CN101811365B - 2.5维编织回转体复合材料成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种2.5维编织回转体复合材料成型方法，属制造成型技术领域。包括以下过程：(1)利用由至少4台简易编织方机采用放射性加纱法进行编织；(2)对横截面变化的织物由小端向大端编织；根据模具直径的不同变化，在纬纱圆周方向均匀挂上经纱；(3)将回转体织物竖直放置于模具中；(4)进行从下而上多通道注胶；并实时监测注胶压力，保证注胶加载稳定；(5)通过出胶口兼观察口判断注胶完成；(6)封闭最后一个出胶口，进行模腔保压；(7)固化后处理。该方法及相应的成型设备成本低廉，操作简便，复合快捷，胶液注射均匀，压力可调，树脂体系多样，成品质量良好。

Description

2.5维编织回转体复合材料成型方法

技术领域

本发明涉及一种2.5D(维)编织回转体复合材料成型方法，包括织物编织和复合成型，属制造成型技术领域。

背景技术

随着复合材料在航空、航天等领域的广泛运用，对于回转体结构件的需求不断增加，例如火箭喷管、喷气发动机的喉管、火箭头与排气管等重要机件。

对于圆管状、圆锥状和圆台状的回转体织物可以采用三维机织和三维编织的纺织方法实现。目前，采用三维机织方法织造回转体立体织物的技术主要是法国布罗彻于1972年发明的“全自动织造机”设备，并于1986年完成BR900型和BR2000型全自动设备的设计和安装。其织造原理是采用酚醛泡沫塑料芯，保证其外形和圆管织物的内孔形状一致。径向棒由酚醛和碳纤维复合制成的刚性棒，用它插入塑料芯的半径方向，并在塑料芯圆柱面上排成单头等螺距的螺旋线。周向纱喂入径向棒形成的螺旋形通道中。几根周向纱同时喂入通道，形成螺旋形卷绕。径向棒的周向间距相等，把塑料芯的圆周分成若干等分，相邻两排径向棒形成一个梯形通道。轴向纱喂入梯形通道内，每次同时喂入几根周向纱，随着梯形通道的宽度增加，喂入的周向纱根数也增加。轴向纱和周向纱交替喂入梯形通道和螺旋形通道内，形成圆管形织物。

采用该技术已生产了上百只三维碳纤维织物产品，大量运用于法国和美国的火箭发动机上的整体型进气喉管和排气锥形管。由于该织造技术是由法国原子能委员会资助，主要用于航天和原子能设备中，所以该设备造价昂贵，维护困难，应用领域单一，不能满足当前复合材料工业生产高性能、低成本复合材料的要求。

采用三维编织的方法也可以形成回转体形状的立体织物，其中四步法和两步法使用较多。四步法圆形编织其原理为主体携纱器按周向和径向排成的主体纱阵，其中半径方向的携纱器数称为层数，圆周方向的携纱器数称为列数。附加携纱器间隔排列在主体纱的外围。每一携纱器上携带一根编织纱线。编织过程由行和列的四步间歇运动实现：第一步，相邻列的携纱器以相反的方向在径向移动一个携纱器的位置；第二步，相邻层的携纱器以相反的方向在周向移动一个携纱器的位置；第三步，各列携纱器的运动方向与第一步的相反；第四步，各层携纱器的运动方向与第二步的相反。经过四步运动，完成一个机器循环。在一个机器循环中获得的预成型件长度定义为花节长度，重复上述编织步骤，纱线将相互交织而形成一定长度的圆管形预成型件。两步法是将所有纱线分成固定不动的纱线和编织纱线两组。其中固定不动的纱线以立体织物的轴向，在编织物内基本成为一条直线，并按编织物的横截面分布。编织纱线以一定式样在固定纱线之间运动束紧固定纱线，形成圆管形预制件。该方法的具体步骤为：第一步，一根编织纱线从最里层运动到最外层，左右相邻两根编织纱线从最外层运动到最里层；第二步，在第一步从最里层运动到最外层的纱线在第二步中从最外层运动到最里层，在第一步中从最外层运动到最里层的纱线在第二步中从最里层运动到最外层，完成一个编织循环。

三维编织技术在工艺上的突出特点是能够按照零件的形状和尺寸大小直接编织出回转体复合材料预制件，但由于其织造受到编织机尺寸的限制，目前大多数工业编织机仅能生产小截面(宽度小于100mm)的预制件，而且配套设备占地面积大，成本较高。

2.5D(维)编织织物具有成型速度快，可设计性强，织物整体性好，仿形精度高等特点。使用2.5D(维)编织织物作为增强体的复合材料具有质轻、高强度、高模量以及优异的抗破损等优点，被广泛地应用于航天、航空领域，特别是军工武器领域方面。采用2.5D(维)编织技术织造回转体织物能够有效地弥补三维机织和三维编织技术在织造异形结构织物中的不足，并且织造出的预制件其具有较好的综合性能和较高的性价比，较好的满足了当前国际复材料领域对高性能复合材料制造低成本化的需求，受到了普遍关注。

目前，回转体复合材料的主要成型方法有RTM和RFI两种方法。

RTM(Resin Transfer Molding)即树脂传递膜塑工艺，其主要原理是采用注射设备将专用注射树脂(按一定比例配方的不饱和聚脂、催化剂、促进剂的混合物)注入闭合模腔，在模具的型腔里预先放置增强材料预制件，模具周边被紧固和密封，并事先设计又注射及排气系统以保证树脂通畅流动和模腔内气体的顺利排出，使树脂能充分得浸润纤维。模具还需要又加热系统以进行加热固化，最后脱模经抛光、打磨得到复合材料成品。其工艺原理详见文献《树脂传递模塑(RTM)工艺的发展及应用》航天工艺曹运红1998，(3)：48-51。

RTM工艺具有污染小、成型效率高、成品孔隙率低等优点，已广泛使用于建筑、交通、电讯、卫生、航空、航天等领域。但RTM工艺也有以下几点不足：1、传统的RTM成型工艺需要一系列的配套设备予以支持，这些设备包括注射系统、电热式加热器、钢模具、液压机、温度控制系统、真空泵、压力容器等，整套RTM设备配套成本高、占地面积大、维护保养困难；2、由于树脂混合物在泵内经混合后产生化学反应，注射完成后胶液固化使得混合头报废，经常更换成本很高；3、模具密封困难(详见文献《谈RTM技术推广的局限性》玻璃钢/复合材料翟继业等1997，(4)：38)；4、制品纤维体积含量低，大面积结构复杂的模腔内树脂流动不均衡，气泡缺陷不易排除等(详见文献《RTM工艺国内外研究现状》玻璃钢/复合材料段华军等2000，(5)：46)。

传统的RTM工艺是针对板块状层合复合材料研制的，随着立体织物的出现，由于其微观结构较板块状层合复合材料复杂，采用传统的RTM工艺已不能满足立体织物的成型要求，尤其对于回转体等复杂形状的复合材料构件。传统RTM工艺在制备板块状层合复合材料时树脂的注射方式是水平方向，即沿着板块的长度或者宽度方向，由于层合复合材料预制件是采用叠加铺放的方式组成的，胶液可以在每层之间顺畅流动，所以水平方向的注胶方式可以满足预制件充分浸润的要求。但对于回转体立体织物，回转体预制件复杂的空间结构以及内部各部分不同的渗透率使得水平注射方式不能充分浸润预制件，复合成型的试验件常出现有气泡和干斑的现象。

RFI(Resin Flim Infusion)即树脂膜熔渗工艺，该工艺主要针对高粘度树脂和固体粉末树脂，将预先制备好的树脂膜铺放在涂有脱模剂的低模上，将树脂的厚度由完全渗透和浸湿预制件所需的树脂数量所决定；将干的预制件铺放在树脂膜上，然后依次放置多孔隔板、吸胶材料和透气材料等；按照真空成型工艺的特点将模腔封装，与热环境下采用真空技术将树脂沿着预制件厚度方向抽吸，树脂膜受热后黏度降低，逐渐填满整个预制件空间，随即按照固化工艺制成复合材料成品。其工艺原理详见文献《树脂膜熔渗(RFI)工艺及其发展现状》中国胶粘剂曹魏等2008，17(3)：41-46。

RFI工艺免去了RTM工艺所需的树脂混合注射设备以及双面模具的加工，无需制备预浸料，具有成型压力低、树脂传递行程短和劳动强度低等特点。RFI工艺适用的树脂需满足一下要求：1、树脂基体能在室温条件下成膜，中低温固化；2、所制成的模具有良好的韧性，易弯曲而不破碎且不粘手；3、在工作温度下持续一段时间的低黏度，然后黏度随着文帝的俄升高而增长较快；4、固化温度高于熔融温度，是树脂能够充分浸润预制件；5、熔融时对纤维语之间具有良好的浸润性、浸渗能力、匹配性和粘附性，制件在受力条件下不易发生纤维和树脂间的脱落。RFI工艺的缺点有以下几个：1、由于RFI工艺对树脂体系要求过于严格导致满足RFI工艺用的树脂数量极少，从而限制了RFI工艺的发展(详见文献《树脂膜熔渗工艺(RFI)的研究现状》纤维复合材料王东，梁国正2000，35(3)：11-14；《树脂膜熔渗工艺及其数值分析方法》玻璃钢/复合材料晏石林，杨梅，谭华2004(2)：33-35)；2、RFI工艺不适合成型形状复杂的小型制件，如回转体结构。因为回转体织物在织造过程中就附着在回转体模具的芯模之上，树脂膜无法嵌入在模具和预制件之间，从而不能保证树脂在加热融化后沿着回转体的厚度方向浸润织物；3、RFI工艺的树脂用量不能精确，需采用吸胶布等材料吸除多余的树脂，存在一定的浪费现象，工艺流程复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉，操作简便的2.5D(维)编织回转体复合材料成型方法。

一种2.5D(维)编织回转体复合材料成型方法，其特征在于包括以下过程：

(1)、利用由至少4台简易编织方机组成的回转体编织机采用放射性加纱方法进行回转体织物的编织；

(2)、在回转体织物的编织过程中，对于横截面变化的织物采取由小端向大端的编织；并且根据模具直径的不同变化，在纬纱圆周方向均匀挂上经纱，以保证织物经向密度一致；

(3)、将编织好的回转体织物置于竖直放置的回转体模具中；

(4)、对织物进行从下而上的多通道形式注胶；并实时监测注射压力，保证注胶加载稳定；

(5)、在回转体模具顶部设置多个出胶口兼观察口，当其中一个或几个出胶口出现胶液溢出现象，则加以封闭，当最后一个敞开的出胶口出现胶液溢出时，则判断注胶完成；

(6)、封闭上述最后一个出胶口，并进行模腔保压；

(7)、保压结束后进行固化后处理。

该方法的回转体织物织造快捷，可设计性强。2.5D编织机由简易编织方机组成，简易编织方机设计可升降条子框架和不可升降条子框架组成，运动条子与不运动条子为一组且间隔排列，整台方机由若干组条子组成，可根据需要设定每台方机的经纱容量，每台方机经纱容量一般为40层90列(3600根经纱)，每根条子上等间距排列灯钩，灯钩间距2cm，灯钩是张力线生根的地方。根据回转体织物的经纱总数量确定单元方机的使用数量，方机数量至少4台组成多边形，经纱层列数均布在方机上。对于圆台形和圆锥形等不同横截面的编织体可采用放射性加纱的方法实现织物的编织，织物由小端向大端编织成型。

该方法的成型设备成本低廉，操作简便，复合快捷，胶液注射均匀，压力可调，树脂体系多样，成品质量良好。回转体织物采用竖直放置的方式使得树脂需要克服重力自下而上的浸润织物，该注射方式胶液流动稳定、均匀，克服了采用RTM工艺会出现气泡、干斑以及浸润不均匀的现象。本发明的成型装置可以调节芯模的尺寸来成型多种回转体复合材料，再配合不同品种的树脂可以成型不同类型的复合材料，克服了RFI工艺对树脂体系的过高要求以及无法成型回转体织物的难题。回转体模具使用多通路底座来实现对回转体织物的多通道注胶，保证了树脂在回转体复合材料半径和长度两个方向的均匀性。预先设计的多个出胶口兼观察口可以方便的判断浸胶完成与否和实时地监控胶液的流动状况，并根据具体情况予以封堵保证回转体织物能够充分浸润。

附图说明

图1是本发明的2.5D(维)编织回转体织物织造设备示意图。

图2放射性加纱方法示意图。图中圆圈表示经纱；直线表示纬线；方框区域表示加纱位置与方法。

图32.5D织物基础单元结构示意图。其中图3①为层与层浅交直联示意图；图3②为层与层浅交弯联示意图。

图4是本发明的2.5D编织回转体复合材料螺旋式树脂注射装置示意图。

图5是本发明的成型模具结构示意图。

图中标号名称：1、挂纱环，2、织物成型区，3、经纱，4、成型模具，5、操作平台，6、张力线，7、2.5D编织方机，8、框架，9、测力仪，10、螺旋加载装置，11、压力传感器，12、成型模具，13、注胶罐，14、多通路注胶底座，15、左右外模，16、芯模，17、顶盖兼出胶口，18、回转体织物。

具体实施方式

图1所示为2.5D(维)编织回转体织物织造设备示意图。简易2.5D编织机包括编织方机、操作平台、模具支架、模具等组成。首先设计回转体织物的成型模具、固定模具的工装，编织模具可设计成圆锥形、圆台形和圆管形等，模具材料可选用钢材、木材、石墨和尼龙等，这些可根据实际需要进行选择设计。利用2.5D编织机进行回转体织物的编织，2.5D编织机由简易编织方机组成，简易编织方机设计可升降条子框架和不可升降条子框架组成，运动条子与不运动条子为一组且间隔排列，整台方机由若干组条子组成，可根据需要设定每台方机的经纱容量，每台方机经纱容量一般为40层90列(3600根经纱)，每根条子上等间距排列灯钩，灯钩间距2cm，灯钩是张力线生根的地方。根据回转体织物的经纱总数量确定单元方机的使用数量，方机数量至少4台组成多边形，经纱层列数均布在方机上。为了便于成型织物的操作，操作平台设计成可调节高度的平台，利于编织工作。为了保证2.5D编织织物的整体性与一致性，设计织物的单元体结构为直交浅联和弯交浅联结构：就是多层经纱与多层纬纱按照一定规律循环交织的方式。回转体织物的基础织物结构单元可选择直交浅联(图3①)、弯交浅联(图3②)等织物结构，任何一种结构都可在简易2.5D编织机上实现。

对于圆台形和圆锥形等不同横截面的编织体可采用放射性加纱的方法实现织物的成型编织，织物由小端向大端编织成型。放射性加纱方法(如图2所示)：为了保证织物整体的均匀性，纤维体积含量一致，对于不同横截面的编织体根据模具直径的不同变化，为了保证织物经向密度一致在编织过程中，在纬纱圆周方向均匀挂上经纱，举例说明：当织物表面绕第n次纬纱时织物经纱总列数为100列，织物经纱密度为10根/cm，织物表面绕n+1次纬纱时根据织物直径变大，织物经纱总列数纬104列，经纱列数增加了4列，为了保持经纱密度不变，那么，在绕n+1纬时经纱必须增加4列，因此，在绕n+1纬时在纬纱上挂上4列经纱，4列经纱必须均布在方机上，如果4台方机，每台方机增加1列经纱，增加的经纱列数与经纱连接的张力线则挂在预先留好相应位置的方机钩子上，按照此加纱方法完成圆台或圆锥等不同横截面编织体的成型编织。

图4为回转体复合材料螺旋式树脂注射成型装置示意图，该装置包括回转体模具、与回转体模具底部相通的胶液注射装置、与胶液注射装置的注射端相连的注射压力检测装置组成；其中回转体模具底部设有多通道，顶部设有多个出胶口兼观察口。具体为：框架8、测力仪9、螺旋加载装置10、压力传感器11、成型模具12；其注射过程为螺旋加载装置10均匀加载，压力传感器11测量注射压力并由测力仪9显示，胶液从注胶罐13流进多通路注胶底座14，再自下而上的浸透织物18完成注胶。本套装置具有结构简单、生产效率高、成型工艺简单的特点。并且实验证明，经该装置复合成型的回转体试样树脂分布均匀、浸渍路线短、产品孔隙率低，纤维含量高，表面质量良好，制品整体性能优异，符合设计要求。而且，该装置组装简便、适应性广，可添加加热装置以满足不同树脂对固化温度的需求，也可调整芯模的直径来复合成型不同截面形状的回转体复合材料。另外，螺旋式的加载方式保证胶液注射过程中注射压力和注射速度的均匀和可调，由下向上的注射方式保证织物浸胶均匀、成型试件质量良好。

图5为回转体模具示意图，该模具由注胶罐13、多通路注胶底座14、左右外模15、芯模16、顶盖兼出胶口17共六部分组成，相互间以橡胶密封圈密封加以螺栓紧固，装配简单，清洗方便。使用不同形状的芯模可成型相应的回转体复合材料，利用率大为提高。成型模具采用钢模，具有重复使用、不易变形、使用年限长、加工方便和保压效果好等优点，良好的加工精度能够保证复合材料预制件成型后的表面光洁度。

以下实施例，是一个2.5D(维)编织回转体复合材料成型过程。

以最简单的圆管形回转体为例，复合成型要经过四个主要步骤完成。根据设计方案，第一步先进行2.5D回转体织物的成型编织；第二步复合装置的准备；第三步注胶，成型模具结构采用单注胶口、多出胶口的多通路注胶方法，自下而上的浸透回转体织物；第四步复合成型后处理。

2.5D编织回转体织物的工艺参数如表1所示。2.5D编织机设备的工艺设定：根据工艺参数选用6台编织方机组合成圆周使用如图1所示，每台方机拴纱容量为128根。2.5D圆管织物模具的设计如图5所示，设计芯模直径为Φ30mm，长度为500mm。采用螺旋式树脂注射装置注胶如图4所示。注射完毕后进行后处理得到2.5D编织圆管复合材料。

表1 2.5D编织回转体织物的工艺参数表

项目	工艺参数
		织物尺寸(mm)	Φ30×500×5
原材料名称、规格	无碱玻璃纤维480Tex
		经纱规格	480Tex×1
纬纱规格	480Tex×1
		经纱层数、列数	8层、96列
纬纱层数	9层
		经纱密度(根/cm)	10.0

纬纱密度(根/cm)	4.0
		织物单元结构	浅交弯联
回转体纤维体积含量	45％

工艺步骤

2.5D(维)编织回转体复合材料成型方法通过四个步骤完成。

1、编织回转体织物

1)设计回转体织物的可升降固定工装、成型模具。

2)根据回转体织物设计选用的原材料(玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉、石英纤维等)，根据回转体织物尺寸设计回转体织物的纤维体积含量，经纱、纬纱密度配比，织物基础结构等编织工艺参数。

3)在编织机上确定经纱的层数、列数，进行拴纱，调节好经纱张力。

4)进行回转体织物的成型编织。

5)回转体织物的下样整形。

2、准备工作

1)清理模具，在左、右外模上均匀涂抹脱模剂，以利于脱模和保证成型试件表面光洁。

2)将附有回转体织物的芯模放置于左外模中，安装密封圈并与右外模合模，切除两端面多余纱线。

3)拧紧均匀分布的螺栓确保成型试件厚度和圆度均匀。

4)安装多通路注胶底座，确保螺栓紧固以防胶液溢出。

5)用螺栓定位芯模后安装盖板完成成型模具的组装。

3、注胶

1)将组装好的模具抬至螺旋式树脂注射装置上，连接注胶灌和压力传感器，将测力仪清零，开始注胶。

2)胶液通过注胶罐底座被压进多通路注胶底座，在底座与左、右外模连接面处铣有与回转体试件大小一致的存胶槽，在槽中胶液与试件充分接触保证了回转体织物浸胶均匀。

3)由于压力作用胶液从下往上不断浸润三维纺织预制件，最终到达盖板。

4)盖板开有8个出胶孔兼观察孔，发现某个孔有溢胶现象立刻用螺栓加以封闭，以利于胶液向未浸透的部分流动，直到8个孔全部封闭，持续保压一段时间，注胶结束。

4、后处理

1)保压完毕卸下注胶罐、多通路注胶底座和盖板，在室温下放置24小时，待固化后脱模。

2)松开外模螺栓将芯模连同固化后的复合材料试样一同取出，再利用千斤顶将芯模顶出。

3)将脱模后的回转体复合材料试件置于50℃左右的环境箱中烘烤两个小时，使其完全固化。

Claims (2)

1.一种2.5维编织回转体复合材料成型方法，其特征在于包括以下过程：

(1)、利用由至少4台简易编织方机组成的回转体编织机采用放射性加纱方法进行回转体织物的编织；

(2)、在回转体织物的编织过程中，对于横截面变化的织物采取由小端向大端的编织；并且根据模具直径的不同变化，在纬纱圆周方向均匀挂上经纱，以保证织物经向密度一致；

(3)、将编织好的回转体织物置于竖直放置的回转体模具中；

(4)、对织物进行从下而上的多通道形式注胶；并实时监测注射压力，保证注胶加载稳定；

(5)、在回转体模具顶部设置多个出胶口兼观察口，当其中一个或几个出胶口出现胶液溢出现象，则加以封闭，当最后一个敞开的出胶口出现胶液溢出时，则判断注胶完成；

(6)、封闭上述最后一个出胶口，并进行模腔保压；

(7)、保压结束后进行固化后处理。

2.根据权利要求1所述的一种2.5维编织回转体织物复合材料成型方法，其特征在于：第(4)步所述多通道形式注胶是利用螺旋加载方式进行的。

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