CN101473078A - 用于复合材料部件的具有复缎编织的增强纤维结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过使用缎型编织或复缎型编织的多层三维编织形成的用于复合材料部件的增强纤维结构。所述结构包含至少三个由经纱C交织的纬纱层T，每根经纱交替卡住第一纬纱层的n根中的一根纬纱和在邻近第一纬纱层的第二纬纱层的n根中的一根纬纱，数字n为不小于3的整数。经纱通道类似且在经向上偏移。

Description

用于复合材料部件的具有复缎编织的增强纤维结构
发明背景
本发明涉及制造复合材料部件，更特别地涉及制造用于此类部件的增强纤维结构。
本发明的应用领域为由包含纤维增强材料和树脂基体的复合材料制造结构部件的领域。这种部件用于非常众多的领域，特别是用于航空领域。通过任何已知方式，用树脂基体将增强纤维结构密实化，例如通过树脂传递模塑(RTM)。
本发明的另一个应用领域为由热结构复合材料制造部件，即由具有使材料能够构成结构元件的机械性能并具有在高温下保持那些性能的能力的材料制造部件。热结构复合材料通常为具有由碳基体密实化的碳增强材料的碳/碳(C/C)复合材料，和具有由陶瓷基体密实化的耐火纤维增强材料(碳纤维或陶瓷纤维)的陶瓷基复合材料(CMC)。由热结构复合材料制得的部件特别用于航空和航天领域。能通过化学气相渗透(CVI)或通过液体技术，用构成材料的基体将增强纤维结构密实化，正如公知的那样。通过液体技术的密实化在于用含有构成基体的材料的前体的液体组合物(通常为树脂)浸渍纤维结构，且所述前体通过热处理转化。
对于具有一定厚度的复合材料部件，已知将增强纤维结构制造成为多个相互粘结的重叠层以避免层分离。
因此已提出(例如在文献US 4 848 414和EP 1 526 285中)通过使用经纱的三维编织制造增强结构，所述经纱与属于多个相邻的纬纱层的纬纱交织。
US 5 102 725也公开了具有局部三维的缎型编织的增强纤维结构。所述纤维结构由两个在特定点交织的纬纱层构成，在该特定点上第一经纱交替卡住第一纬纱层的四根纱中的一根纱和第二纬纱层的八根纱中的一根纱。使用传统缎型三维编织也将第二纬纱层的纬纱与第二经纱编织在一起，两根经纱主要在两个纬纱层之间延伸。在第二纬纱层，相同的纬纱由第一和第二经纱卡住，从而产生表面不规则。此外，所述的两个经纱都在两个纬纱层之间延伸的编织技术特别适于制造具有局限于两个纬纱层的厚度的纤维结构。
当制造此类用于复合材料部件的增强纤维结构时，需要考虑各个方面。
因此，所述三维编织必须提供令人满意的层间交织以反抗层离，但不能影响与层平面平行方向上的机械行为。
另外，对于显示光滑表面态的复合材料部件，需要避免显示大的表面不规则的增强纤维结构，所述增强纤维结构要求另外的操作以消除这种不规则，例如在最初密实化阶段或固结阶段之后，在结束密实化之前的如修整表面或在表面上添加二维层(例如布层)的操作。
本发明的目标和概述
本发明的一个目标是提供至少部分由三维编织制成并显示上述限制因素之间的良好折衷的增强纤维结构。
根据本发明，该目标通过如下事实实现：三维编织为使用缎型编织或复缎编织的多层编织，所述三维编织包含：
·至少第一纬纱层、第二纬纱层，和第三纬纱层；
·第一组经纱，每根经纱交替卡住第一经纱层的n根经纱中的一根经纱和邻近第一经纱层的第二经纱层的n根经纱中的一根经纱；和
·第二组经纱，每根经纱交替卡住第二纬纱层的n根纬纱中的一根纬纱和邻近第二纬纱层的第三纬纱层的n根纬纱中的一根纬纱；
·沿着类似通道的两组经纱，所述通道在经向上彼此偏移，从而在给定纬纱平面内，由第一组经纱卡住第二纬纱层的纱与由第二组经纱卡住的第二纬纱层的纱不同；和
·数字n为不小于3的整数。
优选地，n不小于5。
复缎编织的使用显示多个优势。
首先，在经向，在交织纬纱层时，缎织的机械行为被保持。
另外，缎型编织使布保持良好的可变形性程度，以使布与非平面的形状匹配。
对于具有内部结构或芯和邻近纤维结构外表面的外部结构或皮的纤维结构，芯有利地至少部分由这种复缎编织制成。
然后能通过二维编织形成皮。皮的编织可使用缎型编织，有助于得到光滑的表面外观，从而皮中的缎间距有利地等于在邻近皮的纤维结构的芯部分中的缎间距。在一个变体中，可用平织编织皮，从而使得在进行CVI密实化时，气体能够容易地穿过皮。
通过例如通过使用分别不同的间距的复缎编织形成两个芯部分，可能使得复缎编织在纤维结构的芯内变化。
根据所述纤维结构的特征，用由不连续纤维制得的纱编织芯，而用由长丝制得的纱编织皮。由不连续纤维制得的纱在芯内的使用使得可能通过将纤维发胀来细分芯内的孔，而在皮中使用由长丝制得的纱促使在CVI密实化过程中气体进入和无显著不规则的表面态。因此有可能降低芯皮间的CVI密实化梯度。
根据所述纤维结构的另一个特征，经结构和纬结构的至少一个在纤维结构的厚度内变化。所述结构可在芯和皮之间的每单位长度的纱数减小的方向上变化，由此在CVI密实化过程中增加气体进入纤维结构的芯。
根据所述纤维结构的另一个特征，使用具有不同化学性质的纱制造纤维结构的各个部分，特别是为了给予它们特定的所需性能，特别是抗氧化性或耐磨性。
根据所述纤维结构的再一个特征，用于编织的纱显示在纤维结构内变化的纱支数。特别地，所述纱从纤维结构的芯部分到皮部分可变得更精细，从而便于在CVI密实化过程中气体进入芯。
附图说明
下面参照附图非限制地描述本发明的具体实施方案，其中：
·图1表示双罗纹组织型三维编织的现有技术；
·图2表示通过缎型多层编织获得的纤维结构编织的平面；
·图3表示在本发明的具体实施方案中通过使用复缎编织的多层编织获得的纤维结构编织的平面；
·图4A至4P表示在本发明的另一个具体实施方案中纤维结构编织的连续平面，所述纤维结构的芯内为复缎编织，皮内为缎织的二维编织；以及
图5A至5L表示在本发明的另一个具体实施方案中纤维结构编织的连续平面，所述纤维结构具有结合芯内的两种不同的复缎编织和皮内的使用平织的二维编织的编织。
定义
本文使用的术语“二维编织”或“2D编织”是指传统编织技术，在该技术中，每根经纱由单个纬纱层中的纱的一面穿至另一面。
本文使用的术语“三维编织”或“3D编织”是指一种编织技术，在该技术中，至少一些经纱与多个经纱层的经纱交织。
本文使用的术语“双罗纹组织编织”是指其中每个经纱层与多个纬纱层交织且给定经列的所有纱在编织平面内具有相同的移动的3D编织。图1为双罗纹组织编织的八个平面中的一个平面的视图，所述双罗纹组织编织具有七个经纱层和八个纬纱层。在所示的双罗纹组织编织中，一个纬纱层T由两个相邻的在经向上彼此偏移的纬纱半层t构成。因此16个纬纱半层以交错构型定位，每根经纱与三个纬纱层交织。纬纱也可能具有不是交错构型的定位，两个相邻层的纬纱在相同列中对齐。
本文使用的术语“多层编织”是指具有多个纬纱层的3D编织，每层的基本编织相当于传统2D编织，但具有纬纱层彼此交织的编织的一定的交织点。
本文使用的术语“结构”是指纬向和经向上每单位长度的纱数，这样低支数(或松散)结构意指具有更少的纱，因此与具有高支数的结构(即致密结构)相比，这种布更松散。
本文传统使用的术语“长丝”是指与直径相比具有非常大的长度的纤维单元。因此，在构成用于复合材料部件的预制件并使用长丝制得的增强结构的例子中，至少绝大多数的长丝在预制件内连续延伸，仅在预制件的几何边界中断。非天然的长丝通常通过纺丝合成材料，有可能接着通过一种或多种物理-化学操作(拉伸、上油、热处理，……)获得。
通过将加捻和未加捻的长丝并排组装在一起来制造由长丝组成的纱，或复丝纱。
本文传统使用的术语“不连续纤维”是指具有非天然纤维的纤维单元，该纤维单元通过切割或牵切长丝制造。不连续纤维或短纤维通常具有几毫米至几十毫米的长度。
通过组装不连续纤维制造由不连续纤维组成的纱或纤维纱，所述组装通过加捻或通过包芯进行，其中包芯在于通过将包芯纱围绕在可不加捻或轻微加捻的一组不连续纤维周围来赋予内聚。
贯穿说明书和在所有的附图中，按照惯例并为了便利的原因，仅提及和显示偏离通道以卡住纬纱层或多个纬纱层的纬纱的那些经纱。尽管如此，经纱和纬纱的角色能够转换，且认为这种转换为权利要求所覆盖。
本发明具体实施方案的详细描述
本发明的应用领域为制造适于构成纤维增强或预制件的纤维结构(所述纤维结构用于制造复合材料部件)的领域，所述部件通过用基体密实化纤维结构获得。所述基体可为在通常至多300℃的相对较低温度下使用的用于复合材料的树脂，或可为如用于热结构复合材料的碳或陶瓷的耐火材料。
通过3D编织制造纤维结构使得可能在单个纺织操作中获得层间交织，并因此得到纤维结构和显示非常好的机械行为的所得复合材料部件。
图2显示缎型交织的纬纱层T(所述纬纱不以交错构型放置)的多层3D编织的平面。
每根经纱在纬纱层上周期性地偏离其通道，交替地卡住该纬纱层的纬纱并将所述纬纱层的纬纱与位于下面邻近纬纱层的相同列内的纬纱结合在一起。这样形成传统的单面缎交织点PS1，其与双面缎交织点PS2交替，从而将两个相邻纬纱层的纱抱合在一起，并因此提供纬纱层之间的交织。
尽管如此，缎交织点PS2与交叉的纬纱构成奇异点，由此产生纤维结构中的显著的不规则，所述不规则会影响通过密实化此类纤维结构而得到的部件的机械行为。当所用的纱显示相当程度的韧性时(例如陶瓷纱或小支数纱)，这个缺点特别明显。从而难以在PS2点赋予不会扰乱纬纱排列的形变。
这就是本发明致力于提供具有特定缎型编织或“复缎”编织的多层3D编织，其可避免这种缺点。
图3显示了本发明的“复缎”编织平面。
所述“复缎”编织平面包含至少三个纬纱层T(在所示的实施例中有七层)以及经纱C，每根经纱主要在两个分别的相邻纬纱层之间延伸。
每根经纱在一个方向和另一个方向上交替偏离以交替地卡住第一纬纱层的n根纬纱中的一根纬纱和邻近第一纬纱层的第二纬纱层的n根纬纱中的一根纬纱，其中n为不小于3的整数，由此提供在这两个层之间的交织。
由于对于所有的经纱，数字n相同，所有纬纱的行程和移动都类似，且同时在连续纬纱之间在经向上偏移，从而使得由经纱卡住的给定纬纱层的特定纱不同。
在这种复缎编织中，本文使用的术语“间距”是指给定经纱的两个PS缎点之间的间隔，所述间隔测定为纬列数目。在图3的实施例中，间距在6和10之间变化，得到平均间距为8，即n/2。
由给定经纱在第一纬纱层中卡住的纱和在第二纱层中卡住的纱位于不同纬纱列中，所述纬纱列优选不相邻以避免经纱所沿的通道过于弯曲(这会产生不规则)。因此，数字n有利地不小于5以使得该条件更容易被满足。
类似的经纱的行程和移动在复缎编织的所有平面内都相同。
与具有图1所示类型的现有技术双罗纹组织编织相比，复缎编织使得可能在经向上保持良好的机械性能并保持更规则的表面外观。
另外，所述纤维结构显示很少的经纱收缩并显示能使其与非平面的形状匹配的可变形性。
对于具有内部结构或芯和邻近纤维结构的外表面的外部结构或皮的纤维结构，可通过用不同于芯的织法的编织制造皮，例如通过平纹型、缎型或斜纹型二维编织以在表面“闭合”编织，其中缎型编织也产生光滑表面外观。能在纤维结构的外表面实现皮中编织的变化以赋予所需的特定性能，例如通过由提高紧密交织的平纹型编织变化至提高光滑表面态的缎型编织。
当纤维结构用于制造具有通过化学气相渗透(CVI)获得的基体的复合材料部件时，在部件内获得尽可能小的不均匀的机械性能，从而提高具有在纤维结构的芯和其皮之间尽可能小的密实化梯度的CVI密实化也是有利的。
为此，用由不连续纤维制成的纱预先编织芯，从而通过纤维发胀促进所述芯的孔的细分，并从而促进反应气体进入。可能使用由基本上不加捻的不连续纤维制成的纱，由包芯纱提供内聚。所述包芯纱有利地由牺牲材料(该牺牲材料在编织后去除)制成，由此使得编织结构的孔被细分并有助于降低CVI密实化梯度。这种由不连续纤维制得的具有牺牲包芯纱的纱在文献EP 0 489 637中描述。
促进在密实化之后获得无不规则的表面态(即良好的完成态)以避免或限制机器修饰操作也是有利的。
能通过用由长丝制成的纱的编织制造皮，以避免不连续纤维的发胀。
仍然为了增加反应气体的进入，可用与芯中相比较显示小支数的经纱和/或纬纱结构制造皮。
改变用于编织纤维结构的纱的支数是合意的，特别是通过使用在芯中和皮中和/或经纱和纬纱之间具有不同支数的纱。当通过CVI进行密实化时，使用在芯和皮之间具有增加的精细度的纱会促进气体穿过皮进入芯。因此能选择所述纱的支数以获得在合意界限内的经纱纤维的体积分数与纬纱纤维的体积分数之间的比率。
也可能通过编织具有分别不同的复缎编织的芯的不同部分来变化芯内的复缎编织。
也可能使编织沿外表面在皮内变化。
根据应用目的来选择纱的化学性质。在纤维结构的不同部分之间(特别是在芯部分和皮部分之间)使用具有不同化学性质的纱以赋予所得复合材料部件特定的机械性能(特别是抗氧化性或耐磨性)是合意的。
因此，对于具有耐火纤维增强材料的热结构材料复合材料部件，可能在芯内使用具有碳纤维的纤维结构并在皮内使用陶瓷纤维(例如碳化硅(SiC)纤维)以增加复合材料部件的所述皮部分的耐磨性。
本发明纤维结构的两个具体实施方案描述如下。在这两个实施例中，在Jacquard型织布机上进行编织。
实施例1
图4A至4P显示纤维结构编织10的连续平面，所述纤维结构编织通过在芯内使用复缎三维编织且在皮14、16内使用二维编织的3D编织获得。
使用具有间距为8的复缎编织完成芯的编织，且使用间距也为8的缎织完成皮的编织。
可见到缎交织点形成规则的并在连续编织平面内分布的图案，而在列或深度方向(由一个编织平面至另一个编织平面)无任何的显著对齐。
纤维结构10包含纬纱T1至T5的五个层。在位于相对的皮14和16之间的芯12中，使用由不连续碳纤维制成的纱进行复缎编织，所述纱通过牺牲材料的包芯纱抱合在一起(如EP 0 489 637所描述)，并在每个层内具有10/10结构(在纬向和经向上每厘米十根纱)。举例而言，包芯纱由可溶性聚合物(如聚乙烯醇)制成，或由能通过热处理去除而不影响纤维的碳的聚合物(如聚乙烯或聚乙酸乙烯酯)制成。在皮14和16中，使用由碳长丝制成并具有10/10结构的纱编织缎织。与缎织交织的编织仅涉及纬纱层T1和T5。可见芯的复缎编织一直延伸至皮的纬纱层以将这些层与芯层交织。
自然地，在变体具体实施方案中，用于编织芯和编织皮的纱都能具有相同的类型，即它们都能由不连续纤维制成或由长丝制成。
实施例2
图5A至5L显示包含U1至U12的12个纬纱层的结构20的连续平面，所述结构通过多层3D编织获得。下表总结了所用的编织和3D编织结构，在结构20中的编织变化为对中平面对称，皮24、26位于芯22的两边。某些纬纱层所具有的纬纱数目不同于其他层的数目，造成纬纱结构变化。
 
纬纱层 多层编织 结构
U1 平织 6.6/6.6
U2 复-平织 6.6/6.6
U3 复5-缎 8/8
U4 复5-缎 8/8
U5 复6-缎 10/10
U6 复6-缎 10/10
U7 复6-缎 10/10
U8 复6-缎 10/10
U9 复5-缎 8/8
U10 复5-缎 8/8
U11 复平织 6.6/6.6
U12 复平织 6.6/6.6
在该实施例中，复缎编织和结构在芯和皮之间变化。可见编织和结构的变化是稍微渐进的，其在层U5至U8的6-缎和皮平织之间采用纬纱层U3、U4和U9、U10的5-缎，由此避免芯和皮之间过于急剧的不连续性。
在变体中，可能使用斜纹型编织用于皮的复织。

Claims (14)

1、一种用于复合材料部件的增强纤维结构，所述增强纤维结构至少部分通过使用缎型编织或使用复缎型编织的多层三维编织形成，所述增强纤维结构包含：
·至少第一纬纱层、第二纬纱层，和第三纬纱层；
·第一组经纱，每根经纱交替卡住第一经纱层的n根经纱中的一根经纱和邻近第一经纱层的第二经纱层的n根经纱中的一根经纱；和
·第二组经纱，每根经纱交替卡住第二纬纱层的n根纬纱中的一根纬纱和邻近第二纬纱层的第三纬纱层的n根纬纱中的一根纬纱；
·沿着类似通道的两组经纱，所述通道在经向上彼此偏移，从而在给定纬纱平面内，由第一组经纱卡住的第二纬纱层的纱与由第二组经纱卡住的第二纬纱层的纱不同；和
·数字n为不小于3的整数。
2、根据权利要求1所述的纤维结构，其中n不小于5。
3、根据权利要求1或2所述的纤维结构，所述纤维结构具有内部结构或芯和邻近纤维结构外表面的外部结构或皮，其中所述芯至少部分通过所述复缎编织形成。
4、根据权利要求3所述的纤维结构，其中所述皮通过二维编织形成。
5、根据权利要求4所述的纤维结构，其中皮的编织具有缎型编织。
6、根据权利要求5所述的纤维结构，其中皮内的缎间距等于邻近皮的芯部分内的缎间距。
7、根据权利要求3至6任一项所述的纤维结构，其中所述芯至少具有通过使用分别不同的第一缎间距和第二段间距的复缎编织形成的第一部分和第二部分。
8、根据权利要求3至7任一项所述的纤维结构，其中所述芯至少部分使用由不连续纤维制成的纱编织，所述皮使用由长丝制成的纱编织。
9、根据权利要求1至8任一项所述的纤维结构，其中经纱结构和纬纱结构的至少一个在纤维结构的厚度内变化。
10、根据权利要求9所述的纤维结构，其中所述结构在由芯至皮的减小方向上变化。
11、根据权利要求1至10任一项所述的纤维结构，其中纤维结构的不同部分使用具有不同化学性质的纱制造。
12、根据权利要求1至11任一项所述的纤维结构，其中用于编织的纱显示在纤维结构内变化的纱支数。
13、一种具有根据权利要求1至12任一项所述的增强纤维结构的由基体密实化的复合材料部件。
14、根据权利要求13所述的由具有基体的热结构复合材料制成的部件，所述基体至少部分通过化学气相渗透形成。
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