基于空间群p4对称性的三维编织材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及三维编织材料技术领域，具体的说是一种基于空间群 对称性的三维编织材料。
【背景技术】
[0002] 三维编织复合材料因其具有高的比强度、比模量，高的损伤容限和断裂韧性，耐冲击、 不分层、抗开裂和抗疲劳等优点，已在航空、航天等耐高温结构中得到广泛应用，并不断向 医疗、体育、汽车等行业扩展。但现阶段由于受到加工工艺等因素的制约，三维编织复合材 料的品种过少、加工效率低和工艺成本高，不利于优化复合材料的性能。要获得综合性能更 好的三维编织复合材料，急需开发更多的三维编织工艺，有关新三维编织方法预测的研究 工作还处于起步阶段。
[0003] 不同晶格结构的晶体表现出不同的性能，采用晶体对称群可以将晶体几何结构进 行分类。参照对称群的研究方法，对编织材料的单元几何结构加以归纳研究，根据空间点群 和空间群描述的对称操作推得大量新的三维纱线交叉方法，从而得到纱线连续的三维纱线 交叉几何结构。将是三维新织物的开发研究的新方向。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的为：提供一种基于空间群II对称性的三维编织材料，来拓展三维 编织复合材料的种类，并提高其性能。
[0005] 本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案为：基于空间群对称性的三 维编织材料，该编织材料的编织几何结构为在三维空间延伸编织成的呈连续纱线的结构， 编织几何结构中的代表性体积单元中的纱线段满足空间点群4描述的点的对称性，编织结 构整体上呈现将代表性体积单元用空间群#4描述的平移对称操作进行平移得到的三维空 间相互交织在一起的三维编织织物。
[0006] 所述空间点群4的群元素为：
），群的 生成元为％，在三维坐标系W中定义z轴为旋转轴，空间点群4是一个纯旋转对称群，空 间点群4的群元素的矩阵表示如下
所述满足空间点群4描述的点的对称性的代表性体积单元，其推导基于空间点群4的 群元素描述的旋转对称操作表达为：
:丨e|表示将某一纱线段上的点变换为等号后点的旋转对称操作； 所述空间群P4描述的平移对称操作是在三维坐标系中，将代表性体积单元中的 纱线段组合做如下方式：
(y，K，r为基矢量）的平移对称操作。
[0007] 所述代表性体积单元中的纱线段组合具有z向厚度九在xoj坐标平面及与之平 行的平面簇中，代表性体积单元的截面为菱形，代表性体积单元的平移是沿四棱柱z向高A 的_倍平移，三维编织材料中代表性体积单元所对应的点阵为简单四方点阵，最终形成具 有空间群P4对称性的一种新的空间连续纱线交叉几何结构。
[0008] 所述各纱线段组合的代表性体积单元包括内部代表性体积单元、表面代表性体积 单元和角部代表性体积单元，设为编织材料截面四边形相邻两边上的单元数，单层编 织体代表性体积单元总数为：
角部代表性体积单元数和表面代表性体积单元^的数分别为：
内部代表性体积单元7V；数为
(4) 有益效果： 本发明的编织材料以满足点群4对称性的代表性体积单元为基本结构单元推导出的 满足空间群P4对称性的新的三维编织几何结构，通过对其工艺可行性的研究和对相应三 维编织物的纤维体积百分含量的预测，得到了纤维体积百分含量比传统三维编织材料更高 的新三维编织材料品种。同时，其编织工艺方法简单、便于实现，得到的三维编织材料几何 结构更加稳固，力学性能更加优异。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明中代表性体积单元的结构示意图； 图2为本发明中代表性体积单元所处的简单四方点阵的结构示意图； 图3为惯用代表性体积单元纱线段组合的结构示意图； 图4为满足空间群尸4对称性的三维编织材料内部几何结构示意图； 图5为对应空间群尸4的三维编织材料的几何结构示意图； 图6为基本编制方法中携纱器的运动轨迹图； 图6a为第一类携纱器的运动规律示意图； 图6b为第二类携纱器的运动规律示意图； 图7为本发明制备的三维织物的结构示意图； 图7a为与图6a对应的织物结构图； 图7b为与图6b对应的织物结构图； 图8a为本发明制备的织物中代表性体积单元的结构示意图； 图8b为本发明制备的织物中多个相邻代表性体积单元的结构示意图； 图9为本发明制备的织物内部纱线侧向挤压结构示意图； 图10为本发明制备的织物内部纱线挤压所成的几何形状结构示意图； 图11为本发明制备的织物区域划分结构示意图； 图12为简化纱线几何结构参数在给定坐标系中的相互关系结构示意图； 图13为简化纱线单元几何模型的结构示意图； 附图标记：图11中a:角部代表性体积单元，b:表面代表性体积单元，c:内部代表性体 积单元。
【具体实施方式】
[0010] 下面结合【附图说明】本发明的基于空间群对称性的三维编织材料的具体实施 方式：编织材料中的单元即指代表性体积单元。本文中及权利要求书中的_^与P4代表相 同含义。
[0011] 1、满足点群4对称性的三维编织几何结构单元 在三维坐标系xjz中设z轴为旋转轴，满足编织点群4的群元素为
)，点群4中的四种旋转操作，1为点群4的生 成元，认为是绕菜轴转过__角的转动，对应点群4的群元素的矩阵表示如下
[0012] 空间点群4的群元素对应的旋转对称操作表达为
::c|表示将某一纱线段上的点_@4>变换为等号后点的旋转操作。
[0013] 如附图1所示，对纱线段1施以空间点群4的对称操作可推得其余纱线段组合，该 组合图案作为代表性体积单元(简称单元)，可推导新型三维编织的几何结构。
[0014] 2、满足空间群P4对称性的三维编织几何结构 2. 1对应空间群P4的三维编织几何结构惯用单元 晶体对称群描述的简单四方点阵记为5-(如图2所示）与空间点群4相协调。用 一个阵点表示满足空间点群4的单元，再将单元(如图1)放入四方点阵，验证纱线的连续 性，进而形成惯用单元，即惯用代表性体积单元纱线段组合。（如图3所示)。
[0015] 2. 2空间群P4对应的平移对称操作 建立三维坐标系xyz，三维空间内的对称操作为：
(w，k,r为基矢量） （1) 其中:为整数，_为平移矢量。将满足空间点群4的点对称性的惯用单元放入 简单四方点阵一#P推得满足编织空间群对称性的三维编织空间内部几何结构（如 图4所示）。设图1所示的代表性体积单元中单层纱线段组合的z向厚度九在xoj坐标 平面及与之平行的平面簇中，单元沿z向是以A的整数倍平移。
[0016] 2. 3空间群户4对应的新三维编织几何结构 通过空间点群4的对称操作可推得该新三维编织几何结构的单元，该单元进行平移操 作即获得可能的三维编织内部几何结构。在实际编织过程中，要考虑纱线的连续性要求，并 研究其规律，进而获得一种全新的三维编织几何结构（如图5所示)。
[0017] 3、新三维编织材料几何结构的编织工艺研究 新三维编织材料的几何结构对应一种新的三维编织方法，首先必须研究满足织物几何 结构的纱线的交叉运动规律。图6阐述了用于携带纱线运动的携纱器的平面运动规律。每 一个?代表一个携纱器，箭头指向为携纱器的运动方向，箭头的空心和实心表示携纱器的 分组。在编织纱线阵列中，相同运动轨迹的携纱器归为一类，共分为两类(如图6a，图6b所 示)。在编织过程中，同一轨道的携纱器运动轨迹不发生变化。所有携纱器按分类沿箭头方 向交替移动一次，完成一个编织循环。
[0018] 新三维编织物中的每组纱线均为直线，只在边界处弯曲（如图7所示)。两类不同 的纱线在空间分步交