CN104652036A - 一种三维四向混编织物的制备方法 - Google Patents

一种三维四向混编织物的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维四向混编织物的制备方法，包括以下步骤：（1）将两种纱锭在编织机床上按单个交替排列、隔行交替排列或隔列交替排列的方式进行排布；（2）根据四步法三维编织工艺进行编织，制备得到三维四向混编织物。本发明以横截面积相等的不同编织纱线制备了三维四向混编织物，解决了不同纱线在织物横截面上难以均匀分布的难题，并且能够使本发明混编织物增强的SiC基体复合材料具备抗氧化性能优异、强度高、成本低等优点。

Description

一种三维四向混编织物的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种三维四向混编织物的制备方法，可应用于航空航天、体育、医学等领域。
背景技术
复合材料具有高比强度、高比模量、高断裂韧性等优异性能，在航空航天等多个领域都得到越来越多的关注。
纤维增强复合材料是由纤维增强体和基体材料构成，由单种纤维增强的复合材料各有其优点，但同时又存在各种不足。例如，在航空航天领域，有的纤维密度低、强度高、韧性好，但抗氧化性能差，而有的纤维虽然抗氧化性能好、力学性能优异，价格却很昂贵。因此，将两种或两种以上的纤维进行混编，制备混编纤维增强复合材料，就可以取长补短，克服单种纤维的缺点，使之发挥协同作用，得到性能更优异的复合材料。
在混编织物作为增强体方面，研究人员已做了大量的工作，但是绝大部分研究都集中在以两种或两种以上的纤维为增强体，以二维叠层或三维机织为编织方式，通过改变纤维种类、数量或编织形式来研究不同的混编纤维织物，以其作为增强体用于纤维增强复合材料的制备。然而，到目前为止，以三维编织方式进行混编的技术鲜有报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高温抗氧化性能优异、强度高、制备成本低的三维四向混编织物的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种三维四向混编织物的制备方法，包括以下步骤：
（1）将两种纱锭在编织机床上按单个交替排列、隔行交替排列或隔列交替排列的方式进行排布；
（2）根据四步法三维编织工艺进行编织，制备得到三维四向混编织物。
上述的制备方法中，优选的，所述两种纱锭的排布方式为[m×n]，2≤m≤500，2≤n≤500，且m和n均为正整数，其中，m表示所述排布方式中具有m行纱锭，n表示所述排布方式中具有n列纱锭。
上述的制备方法中，优选的，所述两种纱锭的排布方式为[6×6]。
上述的制备方法中，优选的，所述两种纱锭的排布方式为[5×3]。
上述的制备方法中，优选的，所述两种纱锭的排布方式为[4×3]。
上述的制备方法中，优选的，所述两种纱锭的排布方式为[4×2]。
上述的制备方法中，优选的，所述纱锭上的编织纱线为无机纤维束或有机纤维束。
上述的制备方法中，优选的，所述无机纤维束包括碳纤维束或碳化硅纤维束。
上述的制备方法中，优选的，所述有机纤维束包括有机涤纶绳。
上述的制备方法中，优选的，所述编织纱线具有相同横截面积。此处是指同种纱锭上的编织纱线、不同种纱锭上的编织纱线均具有相同横截面积。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明选用横截面积相等的编织纱线制备三维四向混编织物，解决了不同纱线在织物横截面上难以均匀分布的难题。
（2）本发明使用横截面积相等的编织纱线制备了三维四向矩形混编织物，将该三维四向矩形混编织物用于制备其增强的SiC基复合材料时，既可避免仅使用价格昂贵的SiC纤维作为增强体带来的成本问题，又可避免仅使用C纤维作为增强体带来的抗氧化性能较低的问题，使混编织物增强的SiC基复合材料同时具备抗氧化性能优异、强度高、成本低等优点。
附图说明
图1为本发明混编时编织机床上初始状态的纱锭排布示意图，其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式二，（c）为混编方式三。
图2为本发明实施例1中[6×6]混编织物的初始纱锭排布示意图，其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式三。
图3为本发明实施例1中[6×6]混编织物的形貌图（1K的SiC纤维和3K的C纤维混编），其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式三。
图4为本发明实施例1中[6×6]混编织物的形貌图（红黄两种有机涤纶绳），其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式三。
图5为本发明实施例2中[5×3]混编织物的初始纱锭排布示意图，其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式二。
图6为本发明实施例2中[5×3]混编织物的形貌图（1K的SiC纤维和3K的C纤维混编），其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式二。
图7为本发明实施例2制备的[5×3]混编织物的形貌图（红黄两种有机涤纶绳），其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式二。
图8为本发明实施例3中[4×3]混编织物的初始纱锭排布示意图，其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式二。
图9为本发明实施例3中的[4×3]混编织物的形貌图（1K的SiC纤维和3K的C纤维混编），其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式二。
图10为本发明实施例3中[4×3]混编织物的形貌图（红黄两种有机涤纶绳），其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式二。
图11为本发明实施例4中[4×2]混编织物的初始纱锭排布示意图，其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式二。
图12为本发明实施例4中[4×2]混编织物的形貌图（1K的SiC纤维和3K的C纤维混编），其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式二。
图13为本发明实施例4中[4×2]混编织物的形貌图（红黄两种有机涤纶绳），其中（a）为混编方式一，（b）为混编方式二。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
一种本发明的三维四向混编织物的制备方法，包括以下步骤：
（1）在初始状态时，将两种纱锭在编织机床上按单个交替排列、隔行交替排列或隔列交替排列的方式进行排布。其中，两种纱锭单个交替排列的方式称为“混编方式一”，如图1（a）所示；两种纱锭隔行交替排列的方式称为“混编方式二”，如图1（b）所示；两种纱锭隔列交替排列的方式称为“混编方式三”，如图1（c）所示。
（2）根据常规四步法三维编织工艺进行编织，制备得到三维四向混编织物。
实施例1：
一种本发明的三维四向混编织物的制备方法，包括以下步骤：
（1）在初始状态时，将1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束在编织机床上按单个交替出现的方式进行排布，即“混编方式一”，如图2（a）所示；将1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束在编织机床上按隔列交替出现的方式进行排布，即“混编方式三”，如图2（b）所示。图2为[6×6]织物编织时在编织机床上纱锭的初始状态示意图，灰底和白底的圆圈分别表示1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束，碳化硅纤维束与碳纤维束的横截面积相同（横截面直径通常在0.15mm～0.2mm范围内）。
（2）按照四步法1∶1（即纱锭沿行和列方向运动时，每步只运动一个纱锭的距离）三维四向编织，具体包括以下步骤：
（a）每行上的纱锭沿行方向交替运动一个纱锭的距离；
（b）每列上的纱锭沿列方向交替运动一个纱锭的距离；
（c）每行上的纱锭沿行方向交替运动一个纱锭的距离，此步运动方向与步（a）相反；
（d）每列上的纱锭沿列方向交替运动一个纱锭的距离，此步运动方向与步（b）相反；
依据上述步骤，运动若干步后得到碳化硅纤维束和碳纤维束的[6×6]三维四向混编织物。图3为[6×6]三维四向混编织物形貌图，其中按“混编方式一”得到的织物，如图3（a）所示；按“混编方式三”得到的织物，如图3（b）所示。
由于碳化硅纤维束和碳纤维束均为黑色，为了更清楚地体现两种纤维的分布情况，使用横截面积相等的红色和黄色有机涤纶绳分别替代碳化硅纤维束和碳纤维束，其初始排布状态同图2所示，灰底和白底的圆圈分别表示红色和黄色有机涤纶绳。依据上述制备方法中的步骤，制备得到彩色有机涤纶绳的[6×6]三维四向混编织物，如图4所示，图4中的白色和灰色分别是黄色和红色有机涤纶绳。从图4中可以清楚的看出两种纤维束的分布情况，其中按“混编方式一”得到的织物，如图4（a）所示；按“混编方式三”得到的织物，如图4（b）所示。
以本实施例中碳化硅纤维束和碳纤维束制备的混编织物为增强体，用质量分数为50%的聚碳硅烷（PCS）为先驱体浸渍液，在1100℃下进行PCS的裂解，重复浸渍-裂解过程，浸渍-裂解周期为15次，制备混编织物增强的SiC复合材料。
经测试，本实施例混编织物（“混编方式一”所得）增强的SiC基复合材料在常温下的三点弯曲强度为420.3MPa，在800℃的空气中氧化30min后，材料的三点弯曲强度为216.6MPa。相比之下，同尺寸的纯C纤维增强的SiC基复合材料在常温下的三点弯曲强度为405.2MPa，在800℃的空气中氧化30min后，材料的三点弯曲强度为89.5MPa。可以看出，本发明混编织物增强的SiC复合材料，比纯C纤维增强的SiC基复合材料具有更优异的高温抗氧化性能，同时由于混编预织物中使用了价格较低的C纤维，复合材料的成本也大幅度降低。
实施例2：
一种本发明的三维四向混编织物的制备方法，包括以下步骤：
（1）在初始状态时，将1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束在编织机床上按单个交替出现的方式进行排布，即“混编方式一”，如图5（a）所示；将1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束在编织机床上按隔行交替出现的方式进行排布，即“混编方式二”，如图5（b）所示。图5为[5×3]织物编织时在编织机床上纱锭的初始状态示意图，灰底和白底的圆圈分别表示1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束。
（2）按照四步法1∶1三维编织规律，具体包括以下步骤：
（a）每行上的纱锭沿行方向交替运动一个纱锭的距离；
（b）每列上的纱锭沿列方向交替运动一个纱锭的距离；
（c）每行上的纱锭沿行方向交替运动一个纱锭的距离，此步运动方向与步（a）相反；
（d）每列上的纱锭沿列方向交替运动一个纱锭的距离，此步运动方向与步（b）相反；
依据上述步骤，运动若干步后得到碳化硅纤维束和碳纤维束的[5×3]三维四向混编织物。图6为[5×3]三维四向混编织物形貌图，其中按“混编方式一”得到的织物，如图6（a）所示；按“混编方式二”得到的织物，如图6（b）所示。
为了更清楚地体现两种纤维的分布情况，使用横截面积相等的红色和黄色有机涤纶绳分别替代碳化硅纤维束和碳纤维束，其初始排布状态同图5所示，灰底和白底的圆圈分别表示红色和黄色有机涤纶绳，依据上述制备方法中的步骤制备得到彩色有机涤纶绳的[5×3]三维四向混编织物，如图7所示，图7中的白色和灰色分别是黄色和红色有机涤纶绳。从图7中可以清楚的看出两种纤维束的分布情况，其中按“混编方式一”得到的织物，如图7（a）所示；按“混编方式二”得到的织物，如图7（b）所示。
以本实施例中碳化硅纤维束和碳纤维束制备的混编织物为增强体，以质量分数为50%的聚碳硅烷（PCS）为先驱体浸渍液，在1100℃下进行PCS的裂解，重复浸渍-裂解过程，浸渍-裂解周期为15次，制备混编织物增强的SiC复合材料。
经测试，本实施例混编织物（“混编方式二”所得）增强的SiC复合材料在常温下的三点弯曲强度为445.8MPa，在800℃的空气中氧化30mi n后，材料的三点弯曲强度为198.7MPa。相比之下，同尺寸的纯C纤维增强的SiC基复合材料在常温下的三点弯曲强度为434.5MPa，在800℃的空气中氧化30min后，材料的三点弯曲强度仅为79.1MPa。可以看出，本发明混编织物增强的SiC复合材料，比纯C纤维增强的SiC基复合材料的具有更优异的抗氧化性能，同时由于混编预织物中使用了价格较低的C纤维，复合材料的成本也大幅度降低。
实施例3：
一种本发明的三维四向混编织物的制备方法，包括以下步骤：
（1）在初始状态时，将1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束在编织机床上按单个交替出现的方式进行排布，即“混编方式一”，如图8（a）所示；将1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束在编织机床上按隔行交替出现的方式进行排布，即“混编方式二”，如图8（b）所示。图8为[4×3]织物编织时在编织机床上纱锭的初始状态示意图，灰底和白底的圆圈分别表示1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束。
（2）按照四步法1∶1三维编织规律，具体包括以下步骤：
（a）每行上的纱锭沿行方向交替运动一个纱锭的距离；
（b）每列上的纱锭沿列方向交替运动一个纱锭的距离；
（c）每行上的纱锭沿行方向交替运动一个纱锭的距离，此步运动方向与步（a）相反；
（d）每列上的纱锭沿列方向交替运动一个纱锭的距离，此步运动方向与步（b）相反；
依据上述步骤，运动若干步后得到1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束的[4×3]三维四向混编织物。图9为[4×3]三维四向混编织物形貌图，其中按“混编方式一”得到的织物，如图9（a）所示；按“混编方式二”得到的织物，如图9（b）所示。
为了更清楚地体现两种纤维的分布情况，使用横截面积相等的红色和黄色有机涤纶绳分别替代碳化硅纤维束和碳纤维束，其初始排布状态同图8所示，灰底和白底的圆圈分别表示红色和黄色有机涤纶绳，依据上述制备方法中的步骤制备得到彩色有机涤纶绳的[4×3]三维四向混编织物，如图10所示，图10中的白色和灰色分别是黄色和红色有机涤纶绳。从图10中可以清楚的看出两种纤维束的分布情况，其中按“混编方式一”得到的织物，如图10（a）所示；按“混编方式二”得到的织物，如图10（b）所示。
以本实施例中碳化硅纤维束和碳纤维束制备的混编织物（“混编方式一”所得）为增强体，以质量分数为50%的聚碳硅烷（PCS）为先驱体浸渍液，在1100℃下进行PCS的裂解，重复浸渍-裂解过程，浸渍-裂解周期为15次，制备混编织物增强的SiC复合材料。
经测试，本实施例混编织物增强的SiC复合材料在常温下的三点弯曲强度为402.2MPa，在800℃的空气中氧化30min后，材料的三点弯曲强度为182.9MPa。相比之下，同尺寸的纯C纤维增强的SiC基复合材料在常温下的三点弯曲强度为387.4MPa，在800℃的空气中氧化30min后，材料的三点弯曲强度为86.7MPa。可以看出，本发明混编织物增强的SiC复合材料，比纯C纤维增强的SiC基复合材料的具有更高的高温抗氧化性能，同时由于混编预织物中使用了价格较低的C纤维，复合材料的成本也大幅度降低。
实施例4：
一种本发明的三维四向混编织物的制备方法，包括以下步骤：
（1）在初始状态时，将1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束在编织机床上按单个交替出现的方式进行排布，即“混编方式一”，如图11（a）所示；将1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束在编织机床上按隔行交替出现的方式进行排布，即“混编方式二”，如图11（b）所示。图11为[4×2]织物编织时在编织机床上纱锭的初始状态示意图，灰底和白底的圆圈分别表示1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束。
（2）按照四步法1∶1三维编织规律，具体包括以下步骤：
（a）每行上的纱锭沿行方向交替运动一个纱锭的距离；
（b）每列上的纱锭沿列方向交替运动一个纱锭的距离；
（c）每行上的纱锭沿行方向交替运动一个纱锭的距离，此步运动方向与步（a）相反；
（d）每列上的纱锭沿列方向交替运动一个纱锭的距离，此步运动方向与步（b）相反；
依据上述步骤，运动若干步后得到1K的碳化硅纤维束和3K的碳纤维束的[4×2]三维四向混编织物。图12为[4×2]三维四向混编织物形貌图，其中按“混编方式一”得到的织物，如图12（a）所示；按“混编方式二”得到的织物，如图12（b）所示。
为了更清楚地体现两种纤维的分布情况，使用横截面积相等的红色和黄色有机涤纶绳分别替代碳化硅纤维束和碳纤维束，其初始排布状态同图11所示，灰底和白底的圆圈分别表示红色和黄色有机涤纶绳，依据上述制备方法中的步骤制备得到彩色有机涤纶绳的[4×2]三维四向混编织物，如图13所示，图13中的白色和灰色分别是黄色和红色有机涤纶绳。从图13中可以清楚的看出两种纤维束的分布情况，其中按“混编方式一”得到的织物，如图13（a）所示；按“混编方式二”得到的织物，如图13（b）所示。
以本实施例中碳化硅纤维束和碳纤维束制备的混编织物（“混编方式二”所得）为增强体，以质量分数为50%的聚碳硅烷（PCS）为先驱体浸渍液，在1100℃下进行PCS的裂解，重复浸渍-裂解过程，浸渍-裂解周期为15次，制备混编织物增强的SiC复合材料。
经测试，本实施例混编织物增强的SiC复合材料在常温下的三点弯曲强度为394.9MPa，在800℃的空气中氧化30min后，材料的三点弯曲强度为172.5MPa。相比之下，同尺寸的纯C纤维增强的SiC基复合材料在常温下的三点弯曲强度为372.6MPa，在800℃的空气中氧化30min后，材料的三点弯曲强度为73.5MPa。可以看出，本发明混编织物增强的SiC复合材料，比纯C纤维增强的SiC基复合材料的具有优异高温抗氧化性能，同时由于混编预织物中使用了价格较低的C纤维，复合材料的成本也大幅度降低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维四向混编织物的制备方法，包括以下步骤：
（1）将两种纱锭在编织机床上按单个交替排列、隔行交替排列或隔列交替排列的方式进行排布；
（2）根据四步法三维编织工艺进行编织，制备得到三维四向混编织物。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述两种纱锭的排布方式为[m×n]，2≤m≤500，2≤n≤500，且m和n均为正整数，其中，m表示所述排布方式中具有m行纱锭，n表示所述排布方式中具有n列纱锭。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述两种纱锭的排布方式为[6×6]。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述两种纱锭的排布方式为[5×3]。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述两种纱锭的排布方式为[4×3]。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述两种纱锭的排布方式为[4×2]。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述纱锭上的编织纱线为无机纤维束或有机纤维束。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述无机纤维束包括碳纤维束或碳化硅纤维束。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述有机纤维束包括有机涤纶绳。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述编织纱线具有相同横截面积。
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