一种整体环形三维织物及其织造方法

专利名称：一种整体环形三维织物及其织造方法
技术领域：
本发明涉及三维织物织造技术，具体是一种整体环形三维织物及其织造方法。该织物主要用于做复合材料增强体，可提高复合材料构件的整体性能，并降低成本。
背景技术：
环形结构是最常用的工程结构之一，主要包括法兰盘和加强环等。现有技术中，这些环形结构件常常是由金属制成，特别是采用普通钢材制造的制件，不耐腐蚀，易发生事故，安全系数低，特别不利于减重。纤维增强复合材料具有比强度和比刚度高、可设计性强、耐疲劳性好、耐腐蚀等优点。作为一种结构材料，纤维增强复合材料已经在航空航天、交通、运输等方面得到了广泛的应用。目前，复合材料法兰盘和加强环等环形结构件的制造主要通过纤维缠绕成型、手 糊工艺模压成型来实现。其中，纤维缠绕成型是将浸过树脂的连续纤维或布带、预浸纱按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。中国专利CN1640652A、CN181939A和CN101022200A公开的换向器加强环的制造方法都涉及到纤维缠绕成型方法，具体为将浸润过树脂的玻璃纤维经多道工序缠绕到芯模上，再将芯模放入烘箱内加热使玻璃纤维固化，然后取出芯模加工成加强环产品。纤维缠绕制品易于实现机械化、自动化，生产效率高，应用十分广泛。然而，纤维缠绕成型要求必须有能实现规定缠绕线型的缠绕机、高质量的芯模和专用的固化加热炉，设备投资大，只有大批量生产时成本才能降低，且缠绕获得的制件各部分的纤维体积含量均匀性和一致性不好，影响制件的整体性能，特别是，制件层间及平面内剪切或横向性能差，很容易产生剪切失效，进而导致制品破坏。手糊工艺模压成型时，一般采用二维织物做增强体，在所需环形制件的阳膜内铺覆二维织物，在其上涂抹树脂，装入模具，通过加温加压固化成型。中国专利CN102494009A中涉及复合材料传动轴法兰盘就是采用手糊工艺模压成型。这种手糊工艺操作简单，但是二维织物的变形能力有限，加上碳纤维、玻璃纤维等增强纤维的弹性差，为避免复合成型时织物折叠起皱，往往需要对织物进行裁剪，导致织物大量浪费，成本高，质量难以保证，且由于二维布层与层间仅靠树脂连接，厚度方向缺乏增强纤维，其增强复合材料法兰盘缺乏承载整体性，存在层间强度低，易分层，抗低速冲击性能差等性能弱点。三维纺织技术织造的三维环形织物由于各系统纱线的空间网状交织，整体性好，再结合树脂传递模塑复合固化技术复合而成的复合材料法兰盘和加强环使用过程中减重效果好，耐冲击、抗分层、损伤容限高，可广泛用于航空航天、武器和民用等相关领域。常见的三维纺织技术有三维机织，三维编织和三维非织造技术等，它们都可以成形三维环形织物。但是，针对法兰盘和加强环这一类均匀连续、首尾相接并具有多种异形截面的环形织物，常规的三维机织和三维编织技术只能采用沿织物环向织造成形后搭接实现(如将直径、高度不等的两个环形织物缝合成一个具有特殊截面的用于增强法兰盘或加强环的三维环形织物等)，这样增加了工序，降低了生产效率，增大了成本，且难以真正意义上实现三维环形织物的完全整体成型。在申请人检索的范围内，整体的环形三维织物一次性完全整体成型的技术尚未见报道。

发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种整体环形三维织物及其织造方法，该织物特别适用于作为复合材料法兰盘、复合材料加强环等复合材料环形结构件的增强体，具有织物制件各部分纤维体积含量均匀性好、一致性高，整体性能优良等特点；该织造方法可一次完全整体成为环形织物，具有织造成本低、周期短、操作简单、适应性强、方便实际应用等优点。本发明解决所述织物技术问题的技术方案是设计一种整体环形三维织物，该织物具有完全整体的三维纱线交织结构，不分层，无搭接，z向纱线垂直于环形织物环向和径向所在的xoy平面,且xoy平面内的纱线可以按设计要求以任意角度取向。本发明解决所述织造方法技术问题的技术方案是设计一种整体环形三维织物的 织造方法，其具体工艺步骤包括(I)设计并预置钢管阵列；根据织物的外形结构要求，在织造设备的定位板上，设计并预置钢管阵列；(2)穿插钢片；在定位板上，先沿y方向在钢管阵列穿插下层钢片，再沿X方向在钢管阵列穿插上层钢片，用于夹持固定钢管；(3)穿引xoy平面内纱线；凭借穿引装置在钢管阵列中采用直线法引入xoy平面内的纱线，纱线在最外侧钢管处折返；(4)引入z向纱线；采用往返顶出法引入z向纱线替换所述的钢管，并把z向纱线垂直引入织物内部，且与xoy平面内纱线形成交织，进而沿X或I方向依次替换所有钢管，直至整体环形三维织物织造完成。与现有技术相比，本发明所设计的整体环形三维织物，xoy平面内纱线在织物内部均保持伸直状态，无交织点，且织造过程中纱线受到的摩擦小，织物最大限度地保持了纱线的性能向纱线的引入能够有效的抑制织物分层，且z向纱线的位置由钢管预留，在引入过程中对纱线损伤降低至最小，伸直度高；同时本发明的整体环形三维织物为一次性完全整体成型，具有灵活的可设计性，可实现面内各向同性的、多种异形截面的环形结构三维织物的整体成形。本发明整体环形三维织物的织造成本低、操作简单、周期短、无污染、易于工业化推广使用。


图I是本发明整体环形三维织物一组实施例制件的形状结构示意图。其中，图Ia是本发明整体环形三维织物一种实施例(“ T ”型截面的法兰盘式环形织物)的制件形状结构示意图。图Ib是本发明整体环形三维织物另一种实施例(“工”型截面的法兰盘式环形织物)的制件形状结构示意图。图Ic是本发明整体环形三维织物又一种实施例(“E”型截面的加强环式环形织物)的制件形状结构示意图。图2是本发明整体环形三维织物的织造方法的设备结构示意图。其中，
图2a是本发明整体环形三维织物的织造方法准备阶段设备的三维视图。图2b是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的穿插钢片示意图。图3本发明整体环形三维织物的织造方法定位板预制钢管排列示意图。其中，图3a是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例(织造“ T ”型截面的法兰盘式环形织物)的定位板预制钢管排列三维视图。图3b是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例(织造“ T ”型截面的法兰盘式环形织物)的定位板预制钢管排列正视图。图3c是本发明整体环形三维织物的织造方法另一种实施例(织造“H”型截面的加强环式环形织物)的定位板预制钢管排列三维视图。
图3d是本发明整体环形三维织物的织造方法另一种实施例(织造0型截面的加强环式环形织物)的定位板预制钢管排列正视图。图4是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的xoy平面内纱线穿引示意图。其中，图4a是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的xoy平面内穿引第一层I向纱示意图。图4b是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的xoy平面内穿引第一层X向纱示意图。图4c是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的xoy平面内穿引第一层+45°向纱示意图。图4d是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的xoy平面内穿引第一层-45°向纱不意图。图4e是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的xoy平面内穿引第二层I向纱示意图。图4f是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的xoy平面内穿引第二层X向纱示意图。图4g是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的xoy平面内纱线穿引第二层+45°向纱示意图。图4h是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的xoy平面内穿引第二层-45°向纱不意图。图5是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的穿引z向纱线示意图。图6是本发明整体环形三维织物的织造方法一种实施例的局部纱线结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及其附图对本发明作进一步的说明。本发明设计的一种整体环形三维织物(简称环形织物)，其特征在于该织物具有完全整体的三维纱线交织结构，不分层，无搭接，且织物环向和径向所在的xoy平面内的纱线I和z向纱线2均保持伸直状态，在织造过程中受到的摩擦损伤少，最大限度的保留了纱线原有的力学性能，其中xoy平面内纱线I可以按设计要求以任意角度取向，且各层纱线间无交织点向纱线2垂直于所述的xoy平面内纱线1，并通过与xoy平面内纱线I交织，将各层纱线约束成为一个整体，构成环形三维织物。本发明环形织物所述的xoy平面内纱线I和z向纱线2可以选择高分子量聚乙烯纤维，芳纶纤维，碳纤维，玻璃纤维和石英纤维等高性能纤维或长丝中的至少一种。xoy平面内纱线I和z向纱线2可以选择同一种纤维，也可以选择不同种类的纤维。一般而言，这类高性能纤维纱线不容易顺利进行织造。本发明环形织物的xoy平面内纱线I在钢管阵列的约束下保持伸直状态，通过设计不同高度钢管的梯度排列，可以获得相异的纱线层数，实现不同异形截面要求的环形织物，然后依靠z向纱线2与xoy平面内纱线I交织，把平行伸直状态的各层xoy平面内纱线I约束连接起来，构成环形三维织物整体。z向纱线2的交织主要起到约束连接作用，且由于z向纱线2的位置由钢管阵列事先预留，z向纱线2在织物内部伸直度高，增强织物层间性能的同时也不会对织物的面内造成损伤。由于xoy平面内纱线I是由连续纱线在导纱装置的引领下，采用直线法在钢管阵列中引入，层层铺叠而成，纱线保持伸直状态，纱线间无交织点，避免了传统织造过程中织物打纬成型对纱线的损伤，因此，xoy平面内纱线I能够最大限度地保持原有的力学性能，使制件具有最高的强度。 本发明同时设计了所述环形三维织物的织造方法(简称织造方法)，该织造方法具体工艺步骤是(I)设计并预置钢管阵列。根据织物的外形结构要求，在自主开发的织造装置的定位板A上，设计并预置钢管阵列(参见图2a、图2b)；(2)穿插钢片。在定位板A上按照“先下层后上层”原则，先沿y方向在钢管阵列穿插下层钢片B，再沿X方向在钢管阵列穿插上层钢片C，用于夹持固定钢管(参见图2b)；(3)穿引xoy平面内纱线I。凭借穿引装置在钢管阵列中采用直线法引入xoy平面内纱线1，纱线在最外侧钢管处折返(如图4所示，其中箭头为纱线穿引方向)；所述穿引装置为现有技术。(4)引入z向纱线2。采用往返顶出法引入z向纱线2替换钢管(图5箭头为z向纱2替换钢管方向)，z向纱线2垂直引入织物内部并与xoy平面内纱线I形成交织，进而沿X方向或I方向依次替换所有钢管，直至整体环形三维织物织造完成。所述往返顶出法为现有技术。本发明织造方法用于织造本发明所述的整体环形三维织物，通过设计并预置钢管阵列，约束织物外形轮廓，穿引xoy平面内纱线I ;引入z向纱线2替换钢管，并在xoy平面内纱线I的表面形成捆绑，从而实现整体环形三维织物的织造成型。本发明织造方法根据环形织物的设计要求，首先确定其截面形状，根据截面形状设计不同高度钢管的梯度排列，以达到异形截面的要求；其次确定xoy平面内纱线I的细度及排列密度，以此限定定位板A的规格，xoy平面内纱线I的细度和排列密度可以灵活设计，以满足环形织物不同纤维体积含量的需要。本发明织造方法适用于制造三维正交非织造织物，具体工艺基本相同。本发明未述及之处适用于现有技术。下面给出本发明的具体实施例具体实施例仅用于进一步了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达到的效果，并非用来限定本发明申请权利要求的保护范围。凡依据本申请权利要求保护范围所述的结构、材质、特征及精神所为，均是等同变化或修饰，均应包括于本发明申请权利要求的保护范围之内。实施例I织造“ T ”型截面的法兰盘式环形织物。该环形织物xoy平面内纱线I包括X向纱线11和y向纱线12两个方向的纱线，截面为“T”型。X向纱线11和Y向纱线12均为190tex石英纤维父3股^向纱线2为190tex石英纤维Xl股。根据截面形状将织物分为外环E (由图4中的〇表示)和内环F (由 图4中的 表示)2部分。外环E部分X向纱线11的纱线层数为10层，y向纱线12的纱线层数为11层，总厚度为I厘米；内环F部分的X向纱线11的纱线层数为25层，y向纱线12的纱线层数为26层，总厚度为2. 5厘米。该环形织物X向纱线11的排列密度为50根/10厘米，y向纱线12的排列密度为50根/10厘米，织物外环E直径为15厘米，内环F直径为7厘米。钢管排布工艺参数设计(I)外环E部分钢管长度Ll=7厘米；(2)内环F部分钢管长度L2=12厘米；(3) y向纱线12的纱线层数M=X向纱线11的纱线层数N+1。具体实施步骤(I)排布钢管。将钢管按照预先设计在定位板A上排布成圆环状，内环F的钢管高度高于外环E的；(2)穿插钢片。在定位板A上沿y方向和X方向依次在钢管阵列穿插下层钢片B和上层钢片C ；(3)在外环E和内环F的钢管阵列内均沿直线穿引xoy平面内纱线1，按照先穿引y向纱线12后穿引X向纱线11的顺序穿引，且穿引过程中不断的用压紧装置压紧纱线层，直到压紧后的厚度到达I厘米(且y向纱线12的纱线层数M=x向纱线11的纱线层数N+1);(4)利用内环F钢管高于外环E的优势实现对内环F钢管阵列xoy平面内纱线I的单独穿引，并凭借压紧装置将纱线层与先前的纱线层合为一体，直到内环E的总体纱线层厚度为2. 5厘米(即单独穿引I. 5厘米)停止穿引xoy平面内纱线1，此时定位板A的钢管阵列已具备法兰盘的“T”型截面；(5)z向纱线2按往返顶出法沿着X方向将钢管全部替换，穿引入法兰盘织物的内部，并通过与xoy平面内纱线I交织，将各层纱线约束成整体，实现法兰盘式“T”型截面环形织物的整体成型；(6)下机，整理即得。实施例2织造“工”型截面的法兰盘式三维织物。该法兰盘式环形织物xoy平面内的纱线I包括X向纱线ll、y向纱线12、+45°向纱线13和-45°向纱线14四个方向的纱线，截面为“工”型。xoy平面内纱线I均为12KT300碳纤维，z向纱线2为6K T300碳纤维。根据截面形状同实施例I 一样将织物分为外环E和内环F两部分，其中外环E又由上、下两部分组成。外环E上、下两部分的X向纱线
11、+45°向纱线13和-45°向纱线14的纱线层数均为5层，y向纱线12的纱线层数为6层，每部分厚度均为I. I厘米；内环F部分的X向纱线11、+45°向纱线13和-45°向纱线14的纱线层数均为18层，y向纱线12的纱线层数为19层，总厚度为4厘米。织物外环E直径为20厘米，内环F直径为12厘米。钢管排布工艺参数设计(I)外环E部分钢管长度Ll=IO厘米；(2)内环F部分钢管长度L2=15厘米；(3) y向纱线12的纱线层数M = x向纱线11的纱线层数N+1。具体实施步骤(I)排布钢管成所需的圆环状，内环F的钢管高度高于外环E的； (2)穿插钢片。在定位板A上沿y方向和X方向依次在钢管阵列穿插下层钢片B和上层钢片C ；(3)在内环F和外环E钢管阵列内采用直线法穿引xoy平面内的纱线1，按照y向纱线12、+45°向纱线13、-45°向纱线14、x向纱线11的顺序穿引，且穿引过程中不断的用压紧装置压紧纱线层，直到压紧后的厚度到达I厘米(且y向纱线12的纱线层数M=x向纱线11的纱线层数N+1)；(4)利用内环F钢管高于外环E的优势实现对内环F钢管阵列xoy平面内纱线I的单独穿引，并凭借压紧装置将纱线层与先前的纱线层合为一体，直到内环F的总体纱线层厚度为3厘米(即单独穿引2厘米)，停止穿引；(5)给外环E的每根钢管上套一个长为2厘米的细套管，使外环E钢管上细套管的高度与内环xoy平面内纱线I的纱线层高度相同；(6)对内环F和外环E的钢管阵列再次同时穿引xoy平面内纱线I，直到内环F的总体纱线层厚度为4厘米(外环E的纱线层为两部分，每部分为I厘米)，停止穿引xoy平面内纱线1，此时定位板A的钢管阵列已具备法兰盘的“工”型截面；(7)去除外环E钢管阵列的细套管；(8) z向纱线2按往返顶出法沿着X方向将钢管全部替换，穿引入法兰盘织物的内部,并通过与xoy平面内纱线I交织，将各层纱线约束成整体,实现法兰盘织物的整体成型；(9)下机，将织物截面多余的纱线(外环E两部分纱线层之间的纱线)进行修剪，整
理即得。实施例3织造“H”型截面的加强环式环形织物。该加强环式环形织物xoy平面内纱线I包括X向纱线ll、y向纱线12两个方向的纱线，截面为“0”型。xoy平面内纱线I均为12K T300碳纤维，z向纱线2为6K T300碳纤维。外环E部分的X向纱线11的纱线层数为38层，y向纱线12的纱线层数为39层，总厚度为4厘米；内环F部分的X向纱线11的纱线层数为18层，y向纱线12的纱线层数为19层，总厚度为2厘米。织物外环E直径为20厘米，内环F直径为12厘米。钢管排布工艺参数设计(I)外环E部分钢管长度Ll=15厘米(2)内环F部分钢管长度L2=10厘米(3) y向纱线12的纱线层数M=X向纱线11的纱线层数N+1
具体实施步骤( I)排布钢管成所需的圆环状，内环F的钢管高度低于外环E的，且在内环F的每根钢管上套一个长为I厘米的细套管；(2)穿插钢片。在定位板A上沿y方向和X方向依次在钢管阵列穿插下层钢片B和上层钢片C ；(3)在外环E钢管阵列内沿直线穿引xoy平面内纱线1，按照先穿引y向纱线12后穿引X向纱线11的顺序穿引，且穿引过程中不断的用压紧装置压紧纱线层，直到压紧后的厚度到达内环的细套管高度，即为I厘米(且y向纱线12的纱线层数M = X向纱线11的纱线层数N+1)；(4)对内环F的钢管阵列也穿引xoy平面内纱线1，此时内外环可视为一体，y向纱线12的纱线层与X向纱线11的纱线层交替叠加,直到外环E纱线层厚度达到3厘米(此时内环F纱线层的厚度为2厘米)；(5)停止对内环F的钢管阵列穿引xoy平面内纱线1，利用外环E钢管高于内环F的优势实现对外环E钢管阵列xoy平面内纱线I的单独穿引，并凭借压紧装置将纱线层与先前的纱线层合为一体，直到外环E的总体纱线层厚度为4厘米，停止穿引xoy平面内纱线1，此时定位板A的钢管阵列已具备加强环的“B”型截面；(6)去除内环F钢管阵列底部的细套管；·(7) z向纱线2按往返顶出法沿着X方向将钢管全部替换，穿引入加强环织物的内部,并通过与xoy平面内纱线I交织，将各层纱线约束成整体,实现加强环织物的整体成型；(8)下机，整理即得。
权利要求
1.一种整体环形三维织物，其特征在于该织物具有完全整体的三维纱线交织结构，不分层，无搭接，且织物环向和径向所在的平面内的纱线和z向纱线均保持伸直状态，其中平面内的纱线可以按设计要求以任意角度取向，且各层纱线间无交织点^向纱线垂直于所述平面内的纱线，并通过与平面内的纱线交织，将各层纱线约束成为一个整体，构成环形三维织物。
2.根据权利要求I所述的整体环形三维织物，其特征在于所述纱线为高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、碳纤维，玻璃纤维和石英纤维等高性能纤维或长丝中的至少一种。
3.根据权利要求I所述的整体环形三维织物，其特征在于所述平面内纱线和^向纱线选择同一种纤维或长丝、或者选择不同种类的纤维或长丝。
4.一种权利要求1、2或3所述整体环形三维织物的织造方法，其具体工艺步骤包括 (1)设计并预置钢管阵列；根据织物的外形结构要求，在织造设备的定位板上，设计并预置钢管阵列； (2)穿插钢片；在定位板上，先沿_7方向在钢管阵列穿插下层钢片，再沿Z方向在钢管阵列穿插上层钢片，用于夹持固定钢管； (3)穿引平面内纱线；凭借穿引装置在钢管阵列中采用直线法引入平面内的纱线，纱线在最外侧钢管处折返； (4)引入z向纱线；采用往返顶出法引入z向纱线替换所述的钢管，并把z向纱线垂直引入织物内部，且与平面内纱线形成交织，进而沿z或_7方向依次替换所有钢管，直至整体环形三维织物织造完成。
5.根据权利要求4所述整体环形三维织物的织造方法，其特征在于通过设计不同高度钢管的梯度排列，获得相异的纱线层数，实现不同异形截面要求的环形三维织物整体。
全文摘要
本发明公开一种整体环形三维织物及其织造方法。该织物具有完全整体的三维纱线交织结构，不分层，无搭接，且织物环向和径向所在的xoy平面内纱线和z向纱线均保持伸直状态，其中xoy平面内纱线可以按设计要求以任意角度取向，且各层纱线间无交织点；z向纱线垂直于所述xoy平面内纱线，并通过与xoy平面内纱线交织，将各层纱线约束成为一个整体，构成环形三维织物。该织造方法包括以下步骤(1)设计并预置钢管阵列；(2)穿插钢片；(3)穿引xoy平面内纱线；(4)引入z向纱线替换所有钢管，直至整体环形三维织物织造完成。
文档编号D03D25/00GK102899778SQ20121045575
公开日2013年1月30日 申请日期2012年11月13日 优先权日2012年11月13日
发明者孙颖, 张倩倩, 张典堂, 陈利, 李嘉禄 申请人:天津工业大学