；5、每层所述平面铺层结构均由多层平面铺层垂直重叠后构成，且每层所述平面铺层结构的总厚度为5～10mm；6、每层所述纱线层结构由一个或多个纱线层垂直重叠后构成，且每层所述纱线层包括四层铺纱，其中：7、第一层铺纱：第一根纱线沿与所述平面铺层任意一个边相平行的方向，由靠近该边的第一排z向纤维与第二排z向纤维之间的间隙穿入，并按照蛇形的方式往复铺设，直至第一根纱线的铺设路径覆盖了所述平面铺层1/2的面积；第二根纱线的铺设路径与第一根纱线的铺设路径以所述平面铺层的中心呈中心对称；8、第二层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径绕所述平面铺层的中心顺时针旋转90°，即为第二层铺纱的铺纱路径；9、第三层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线的纱线方向相垂直的方向镜像对称，即为第三层铺纱的铺纱路径；10、第四层铺纱：将第二层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线的纱线方向相平行的方向镜像对称，即为第四层铺纱的铺纱路径。11、进一步的，所述平面铺层为由碳纤维机织无纬布和碳纤维网胎重叠后得到的复合铺层。12、进一步的，所述z向纤维为碳纤维。13、本发明的第二个目的由如下技术方案实施：14、一种近净尺寸复合结构碳纤维穿刺预制体的编织方法，包括以下步骤：15、s1、铺层下料：根据拟编织成型穿刺预制体的x-y向尺寸，将原材料切割成中心开孔的正n边形(n＝4m，m＝2,3,4……)的平面铺层；16、s2、选针、排针：根据所述s1中切割得到的平面铺层的尺寸、形状，和拟编织成型穿刺预制体的厚度尺寸以及z向纤维间距参数，选取合适长度、直径和数量的穿刺钢针；将选好的穿刺钢针按照所述平面铺层的形状在钢针阵列限位装置上进行排列；17、s3、钢针阵列保持：依据拟编织成型穿刺预制体的z向纤维间距参数，在所述s2中排列好的钢针阵列中加入相应尺寸的阵列保持装置；18、s4、刺布和铺纱：选取多层所述s1中切割得到的平面铺层垂直重叠后铺放于所述s3得到的钢针阵列上方，利用模板将多层所述平面铺层刺入钢针阵列；然后，利用碳纤维连续长丝在平面铺层上方钢针阵列的穿刺钢针的间隙中按照铺纱规则进行一个或多个循环的铺纱操作；如此重复刺布和铺纱的操作，直到达到拟编织成型穿刺预制体的厚度尺寸，得到待压实复合结构；19、s5、压实：将所述s4中得到的待压实复合结构移至加压装置进行压实操作，将x-y向的平面铺层压实到设计密度值，得到x-y方向复合结构；20、s6、碳纤维置换z向钢针：用厚度保持装置将所述s5得到的x-y方向复合结构固定，并移至钢针置换工作台，利用碳纤维，依次水平往复逐排完成钢针置换，直至所用穿刺钢针完成置换，得到穿刺预制体。21、进一步的，所述s1中的所述原材料为由碳纤维机织无纬布和碳纤维网胎重叠后得到的复合铺层。22、进一步的，所述s4中，每次刺布的平面铺层的总厚度为5～10mm。23、进一步的，所述s4中的所述铺纱规则为：24、第一层铺纱：第一根纱线沿与所述平面铺层任意一个边相平行的方向，由靠近该边的第一排穿刺钢针与第二排穿刺钢针之间的间隙穿入，并按照蛇形的方式铺设，直至第一根纱线的铺设路径覆盖了所述平面铺层1/2的面积；第二根纱线的铺设路径与第一根纱线的铺设路径以所述平面铺层的中心呈中心对称；25、第二层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径绕所述平面铺层的中心顺时针旋转90°，即得第二层铺纱的铺纱路径；26、第三层铺纱：将第一层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线的纱线方向相垂直的方向镜像对称，即得第三层铺纱的铺纱路径；27、第四层铺纱：将第二层铺纱的全部铺设路径沿与第一根纱线的纱线方向相平行的方向镜像对称，即得第四层铺纱的铺纱路径；28、上述四层铺纱全部结束后，即完成了一个循环的铺纱操作。29、本发明的优点：30、1、可直接编织成型八棱柱(或十二棱柱、十六棱柱等)、中空、近回转体形、近净尺寸碳纤维穿刺预制体，无需进行二次切割，可节省原材料；31、2、可减少z向钢针使用量，减小穿刺阻力，使大尺寸穿刺预制体成型成为可能；32、3、大大的减少了z向钢针的使用量，相应的钢针置换工作量同比降低，提升成型效率，降低生产成本；33、4、通过引入碳纤维铺纱操作，使得铺设的碳纤维可对穿刺钢针起到限位和保持作用，降低了穿刺过程中的钢针阵列控制难度，也有利于大尺寸穿刺预制体的成型，而且，还可提升预制体的环向强度，提升x-y向性能的各向同性。34、5、通过在局部铺设多个循环的纱线，可以提升局部连续纤维含量，提升该部位力学性能和抗烧蚀性能。