CN104818567B - 一种2.5d编织结构同步异向立体织物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2.5D编织结构同步异向立体织物及其制备方法，2.5D编织结构同步异向立体织物，包括封顶或不封顶的底部带外翻边的柱状织物，外翻边包括：直翻边和斜翻边，直翻边指与柱状织物侧面垂直的翻边，斜翻边指与柱状织物侧面不垂直的翻边；制备方法为以芯模为内芯进行编织，且采用2.5D浅交弯联编织单元结构。本发明2.5D编织结构同步异向立体织物的制备方法可实现形状较复杂织物的整体成型；所制备的织物单元结构完整、纤维连续性好；织物成型过程中完整单元结构具有设计性强；2.5D编织结构纤维相互之间交织点多，单元结构变化的自由度小，工艺参数可控，结构均匀性好；所得织物结构紧密、整体性好、力学性能优良。

Description

一种2.5D编织结构同步异向立体织物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种2.5D编织结构同步异向立体织物及其制备方法，属于立体织物领域。

背景技术

2.5D织物是在机织三维织造设备的基础上，利用多眼棕丝使经向纤维形成多层开口，按一定顺序引入纬向纤维后形成的一类多层立体织物，但目前2.5D织物的三维编织纤维相互之间交织点较少，单元结构变化的自由度大，结构工艺参数设计受单元结构变化影响因素多，工艺参数不可控，结构均匀性较差，为了更好满足航空航天领域的需求，急需开发一种2.5D新产品。目前尚无关于2.5D编织结构同步异向立体织物的相关报道。

发明内容

为了克服现有技术中2.5D织物的三维编织纤维相互之间交织点较少、工艺参数不可控和结构均匀性差等缺陷，本发明提供一种2.5D编织结构同步异向立体织物及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种2.5D编织结构同步异向立体织物，包括封顶或不封顶的底部带外翻边的柱状织物，其中，外翻边包括：直翻边和斜翻边，直翻边指与柱状织物侧面垂直的翻边，斜翻边指与柱状织物侧面不垂直的翻边。

上述2.5D编织结构同步异向立体织物包括外翻边和侧面和/或顶部，具体有整体性好、结构均匀紧密、力学性能优异等优势，可更好地满足航空航天领域的需求。

2.5D编织结构同步异向立体织物包括经向纤维系统和纬向纤维系统，且经向纤维系统和纬向纤维系统相互交织成角联锁结构。这样增加了三维编织纤维相互之间交织点、工艺参数可控和结构均匀。

上述2.5D编织结构同步异向立体织物的制备方法，2.5D编织结构同步异向立体织物的编织以芯模为内芯进行编织，且采用2.5D浅交弯联编织单元结构。

本申请上述方法可实现形状复杂织物的整体成型；所制备的织物单元结构完整、纤维连续性好；织物成型过程中完整单元结构具有设计性强；纤维相互之间交织点多，单元结构变化的自由度小，结构工艺参数设计受单元结构变化影响因素小，工艺参数可控，结构均匀性好；利用本申请立体织物所制得的复合材料具有结构紧密、整体性好、力学性能优良等特点。

为了进一步提高织物的结构紧密、整体性好和力学性能，若封顶则顶部采用铺纱、衬纬方法完成顶部的铺顶编织，侧面和外翻边采用同步异向成型方法编织；若不封顶则采用直接挂经向纤维再引入纬向纤维编织柱状织物的侧面，再采用同步异向成型方法编织外翻边。

若封顶则将铺顶编织完成后，依次进行如下步骤：a、将顶面的经纬向纤维向下翻转90度，引出与顶面相垂直的侧面织物的经向纤维，进行同步成型、编织方向改变，将经向纤维和纬向纤维相交织形成侧面织物；b、将侧面织物的经向纤维向外翻转0-90度，作为外翻边的经向纤维，进行同步成型、编织方向改变，将经向纤维和纬向纤维相交织形成外翻边；若不封顶则采用直接挂经向纤维再引入纬向纤维编织完柱状织物的侧面，再将侧面织物的经向纤维向外翻转0-90度，作为外翻边的经向纤维，进行同步成型、编织方向改变，将经向纤维和纬向纤维相交织形成外翻边。

上述可根据外翻边尺寸的变化，设计多点加经向纤维技术，实现外翻边的编织。

为了提高所得织物的适应性，2.5D编织结构同步异向立体织物的侧面为圆柱状，外翻边为直翻边，直翻边的形状为圆型，直翻边加经向纤维数量根据圆周内外周长差和经向纤维密度进行计算，每编织两纬需要加一次经向纤维，直翻边加经向纤维数量公式为：

m＝(C₁-C₂)×P_j(1)

式中：m为加经向纤维数量；C1为外圆周周长、C2为内圆周周长；P_j为经向纤维密度。

作为本申请的另一种技术方案，2.5D编织结构同步异向立体织物的侧面为圆柱状，外翻边为斜翻边，斜翻边的形状为椭圆型，斜翻边加经向纤维数量根据椭圆内外周长差值和经向纤维密度进行计算，每编织两纬需要加一次经向纤维，椭圆周长公式为：

$P=2\mathrm{\πa}(1-\frac{1}{2^2}{e}^2-\frac{1^2\·3}{2^2\·4^2}{e}^4-b_{n-1}\×\frac{2n-1}{{\left(2n\right)}^2}\×e^{2n}...)$

设 $b_1=\frac{1}{2^2},$ 通项式为： $b_n=b_{n-1}\×\frac{2n-1}{{\left(2n\right)}^2}---\left(2\right)$

式中：P为椭圆周长，a和b分别为椭圆长半轴和短半轴，e为离心率,n为≥2的自然数；

斜翻边加经向纤维数量公式为：

m＝(P₁-P₂)×P_j(3)

式中：m为加经向纤维数量；P₁为外椭圆周长、P₂为内椭圆周长；P_j为经向纤维密度。

为了便于制备，同时提高所得外翻边的紧密性和均匀性，将外翻边平分为12等分的扇形，进行加经向纤维。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

与现有技术相比，本发明2.5D编织结构同步异向立体织物的制备方法的优点在于：可实现形状较复杂织物的整体成型，满足了复杂异型构件的力学性能；所制备的织物单元结构完整、纤维连续性好、参数可控、质量稳定，加纱点无孔洞，织物拐角处纤维保持连续性，拐角处无断纱，织物表面无纤维断头，实现了复杂构件织物单胞结构完整纱线连续；织物成型过程中完整单元结构具有设计性强；本发明2.5D编织结构纤维相互之间交织点多，单元结构变化的自由度小，结构工艺参数设计受单元结构变化影响因素小，工艺参数可控，结构均匀性好；2.5D编织结构同步异向立体织物整体性好，纤维分布均匀，用其制作的复合材料力学性能和电性能优异，可广泛应用在航空航天领域；所得复合材料具有结构紧密、整体性好、力学性能优良等特点。

附图说明

图1为实施例1所得织物的结构示意图。

图2为实施例2所得织物的结构示意图。

图3为实施例3所得织物的结构示意图。

图4为实施例3加经向纤维示意图，图中，1-12表示12个不同区域。

图中箭头方向为编织方向，13为顶部，14为侧面，15为外翻边。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

2.5D编织结构同步异向立体织物，包括封顶、且底部带外翻边的柱状织物，其中，外翻边为直翻边。

经向纤维为T3003K纤维×1股，纬纱为T3003K纤维×1股，织物经密为10根/厘米，纬密为3.5根/厘米，经纱层数设计为10层(织物从顶部到侧面到翻边经密、纬密和经纱层数都一样，其它实施例也同样),织物的顶面为方形面，侧面为四方柱体，外翻边为四方柱体的每个侧面延伸出的方形，织物形状如图1所示，具体制备方法如下：

(1)所述编织结构同步异向立体织物采用2.5D浅交弯联编织单元结构，其结构包括经向纤维系统和纬向纤维系统，且经向纤维系统和纬向纤维系统相互交织成角联锁结构；

(2)织物的编织以芯模为内芯进行编织；

(3)采用铺纱、衬纬技术完成中心顶部的铺顶编织，如图1中方向a所示；

(4)完成中心顶部的铺顶编织后，采用同步异向成型技术进行立体织物侧面和翻边的编织；

(5)根据构件的特点，将铺顶平面可扩展织物的经纬向纤维向下翻转90度，如图1中方向b所示，引出与顶面相垂直的侧面织物的经向纤维，进行同步成型、编织方向改变，将经向纤维和纬向纤维相交织形成侧面织物；

(6)侧面编织完成后，继续将侧面织物的经向纤维向外翻转90度，如图1中方向c所示，作为外翻边的经向纤维，进行同步成型、编织方向改变，实现侧面向垂直拐角外翻边的转化编织，将经向纤维和纬向纤维相交织形成外翻边；

(7)完成步骤(6)的编织后，即完成了本发明所述的2.5D编织结构同步异向立体织物的编织。

实施例2：

2.5D编织结构同步异向立体织物，包括不封顶、且底部带外翻边的圆柱状织物，其中，外翻边为直翻边(环形)。

经向纤维为T3003K纤维×1股，纬纱为T3003K纤维×1股，直翻边内径为40mm,直翻边外径为80mm，经纱层数设计为10层，织物经密为10根/厘米，纬密为3.5根/厘米，织物翻边为直翻边(圆形),织物形状如图2所示，具体制备方法如下：

(1)所述编织结构同步异向立体织物采用2.5D浅交弯联编织单元结构，其结构包括经向纤维系统和纬向纤维系统，且经向纤维系统和纬向纤维系统相互交织成角联锁结构；

(2)织物的编织以芯模为内芯进行编织；

(3)采用直接挂经向纤维再引入纬向(环向)纤维完成圆柱状编织，如图2中方向d所示；

(4)完成圆柱状编织后，采用同步异向成型技术进行织物直翻边的编织，根据构件的特点，将柱状织物的经向纤维向外翻转90度，如图2中方向e所示，作为外翻边的经向纤维，进行同步成型、编织方向改变，将经向纤维和纬向纤维相交织形成外翻边；将直翻边平分为12等分的扇形，进行加经向纤维，直翻边加经向纤维数量根据圆周内外周长差和经向纤维密度进行计算，每编织两纬需要加一次经向纤维，直翻边加经向纤维数量公式为：

m＝(C₁-C₂)×P_j(1)

式中：m为加经向纤维数量；C1为外圆周周长、C2为内圆周周长；P_j为经向纤维密度；

(5)完成步骤(4)的编织后，即完成了本发明所述的2.5D编织结构同步异向立体织物的编织。

实施例3：

2.5D编织结构同步异向立体织物，包括不封顶的底部带外翻边的柱状织物，其中，外翻边为斜翻边(椭圆环形)。

经向纤维为T3003K纤维×1股，纬纱为T3003K纤维×1股，斜翻边内径为40mm,斜翻边外径为80mm，经纱层数设计为10层，织物经密为10根/厘米，纬密为3.5根/厘米，织物翻边为斜翻边(椭圆形),织物形状如图3所示，具体制备方法如下：

(1)所述编织结构同步异向立体织物采用2.5D浅交弯联编织单元结构，其结构包括经向纤维系统和纬向纤维系统，且经向纤维系统和纬向纤维系统相互交织成角联锁结构；

(2)织物的编织以芯模为内芯进行编织；

(3)采用直接挂经向纤维再引入纬向(环向)纤维完成圆柱状编织，如图3中方向f所示；

(4)完成圆柱状编织后，采用同步异向成型技术进行织物斜翻边的编织，根据构件的特点，将柱状织物的经向纤维翻转θ度，如图3中方向g所示，作为外翻边的经向纤维，进行同步成型、编织方向改变，将经向纤维和纬向纤维相交织形成外翻边；将斜翻边平分为12等分的扇形，进行加经向纤维，斜翻边加经向纤维数量根据椭圆内外周长差值和经向纤维密度进行计算，每编织两纬需要加一次经向纤维，椭圆周长公式为：

$P=2\mathrm{\πa}(1-\frac{1}{2^2}{e}^2-\frac{1^2\·3}{2^2\·4^2}{e}^4-b_{n-1}\×\frac{2n-1}{{\left(2n\right)}^2}\×e^{2n}...)$

设 $b_1=\frac{1}{2^2},$ 通项式为： $b_n=b_{n-1}\×\frac{2n-1}{{\left(2n\right)}^2}---\left(2\right)$

式中：P为椭圆周长，a和b分别为椭圆长半轴和短半轴，e为离心率,n为≥2的自然数；

斜翻边加经向纤维数量公式为：

m＝(P₁-P₂)×P_j(3)

式中：m为加经向纤维数量；P₁为外椭圆周长、P₂为内椭圆周长；P_j为经向纤维密度；

(5)完成步骤(4)的编织后，即完成了本发明所述的2.5D编织结构同步异向立体织物的编织。

上述各实施例所制备的织物单元结构完整、纤维连续性好、参数可控、质量稳定，加纱点无孔洞，织物拐角处纤维保持连续性，拐角处无断纱，织物表面无纤维断头，实现了复杂构件织物单胞结构完整纱线连续；织物成型过程中完整单元结构具有设计性强；2.5D编织结构纤维相互之间交织点多，单元结构变化的自由度小，结构工艺参数设计受单元结构变化影响因素小，工艺参数可控，结构均匀性好；2.5D编织结构同步异向立体织物整体性好，纤维分布均匀，用其制作的复合材料力学性能和电性能优异。

上述各实施例中的织物力学性能的测试是以相同工艺参数的板块、并采用树脂传递模塑工艺方法(RTM)进行复合成型的力学性能的测试数据来体现的。板块的结构参数如下：

织物尺寸规格：430mm×120mm×3mm

经纱密度：10根/cm；纬纱密度：3.5根/cm；经纱层数：10层；纬纱层数：10层

经纱规格：T-3003K单股；纬纱规格：T-3003K单股

板块的力学性能如表1-2中所示：

表1弯曲性能

表2拉伸性能

Claims (6)

1.一种2.5D编织结构同步异向立体织物的制备方法，其特征在于：2.5D编织结构同步异向立体织物包括封顶或不封顶的底部带外翻边的柱状织物；

2.5D编织结构同步异向立体织物的编织以芯模为内芯进行编织，且采用2.5D浅交弯联编织单元结构；

2.5D编织结构同步异向立体织物的侧面为圆柱状，外翻边为直翻边，直翻边的形状为圆型，直翻边加经向纤维数量根据圆周内外周长差和经向纤维密度进行计算，每编织两纬需要加一次经向纤维，直翻边加经向纤维数量公式为：

m＝(C₁-C₂)×P_j(1)

式中：m为加经向纤维数量；C1为外圆周周长、C2为内圆周周长；P_j为经向纤维密度。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：2.5D编织结构同步异向立体织物包括经向纤维系统和纬向纤维系统，且经向纤维系统和纬向纤维系统相互交织成角联锁结构。

3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：若封顶则顶部采用铺纱、衬纬方法完成顶部的铺顶编织，侧面和外翻边采用同步异向成型方法编织；若不封顶则采用直接挂经向纤维再引入纬向纤维编织柱状织物的侧面，再采用同步异向成型方法编织外翻边。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：若封顶则将铺顶编织完成后，依次进行如下步骤：a、将顶面的经纬向纤维向下翻转90度，引出与顶面相垂直的侧面织物的经向纤维，进行同步成型、编织方向改变，将经向纤维和纬向纤维相交织形成侧面织物；b、将侧面织物的经向纤维向外翻转0-90度，作为外翻边的经向纤维，进行同步成型、编织方向改变，将经向纤维和纬向纤维相交织形成外翻边；若不封顶则采用直接挂经向纤维再引入纬向纤维编织完柱状织物的侧面，再将侧面织物的经向纤维向外翻转0-90度，作为外翻边的经向纤维，进行同步成型、编织方向改变，将经向纤维和纬向纤维相交织形成外翻边。

5.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：2.5D编织结构同步异向立体织物的侧面为圆柱状，外翻边为斜翻边，斜翻边的形状为椭圆型，斜翻边加经向纤维数量根据椭圆内外周长差值和经向纤维密度进行计算，每编织两纬需要加一次经向纤维，椭圆周长公式为：

$P=2\mathrm{\π}a(1-\frac{1}{2^2}{e}^2-\frac{1^2\·3}{2^2\·4^2}{e}^4-b_{n-1}\×\frac{2n-1}{{\left(2n\right)}^2}\×e^{2n}...)$

设 $b_1=\frac{1}{2^2},$ 通项式为： $b_n=b_{n-1}\×\frac{2n-1}{{\left(2n\right)}^2}---\left(2\right)$

式中：P为椭圆周长，a和b分别为椭圆长半轴和短半轴，e为离心率,n为≥2的自然数；

斜翻边加经向纤维数量公式为：

m＝(P₁-P₂)×P_j(3)

式中：m为加经向纤维数量；P₁为外椭圆周长、P₂为内椭圆周长；P_j为经向纤维密度。

6.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：将外翻边平分为12等分的扇形，进行加经向纤维。