航天复合材料高性能纤维编织预制体低损伤制备技术及装备研制

科技成果来源：陕西科技成果库;
地区：陕西
成果名称：航天复合材料高性能纤维编织预制体低损伤制备技术及装备研制
成果类型：应用技术
技术领域：工程和技术研究与试验发展
成果完成单位：陕西元丰纺织技术研究有限公司;西安工程大学;西安航天动力研究所;
成果完成人：樊威;刘强;张新元;孙润军;白龙腾;荆云娟;贺辛亥;张元;刘涛;
成果简介： 如何实现高性能纤维预制体的低损伤编织，对提高和精准预测高性能纤维编织复合材料机械强度，保证对应结构件安全服役具有重要意义。 随着航天飞行器的快速发展，特别是发动机高燃速、大比冲、轻质化、耐高压，再入飞行器耐高温、高强度、抗冲刷等方面的要求不断提高，迫切需要在高性能纤维预制体及其增强复合材料制备技术方面加速攻关突破。 然而，高性能纤维具有脆性高、摩擦系数大、断裂韧性小的特点，交织形成二维(2D)和三维(3D)织物过程中在拉伸、弯曲、扭转、剪切、摩擦等多种机械力作用造成纤维断丝率通常超过10%。纤维断丝损伤缺陷会造成复合材料力学性能下降超过15%，并且会造成整体结构的扰动，增加复合材料服役过程中的安全隐患，严重制约复合材料的应用。 为此，依托国家自然科学基金等重要课题，经过6年的科技攻关，在高性能纤维断丝缺陷对复合材料的影响机制方面取得了重大理论突破，解决了高性能纤维预制体低损伤制备关键装备国产化问题，突破高性能纤维编织预制体生产制造的成套装备技术，构建了"技术-装备-应用"三位一体驱动模式，并实现了产业化，具体创新工作如下所述。 (1)开发了高性能纤维上浆剂与上浆装置，减少织造过程中纤维之间的摩擦与缠结，降低织造过程中的断丝率 该项目研发了复配水溶性环氧树脂上浆剂与上浆装置，对高性能纤维进行二次上浆的方式增加纤维耐磨性和集束性能，减少织造过程中纤维之间的摩擦与缠结，降低织造过程中的断丝率。 (2)发明了固定单根经纱通道装置与张力控制装置，减少了经向纤维的叠压与纠缠，降低了经向纤维损伤 该项目研发了固定单根经纱通道装置，将单根经纱分布在固定通道中，实现了织造经纱张力一致性精确控制，减少了特细号碳纤维平面预制体强力不匀现象，提高了产品质量。同时解决了碳纤维织造过程中由于摩擦、磨损问题带来的脆断、缠结引起的断头问题和经纱开口不清问题，提高了织造效率。 (3)发明了经纱存贮与张力控制器以及打纬装置，减少了经向纤维的缠结，降低经向纤维断丝率 该项目研发了经纱存贮与张力控制器，实现了3D机织物织造时张力控制并能够连续织造。该成果研发了用于3D织机的打纬装置，解决了现有技术中存在的打纬力度不足，打纬精度低的问题，满足了织造3D机织物时厚度方向上打纬力的均匀性以及开口机构的开口幅度的要求。 (4)研发了组合式3D编织技术与装备，实现了3D编织喷管预制体精确仿形低损伤编织 该项目研发了3D编织方机磁力换纱结构、快速识别3D编织打紧力度的装置以及增减纱的携纱器装置，采用组合式3D编织技术，实现变尺寸、变厚度异型火箭发动机喷管预制件整体编织。采用该技术制备的3D编织碳纤维陶瓷基复合材料异型复杂热结构件喷管耐压由6Mpa提高到13Mpa，是普通喷管的2～3倍。 该成果已授权国家发明专利4件，实用新型专利6件，出版学术专著1部。发表学术论文18篇，其中SCI论文12篇。 2016年12月14日、2018年0S月23日，西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司和火箭军驻西安市第一军代室，分别对T300-1K平面预制体、12000型碳纤维3D编织喷管预制体进行了技术鉴定，鉴定结论：产品达到国内同类产品领先水平。 经产业化应用，产生了良好的经济效益，其中2019年-2021年陕西元丰纺织技术研究有限公司该项目产品新增销售收入1.41亿元、利润1149.19万元，分别占该公司销售收入、利润的28.47%、23.04%，用户单位应用该项目产品，实现新增销售收入3.32亿元、利润3539.5万元。
成果登记/公布年份：2022年
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