CN101713115A - 一种点阵增强三维正交机织复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种点阵增强三维正交机织复合材料，包括碳纤维纱交织形成的点阵框架结构(1)以及玻璃纤维纱交织成的主体结构(2)。由X方向的碳纤维经纱系统(3)、Y方向的碳纤维纬纱系统(4)以及Z向的捆绑纱系统(5)交织形成一个碳纤维结点(6)，结点的规律性排列形成了稳定的点阵结构。框架内部采用玻璃纤维纱进行规律性交织，形成主体结构。该结构加强了三维正交复合材料的承载能力，大幅度的提高弯曲刚度和抗疲劳强度，减轻自量，为该材料的大型化、高性能发展提供了保障。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种点阵增强三维正交机织复合材料，属于三维机织复合材料结构设计技术领域。该复合材料的开发为三维复合材料向大型化、高性能、低成本方向发展奠定了基础，可用于大型风机叶片、大型板材等领域。
背景技术
三维正交结构增强材料中纤维是完全成直线状无卷曲的，充分利用了纤维的强度和刚度，同时，捆绑纱线改善了复合材料的断裂韧性与破坏容差，加强了各方向的力学性能的同时避免了铺层结构易分层的缺陷。但随着大型三维结构复合材料体积不断增大，玻璃纤维复合材料由于刚度较低，在生产应用中逐渐显现出性能方面的不足，单纯的玻璃纤维增强材料已经很难满足大型复合材料对强度和刚度的要求。因此，有效的办法是采用一些高强度、高模量的先进纤维材料(如碳纤维、芳纶等)进行加强。
根据大型三维正交复合材料的力学性能、质量以及成本方面综合考虑，本专利采用一定比例的玻璃纤维与碳纤维混杂织造正交结构增强材料，使碳纤维在材料中形成点阵结构骨架，充分发挥其高强轻质的优点，可有效地提高材料的承载能力，大幅度的提高弯曲刚度和抗疲劳强度，减轻自量，达到整体优化的目的。
专利200520018548.5和200710021397.2涉及到两种点阵增强的夹层结构材料；专利200510069318.6涉及到一种多个栅板胶结镶嵌形成的平面点阵栅格板。关于采用点阵结构增强正交结构复合材料的相关专利还未见报道。
发明内容
本发明主要解决的问题是采用碳纤维交织成点阵结构骨架，对玻璃纤维三维正交复合材料进行增强，充分发挥碳纤维和玻璃纤维的力学性能，从而提高三维整体复合材料的整体力学性能。
为解决以上问题，本发明在正交结构玻璃纤维复合材料基础上，通过在织造过程中规律性地掺杂适量碳纤维束。在X、Y方向，碳纤维束和玻璃纤维束按一定顺序排列(玻/碳比例可适当调整)，Z方向的捆绑纱在使用中受力较小，可完全采用玻璃纤维。具体如下：
1、由碳纤维经纱束(3)、碳纤维纬纱束(4)以及捆绑纱(5)交织形成一个碳纤维结点(6)，结点的规律性排列形成了稳定的点阵结构框架。玻璃纤维填充于碳纤维束形成的框架结构中，并与框架结构形成一个整体正交结构。
2、本发明采用机织成型，在织造过程中，X方向的经纱按规律排列好后通过开口机构形成多层开口；在Y方向上，采用多剑杆引纬，由选纬机构完成纬纱的规律排列；Z向的捆绑纱线由综框带动完成织造过程。
本发明与其他类型的正交结构复合材料的不同之处在于采用碳纤维束形成的点阵结构骨架加强了正交结构的整体力学性能，突破了复合材料不能生产大型化构件的限制。而且采用多剑杆织机进行织造，生产效率高。
附图说明
图1为点阵增强三维正交机织复合材料的单元结构
图2为点阵增强三维正交机织物结构示意图
图3为点阵增强三维正交机织物织造原理图
具体实施方式
下面结合附图对点阵增强三维正交机织复合材料的具体实施方式进行说明。
结合附图1，该图为点阵增强三维正交机织复合材料的一个单元框架，由X方向的碳纤维经纱系统(3)、Y方向的碳纤维纬纱系统(4)以及Z向的捆绑纱系统(5)交织形成一个碳纤维结点(6)，该单元中的四个结点的规律性排列形成了稳定的点阵框架结构。框架内部采用玻璃纤维纱进行规律性交织，形成主体结构。
结合附图2，该图为点阵增强正交机织物结构示意图，碳纤维纬纱(7)呈束状规律地排列于玻璃纤维纬纱(8)之中，碳纤维经纱(9)与玻璃纤维经纱(10)也采取相同的排列方式，从而形成点阵结构，然后由玻璃纤维捆绑纱(11)将经纬纱捆绑成一个整体。另外，碳纤维束与玻璃纤维束的排列比例可根据实际情况进行调节，以达到经济实用的目的。
结合附图3，该图为点阵增强正交机织复合材料织造原理图，经纱通过被动送经系统后，在开口机构(12)的作用下形成不变的多层梭口，捆绑纱通过主动送经系统后在综框(13)的带动下进行交织，达到捆绑经纬纱的目的，纬纱采用多剑杆引纬系统(14)，供纬系统按玻璃纤维束与碳纤维束的排列规律进行供纬。
本发明与普通三维正交复合材料相比，采用了稳定的点阵结构，在加强了整体力学性能的同时，又减轻复合材料的自重，并考虑了材料的成本问题，为复合材料向大型化、轻质化发展奠定了基础。而且可采用三维织机进行织造，保证了生产效率。
Claims (3)
1.一种点阵增强三维正交机织复合材料，包括碳纤维束形成的点阵骨架结构(1)以及玻璃纤维束织造成的主体结构(2)。由经纱束(3)、纬纱束(4)以及捆绑纱(5)交织形成一个碳纤维结点(6)，结点的规律性排列形成了稳定的点阵骨架结构。
2.根据权利要求1所述的点阵增强三维正交机织复合材料，其特征在于采用点阵结构增强了正交结构复合材料的整体力学性能。
3.根据权利要求1所述的点阵增强三维正交机织复合材料，其特征在于采用多剑杆织机成型，而且可根据不同的结构性能要求对碳纤维框架结构进行设计。
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