一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置及制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置及制备方法，属于短纤维预制体制备技术领域；装置包括预制体多向挤压模具、定向挤压模块、加热模块、控制模块，通过定向挤压模块完成对预制体多向挤压模具中浆液的定向挤压，通过加热模块对预制体多向挤压模具中成形的预制体进行烘干；由控制模块接受和输出控制指令；所述定向挤压模块包括挤压作动模块和检测模块，由检测模块采集挤压作动模块的挤压力，同时由控制模块控制挤压作动模块的挤压动作，以完成定向挤压动作。本发明专利技术方法是首先将搅拌分散好的短切碳纤维、去离子水、分散剂混合浆料倒入模腔内，通过多向挤压可实现具有高体积分数(＞20％)、单向分布构型的短切碳纤维预制体。体。体。

【技术实现步骤摘要】
一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置及制备方法


[0001]本专利技术属于短纤维预制体制备
，具体涉及一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置及制备方法。

技术介绍

[0002]短切碳纤维增强金属基复合材料具有成本低、易加工，成形方法灵活等优势。尽管短切碳纤维对金属基体的性能具有强化作用，但其在基体中常呈随机分布状态。由于碳纤维性能具有明显的各向异性，随机分布的短切碳纤维不能充分发挥其性能优势。制备具有单向分布构型的短切碳纤维(或实现短切碳纤维的定向排布)增强金属基复合材料是亟待解决的关键问题。
[0003]现有技术中公开了一种利用定向冷冻干燥技术使具有一定长径比的碳纤维在浆料中的溶剂定向结晶时排出进入孔壁，在孔壁中沿冷冻方向定向排列。该方法制备的碳纤维预制体经原位反应可制得纤维呈定向分布的钛基复合材料。但所公开方法制得的复合材料的纤维体积分数较低，并且预制体在液态金属浸渗过程中较难维持原有的纤维定向分布构型，难以获得高性能的金属基复合材料。
[0004]压力浸渗法被认为是最有望实现金属基复合材料批量化制备的工艺，不仅能够制备高体积分数的复合材料，并且其具有可设计性强、制备成本低等优点。此种制备工艺需要先制备出碳纤维预制体，然后借助外界压力使液态金属渗入预制体的孔隙中制成金属基复合材料。目前通过基体的大塑性变形可有效实现纤维在金属基体中的定向分布，然而纤维在变形过程中会受到严重损伤，导致其性能无法充分发挥，降低强化效率。因此，有必要开发一种纤维无损伤的短纤维单向分布构型增强金属基复合材料的制备方法，以充分发挥短纤维的强化效率，制备低成本、高性能的金属复合材料。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题：
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置及制备方法，通过定向挤压的方式实现对碳纤维预制体的纤维的取向，解决了现有技术中碳纤维预制体的纤维难定向、易损伤，无法在复合材料制备中保持形状，且性能无法充分发挥的问题。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置，其特征在于：包括预制体多向挤压模具、定向挤压模块、加热模块、控制模块，通过定向挤压模块完成对预制体多向挤压模具中浆液的定向挤压，通过加热模块对预制体多向挤压模具中成形的预制体进行烘干；由控制模块接受和输出控制指令；
[0008]所述定向挤压模块包括挤压作动模块和检测模块，由检测模块采集挤压作动模块的挤压力，同时由控制模块控制挤压作动模块的挤压动作，以完成定向挤压动作。
[0009]本专利技术的进一步技术方案是：所述预制体多向挤压模具内设置有模腔和定向挤压
模块；模腔内容纳有制备的碳纤维预制体的浆液，其形状根据所需预制体形状设计；所述定向挤压模块位于模腔的X、Z向，通过向模腔内浆液施加X、Z向的定向挤压力，完成预制体的成形；模腔Y向为封闭端。
[0010]本专利技术的进一步技术方案是：所述预制体多向挤压模具包括上挤压杆、左挤压杆、右挤压杆、前模、后模，所述前模和后模合体后内部形成模腔，模腔的X、Z向均开有通孔；所述左挤压杆和右挤压杆分别穿过X向两端的通孔、上挤压杆穿过Z向的通孔，分别作用于膜腔内浆液的X、Z向；通过定向挤压模块控制上挤压杆、左挤压杆、右挤压杆的轴向位移和挤压力，完成对于浆液的挤压动作。
[0011]本专利技术的进一步技术方案是：所述的定向挤压模块包括z向挤压模块和x向挤压模块；
[0012]所述z向挤压模块包括第一电机、单向丝杠、螺母、联轴器；所述第一电机的输出轴通过联轴器与单向丝杠的输入端连接，螺母通过内螺纹安装于单向丝杠上；所述上挤压杆的固定端固定于螺母上，挤压端穿过模腔的Z向开口与浆液接触；通过螺母将单向丝杠的旋转运动转化为上挤压杆的z向运动；
[0013]所述x向挤压模块包括第二电机、双向丝杠、左螺母、右螺母、联轴器，所述第二电机的输出轴通过联轴器与双向丝杠的输入端连接，左螺母、右螺母分别通过内螺纹安装于双向丝杠的两端；所述左挤压杆、右挤压杆的固定端分别与左螺母、右螺母固定，挤压端分别穿过模腔的两端X向开口与浆液接触；通过左螺母、右螺母将双向丝杠的旋转运动转化为左挤压杆、右挤压杆的正负X向运动。
[0014]本专利技术的进一步技术方案是：所述z向挤压模块还包括第一滑轨、上限位器、下限位器；所述单向丝杠的两端分别通过向心推力轴承、向心轴承与安装支架转动连接，所述第一滑轨位于螺母下方，与螺母滑动连接，对螺母的z向运动起导向作用；所述上限位器、下限位器分别位于第一滑轨的两端，用于限制螺母的z向运动，进而控制上挤压杆的运动行程。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：所述x向挤压模块还包括第二滑轨、前限位器、后限位器，所述双向丝杠的两端分别通过向心推力轴承、向心轴承与安装支架转动连接，所述第二滑轨位于左螺母、右螺母下方，与左螺母、右螺母滑动连接，对左螺母、右螺母的X向运动起导向作用；所述前限位器、后限位器分别位于第二滑轨上，用于限制左螺母、右螺母的X向运动，进而控制左挤压杆、右挤压杆的运动行程。
[0016]本专利技术的进一步技术方案是：所述预制体多向挤压模具的前模为矩形平板结构；后模是与前模轮廓一致的长方体，其中部为模腔，相邻三侧壁面上均开有挤压杆安装槽，位于对称壁面的挤压杆安装槽分别用于安装左挤压杆、右挤压杆，位于中间壁面的挤压杆安装槽用于安装上挤压杆；前模和后模通过沿周向设置的紧固件连接为一体，并在连接面设置有密封垫；
[0017]所述后模的Z向下端开有排水口，用于排除挤压过程中产生的水分；
[0018]所述上挤压杆中部为圆柱杆，两端设置有相互平行的压板，一端压板与螺母固定连接，另一端压板垂直于圆柱杆轴向与浆液接触，通过螺母驱动在Z向挤压杆安装槽内直线运动；所述左挤压杆、右挤压杆与上挤压杆的结构相同，分别在左螺母、右螺母的驱动下，在X向挤压杆安装槽内反向直线运动。
[0019]本专利技术的进一步技术方案是：所述检测模块包括数据采集仪，第一压力传感器、第
二压力传感器、第三压力传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器分别安装于上挤压杆、左挤压杆、右挤压杆的挤压端，并与数据采集仪连接，采集X、Z向的压力信号。
[0020]一种短纤维单向分布平板形预制体制备方法，其特征在于具体步骤如下：
[0021]步骤1：碳纤维浆料制备；
[0022]将短切碳纤维、分散剂、去离子水按照10：0.2：500的质量比混合，搅拌分散均匀后倒入模腔；
[0023]步骤2：设备初始状态设置；
[0024]通过电机分别将上挤压杆、左挤压杆、右挤压杆的位置调整至最外端；并将混合浆料倒入模腔内；
[0025]步骤3：纵向挤压渗滤；
[0026]启动第一电机，带动上挤压杆下行对浆液进行Z向挤压，推动速度调节范围为1～5mm/s；当触发下限位器时停止，此时纤维沿垂直于Z挤压方向取向排布；
[0027]步骤4：横向挤压渗滤；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置，其特征在于：包括预制体多向挤压模具、定向挤压模块、加热模块、控制模块，通过定向挤压模块完成对预制体多向挤压模具中浆液的定向挤压，通过加热模块对预制体多向挤压模具中成形的预制体进行烘干；由控制模块接受和输出控制指令；所述定向挤压模块包括挤压作动模块和检测模块，由检测模块采集挤压作动模块的挤压力，同时由控制模块控制挤压作动模块的挤压动作，以完成定向挤压动作。2.根据权利要求1所述一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置，其特征在于：所述预制体多向挤压模具内设置有模腔和定向挤压模块；模腔内容纳有制备的碳纤维预制体的浆液，其形状根据所需预制体形状设计；所述定向挤压模块位于模腔的X、Z向，通过向模腔内浆液施加X、Z向的定向挤压力，完成预制体的成形；模腔Y向为封闭端。3.根据权利要求1所述一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置，其特征在于：所述预制体多向挤压模具包括上挤压杆、左挤压杆、右挤压杆、前模、后模，所述前模和后模合体后内部形成模腔，模腔的X、Z向均开有通孔；所述左挤压杆和右挤压杆分别穿过X向两端的通孔、上挤压杆穿过Z向的通孔，分别作用于膜腔内浆液的X、Z向；通过定向挤压模块控制上挤压杆、左挤压杆、右挤压杆的轴向位移和挤压力，完成对于浆液的挤压动作。4.根据权利要求3所述一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置，其特征在于：所述的定向挤压模块包括z向挤压模块和x向挤压模块；所述z向挤压模块包括第一电机、单向丝杠、螺母、联轴器；所述第一电机的输出轴通过联轴器与单向丝杠的输入端连接，螺母通过内螺纹安装于单向丝杠上；所述上挤压杆的固定端固定于螺母上，挤压端穿过模腔的Z向开口与浆液接触；通过螺母将单向丝杠的旋转运动转化为上挤压杆的z向运动；所述x向挤压模块包括第二电机、双向丝杠、左螺母、右螺母、联轴器，所述第二电机的输出轴通过联轴器与双向丝杠的输入端连接，左螺母、右螺母分别通过内螺纹安装于双向丝杠的两端；所述左挤压杆、右挤压杆的固定端分别与左螺母、右螺母固定，挤压端分别穿过模腔的两端X向开口与浆液接触；通过左螺母、右螺母将双向丝杠的旋转运动转化为左挤压杆、右挤压杆的正负X向运动。5.根据权利要求4所述一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置，其特征在于：所述z向挤压模块还包括第一滑轨、上限位器、下限位器；所述单向丝杠的两端分别通过向心推力轴承、向心轴承与安装支架转动连接，所述第一滑轨位于螺母下方，与螺母滑动连接，对螺母的z向运动起导向作用；所述上限位器、下限位器分别位于第一滑轨的两端，用于限制螺母的z向运动，进而控制上挤压杆的运动行程。6.根据权利要求4所述一种短纤维单向分布平板形预制体制备装置，其特征在于：所述x向挤压模...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐乐华，杨程，王建成，田文龙，周计明，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：