一种3d编织二合板型纤维混杂预制件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种3D编织二合板型纤维混杂预制件及其制备方法，尤其涉及一种两种不同编织纱在预制件中呈二合板结构分布的3D编织纤维混杂预制件及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在3D编织纤维混杂预制件中含有两种或两种以上不同种类的纤维，其为多功能材料的制备提供了一个重要途径；同时，3D编织预制件结构为高度整体化的空间纤维网结构，该结构具有抗冲击、耐疲劳、不分层等诸多优异的力学性能。上述特点使得3D编织纤维混杂预制件在航空航天、国防军工以及交通运输等领域有着广泛应用。
[0003]3D编织纤维混杂预制件中的一大类为二合板型3D编织纤维混杂预制件，即两种不同的纤维在预制件中呈二合板结构分布。其中，通过正确的参数选择与合理的性能匹配，可以实现材料的多功能化；例如，一侧材料在表面起防护作用、或防辐射、或吸波作用，另一侧材料在内侧，起承载作用，可以起到结构-功能一体化的性能要求。
[0004]目前，二合板型预制件的制备主要采用以下两种方法:1.层叠缝合法，即首先将两种不同纤维编织预制件分别编织再层叠，然后将两片编织预制件进行缝合以形成整体结构；该方法的缺点在于:缝合工艺在起到连接作用的同时，也会导致纤维损伤等问题。2.铺层共固化法，即首先将两种纤维增强编织预制件分别编织，然后将两片编织预制件叠层并进行固化，利用树脂将两片编织预制件粘接起来以形成整体结构，该方法的缺点在于:两层编织预制件之间缺少纤维连接，增强体的整体性不强，所得复合材料的抗冲击、耐疲劳等性能较差。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是使得3D编织纤维混杂预制件的结构整体性高，结构力学性能稳定，且在其制作过程中不需要后续的铺层、缝合工序。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种四步法3D编织二合板型纤维混杂预制件，该纤维混杂预制件中含有两种不同种类的编织纱，其特征在于:该预制件织物结构采用四步法3D编织结构；两种不同种类的编织纱在预制件中呈二合板结构分布，一种编织纱始终分布在预制件横截面的一侧，另一种编织纱始终分布在预制件横截面的另外一侧，一侧的编织纱不会越入另外一侧；两种编织纱在二合板交界区域通过混杂编织结构实现两板之间的连接，整个预制件为高度整体化的空间纤维网结构，预制件内不存在分层；两种编织纱在预制件横截面内的分布是相对稳定的，任一横截面纱线分布结构与距该界面任意整数个机器循环处，预制件横截面内的纱线分布结构相同。
[0007]优选地，所述四步法3D编织结构中或在编织纱之间加沿着零件长度方向的轴纱，即O度纱，或仅含有编织纱，即角度纱。
[0008]优选地，所述二合板结构中，两种编织纱在两侧所组成的厚度或相同，或不同。
[0009]优选地，所述二合板结构中，两种编织纱在两侧所组成的横截面形状或相同，或不同。
[0010]优选地，所述二合板结构中，两种编织纱在两侧所组成的横截面形状具有多样性，或为规则截面，或为异形截面。
[0011]优选地，所述二合板交界区域实现两板之间连接作用的混杂编织结构的厚度或保持固定，或大小可调。
[0012]本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的四步法3D编织二合板型纤维混杂预制件的制备方法，以四步法方型3D编织工艺为基础，通过控制编织纱的排列与运动规律，使得两种编织纱在预制件中呈二合板结构分布，其特征在于:利用3D编织纤维混杂结构作为连接单元组成二合板两板之间的纤维混杂连接区，以实现预制件两侧两种编织纱形成的两板之间的连接；挂纱时分区进行，或者首先对混杂连接区进行两种纤维混杂排列挂纱，然后对两侧的非混杂区域分别用两种纤维进行挂纱，或者首先对两侧的非混杂区域分别用两种纤维进行挂纱，然后对混杂连接区进行两种纤维混杂排列挂纱；编织时分区进行，或者首先对两侧的非混杂区域进行编织，然后对混杂连接区进行编织，或者首先对混杂连接区进行编织，然后对两侧的非混杂区域进行编织。
[0013]优选地，作为连接单元的3D编织混杂结构的横截面为方形:(i)其主体编织纱的行数与列数均为奇数且相等，(ii)其方形横截面左右边界、上下边界上的编织纱分属不同的纤维种类，(iii)编织纱在横截面内的分布是稳定的。
[0014]优选地，所述3D编织混杂结构的制备方法为:排载纱锭子时主体载纱锭子的行数和列数保持相等且为奇数，挂纱时左右边界、及上下边界上的载纱锭子所在锭子组挂不同种类的编织纱；所谓“锭子组”，为一组锭子的集合，由在编织机上具有同一运动轨迹的锭子组成。
[0015]优选地，制备过程中，作为连接单元的3D编织纤维混杂结构或保持不变，以保持纤维混杂连接区的厚度不变；或大小可调，以调整混杂连接区的厚度。
[0016]优选地，具体包括如下步骤:
[0017]第一步，根据预制件的横截面尺寸要求，确定作为连接单元的3D编织纤维混杂结构的载纱锭子排列，保证所选3D编织纤维混杂结构的主体载纱锭子的行数与列数相等且为奇数，确定两侧的非混杂区域的载纱锭子排列；
[0018]第二步，分区进行挂纱:(i)对纤维混杂连接区进行挂纱，根据第一步所选择的3D编织纤维混杂结构，确定其中的锭子组分布情况，使其横截面中左右边界、及上下边界上的载纱锭子所在的锭子组挂不同种类的编织纱，以锭子组为单位依次进行挂纱；(ii)对非混杂区域进行挂纱，根据第一步所确定的非混杂区域的载纱锭子排列，对两侧的非混杂区域进行挂纱；
[0019]第三步，分区进行编织:(i)对非混杂区域进行编织，根据四步法方型3D编织工艺对非混杂区域进行编织，第I步使非混杂区域中的相邻行上的载纱锭子沿行方向交替运动一个锭子的距离，第2步使非混杂区域中的相邻列上的载纱锭子沿列方向交替运动一个锭子的距离，第3步、第4步中载纱锭子的运动方向分别与第I步、第2步相反，经上述四步运动，非混杂区域完成一个编织循环，然后进行纤维混杂连接区的编织；(ii)对纤维混杂连接区进行编织，根据四步法方型3D编织工艺对纤维混杂连接区进行编织:第5步使混杂连接区中的相邻行上的载纱锭子沿行方向交替运动一个锭子的距离，第6步使混杂连接区中的相邻列上的载纱锭子沿列方向交替运动一个锭子的距离，第7步、第8步中的载纱锭子的运动方向分别与第5步、第6步相反，经上述四步运动，纤维混杂连接区完成一个编织循环；(iii)经过上述八步运动，整个预制件完成一个编织循环，依据(i)、(?)所述的编织方法继续进行后续编织，直至预制件达到所需长度
[0020]本发明的有益效果:
[0021](I)该混杂预制件为整体空间纤维网结构，结构整体性高；该混杂预制件横截面中纱线分布稳定，结构力学性能稳定；
[0022](2)实现方法为3D编织整体成型方法，不需要后续的铺层、缝合工序，减少了对增强纤维的后续损伤，同时减少了工序，降低了成本；编织过程中编织纱锭的运动可以实现机械化，不需要手工辅助，制备效率提高。
[0023](3)适用范围广，对单纱、股线等各种形式的编织纱均可适用。
【附图说明】
[0024]图1A为二合板两板连接区采用3行3列排纱模式下的连接单元示意图，图中，“.”为纤维种类a，“〇”为纤维种类b，A为主体编织纱，B为左边界编织纱，C为下边界编织纱；
[0025]图1B为二合板两板连接区采用3行3列排纱模式下的连接单元锭子组分布，图中，1、2、3为锭子组1、2、3 ；
[0026]图2A为二合板两板连接区采用5行5列排纱模式下的连接单元示意图，图中，“.”为纤维种类a，“〇”为纤维种类b ;
[0027]图2B为二合板两板连接区采用5行5列排纱模式下的连接单元锭子组分布；图中，1、2、3、4、5 为锭子组 1、2、3、4、5 ；
[0028]图3A为二合板型3D编织纤