CN104790117A - 一种内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，在层连织物整体编织过程中，一标准循环结束后，其编织系统中的纱束部分或者全部进行细度的重新组合。本发明在传统的2.5D编织工艺和三维编织四步法工艺的基础上，通过内部分拆、合并纱束的变化，来实现变截面、密度均匀的整体编织；本方法具有极高的可设计性，因此可保证层连织物的连续性和结构完整性；可避免或减少复合后机械加工造成的严重纱束损伤，从而提高复合材料的力学性能；本发明所述的方法根据纱锭的移动规律设计编织纱束的排布，通过分拆、合并等编织，其方法操作简单，适应性广，即适用于不同结构的编织，又可适用于不同形状的编织。

Description

一种内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料预制体的层连编织方法，具体是一种高性能复合材料层连织物的内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，属于织物领域。

背景技术

纺织复合材料是纤维增强复合材料的一种高级形式，它是由增强纤维通过纺织加工方法获得二维或三维形式的纺织增强结构，再与基体材料复合而成。随着航空和航天业的发展促进了纺织复合材料的研究，使纺织技术在先进材料领域的应用潜能逐渐被挖掘出来。通过纺织的方法，将纤维纱束按照一定的交织规律加工成二维或三维形式的纺织结构，使之成为柔性的、具有一定外形和内部结构的纤维集合体，称之为层连织物。

目前，三维编织主要有以下几种：

1、以四步法成型的三维编织，其内部所有纱线在四个方向上倾斜，且所有四个方向与织物成型轴线的夹角都相等。

2、以两步法成型的三维编织，其内部纱线以轴向纱为排列基准，运动纱线从两个相反的方向以一定的规律绕在轴纱上，捆紧轴纱，形成织物。

3、2.5D编织物其经向和纬向纱线在织物内部保持相互垂直。

以上各类结构的编织虽然代表了该领域的主流，应用较广，现今新型飞行器采用了全新结构体系，对材料提出了更高的新要求，新材料有以下几点要求：①防热承力结构功能一体化；②局部特殊承力要求；③复杂外形；④整体编织成型；⑤高性能纤维编织；⑥复合工艺的适应性。针对复合材料的新要求，通过成型工艺的基础性研究，解决织物内部结构解析、编织工艺参数设计、复杂外形构件编织控制技术，将为新型飞行器的复合材料用层连织物的研究和应用奠定基础。

发明内容

为了使层连织物的制备技术能更好的满足新材料的高要求，本发明提供一种内部分拆、合并纱束的层连织物的编织方法，该制备方法可以实现沿长度方向横截面宽度厚度变化的异形复合材料层连整体编织制造，同时也可实现横截面的不同区域分别用不同细度的纱束进行编织的层连整体编织制造，其方法简单，适用性广。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，在层连织物整体编织过程中，一标准循环结束后，其编织系统中的纱束部分或者全部进行细度的重新组合。

上述方法即以一个端面为基准，根据截面尺寸变化和编织纱束运动规律，设计改变纱锭的数量及其排布状况。所述编织纱束运动规律，是指在连续编织过程中编织纱在机器底盘上所处位置的变化规律，不同结构其变化规律不一样，本发明不改变编织纱束的运动规律。

本发明方法可利用各种不同高性能纤维成型多种型面的三维织物，如层联结构变宽度板块状织物、三维四向多层圆管状织物等。

本发明方法所述的内部分拆纱束，是指在连续编织的过程中，某一编织循环完成时，按需求将一列(多列)中每个纱锭上的多股纱束分拆到两个(多个)纱锭上，这种分拆可为等比例分拆也可为不等比例分拆。这种分拆可在其原有纱锭内部进行，将分拆出来的纱束合并到相邻纱锭上，原纱锭总数不变，可达到同一块织物中出现不同细度的两部分组成；也可将分拆出来的纱线挂入补充进来的纱锭上，使纱锭的数量增加，增加的纱锭根据截面尺寸变化和编织纱束运动规律进行排布，参加到下一个循环的编织中。

本发明方法所述的内部合并纱束，是指在连续编织的过程中，某一编织循环完成时，将两个(多个)纱锭上的单股(多股)纱束合并到一个纱锭上，使合并纱锭上的纱束变粗。

细度的重新组合的方法为：将两个以上纱锭上的纱束合并到一个纱锭上进行编织，或者将一个纱锭上的多股纱束拆分到两个以上的纱锭上进行编织。

这种由多股纱束拆分成单股纱束进行编织或者由单股纱束合并成多股纱束进行编织的层连织物制备方法，能进一步降低纱束改变对层连织物的整体性造成的缺陷，且可达到改变层连织物局部形状和局部细度的目的，拆分(合并)纱束数量的配比和拆分(合并)后的排布位置，可根据织物的渐变形状计算得到，具体计算方法参照现有技术。

采用上述方法，可利用各种不同高性能纤维成型多种型面不同结构的层连织物，如层联结构变宽度板块状和三维四向多层圆管状层连织物等。

为了在编织过程中实现织物形状的渐变，将分拆或合并后的纱束中补入或减掉不同股数的纱束，实现在原有织物中的预加纱束或减纱束操作。

为了保证所得织物的完整性，补入纱束采用全连接加纱方法。

为了方便操作，同时保证所得织物的完整性，全连接加纱方法为将一根纱束的两端分别补入相邻的两个纱锭上。

这样加纱点不存在断的纱束，这种加纱方式很好的保持了层连织物的连续性和结构的完整性，在织物表面特别是变化处的纱束更具备连续性好，整体性高的特点，织物是一次性连续制造完成，从而使用该层连织物的复合材料具有整体性好，损伤容限高，耐冲击，抗分层和抗疲劳等优良性能。

为了保证织物编织的方便性和结构的完整性，将一个纱锭上的多股纱束拆分到两个以上的纱锭上，其中，两个以上的的纱锭为原有的纱锭或补充进来的纱锭或原有的纱锭和补充进来的纱锭的结合。

为了进一步保证所得织物的各项同性和可加工性能，内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，采用2.5D编织结构或三维四步法编织结构。

为了保证所得织物的各项同性，三维四步法包含三维四向、三维五向、三维六向和三维七向等三维多向整体编织工艺，根据需要，上述三维多向整体编织工艺也适用于三维七向以上的编织结构。

本发明方法所述的三维四步法编织结构，根据其结构成型方式，内部纱束可分为动纱系统和不动纱系统两部分。动纱系统为编织纱束，不动纱系统包括第五向纱束(轴纱)、第六向纱束(纬纱)和第七向纱束(法向纱)等。不动纱系统可根据层连织物的设计加入，以提高某一方向的力学性能，这样可分别形成三维四向、三维五向、三维六向或三维七向编织结构。

采用本发明制备方法制造的层连织物可解决织物局部特殊承力要求、复杂外形、整体编织成型等技术难题，制备的层连织物整体性好，机械力学性能大为改善，从而可提高复合材料的整体力学性能。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明在传统的2.5D编织工艺和三维编织四步法工艺的基础上，通过内部分拆、合并纱束的变化，来实现变截面、密度均匀的整体编织；本方法具有极高的可设计性，因此可保证层连织物的连续性和结构完整性；可避免或减少复合后机械加工造成的严重纱束损伤，从而提高复合材料的力学性能，实现了防热承力结构功能一体化，可以满足局部特殊承力要求；本发明所述的方法根据纱锭的移动规律设计编织纱束的排布，通过分拆、合并等编织，其方法操作简单，适应性广，即适用于不同结构的编织，如2.5D编织结构三维编织四步法结构，又可适用于不同形状的编织，如矩形、圆形等。

附图说明

图1为本发明实施例1所得2.5D双侧渐变宽厚度渐变薄板块示意图，图中，箭头方向为编织方向。

图2为图1某一循环结束后的纱锭排布示意图。

图3为图2中左侧最外两列纱束分拆后纱锭排布示意图。

图4为图3中左侧次外两列纱束分拆后纱锭排布示意图。

图5为本发明实施例2所得2.5D锥管状织物示意图，图中，箭头方向为编织方向。

图6为图5某一循环结束后其中一部分的纱锭排布示意图。

图7为将图6中其中一列纱束分拆成3列纱束的纱锭排布示意图。

图8为将图7用全连接加纱方法将分拆成单股的3列纱束补足3股的纱锭排布示意图。

图9为本发明实施例3所得的左右不同细度板块示意图，图中，箭头方向为编织方向。

图10为图9初始纱锭排布示意图。

图11为图10左右移动一个步距后的纱锭排布示意图。

图12为图9左右不同细度板块在其交界处的纱束分拆、合并移纱走向示意图，图中，箭头方向表示纱束的移动方向，箭头位置表示纱束的移动位置。

图13为图9左右不同细度板块在其交界处，纱束分拆、合并完成后的纱锭排布示意图。

图14为本发明实施例4所得的三维五向结构内外环不同细度圆管示意图，图中，箭头方向为编织方向。

图15为图14一部分纱锭排布示意图，图中，箭头的方向表示径向从外到内的方向。

图16为图15沿圆环径向移动一个步距后的纱锭排布示意图。

图17为三维五向结构内外环不同细度圆管在交界处的纱束分拆、合并移纱走向示意图，图中，箭头方向表示纱束的移动方向，箭头位置表示纱束的移动位置。

图18为三维五向结构内外环不同细度圆管在其交界处的纱束分拆、合并完成后的纱锭排布图，图中，箭头的方向表示径向从外到内的方向。

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。

实施例中，Tex，是指编织纱束的细度，即每千米纱束的重量。

实施例中纱线根数指纱锭的数量，一根纱线可以是多股合股。

实施例1

采用本发明方法编织如图1所示的双侧渐变宽边缘渐变薄梯形板块，梯形织物尺寸：上边长200㎜×下边长300㎜×高300㎜×厚度(3.5→2.2)mm。以梯形板块厚度较大一端截面为基准截面起始编织，编织成型方向沿梯形大厚度向小厚度方向编织，如图1中箭头方向所示。梯形板块横截面尺寸的连续变化，按纤维体积分数均匀一致原则，沿梯形高度方向设计需要补入经纱的列数。

本实施例采用2.5D编织结构，选用190Tex石英纤维进行编织，经纱2股合股，经密10根/cm，纬纱2股合股，纬密4根/cm，纤维体积分数48％。基准横截面设计所需经纱纱线根数为1200根，分6层排成200列。为满足截面变化要求，编织过程中设计每个编织循环将板块左右各拆分两列经纱，以达到板块渐变宽渐变薄的目的。

以板块左侧纱锭排布作图详细阐述内部纱束分拆过程。图2为板块左侧边缘某一循环结束后的纱锭排布示意图，图中1列2列为左侧最外的两列经纱，每个纱锭上有两股纱束，将1、2列中的2股纱束分拆其中一股到1＇、2＇列补入的纱锭上，使原有的经纱排布中增加了两列如图3所示，纱束分拆操作完成后进行一个编织运动循环。重复上述纱束分拆操作，将3、4列中的2股纱束分拆其中一股到3＇、4＇列补入的纱锭上，使经纱排布继续增加了两列如图4所示，纱束分拆操作完成后进行一个编织运动循环。重复以上步骤依次拆分5、6列等，直至编织完成。经纱列数的不断增加，使板块随成型方向逐渐变宽，由于拆分的经纱由2股变为一股，使板块边缘渐变薄。若拆分为一股的经纱需再次拆分时，则用全连接加纱方法将一股经纱加之两股，然后再拆分，全连接加纱方法为每根加入的纱线两端都拴在相邻锭子上，加纱点的位置没有纱线断头，保证了纱束的连续性。

在现有2.5D编织工艺中，编织实现渐变宽的板块，采用在板块边缘直接增加经纱列数，与原有经纱一起编织，沿编织成型方向一边递增经纱列数一边编织，增加的的经纱与原有的经纱没有联系，完全是后补入独立的经纱。补入经纱的初始位置是这列经纱的断头。

在现有工艺中，编织实现渐变薄的板块，采用编织纱线减细工艺，即按板块尺寸需要将相应位置编织纱线由粗变细(直接剪断去掉编织经纱中的一部分)，这个突变位置存在纱线的断头。

采用本发明方法编织的织物，不存在编织纱线的的断头，保持了编织纱线的连续性，有效的降低了纱线的损伤。相对现有工艺，复合后材料的径向拉伸强度提升了6％以上，拉伸强度的测试方法参照GB/T1447-2005。

实施例2

采用本发明方法编织如图5所示的锥套体制件，其小端直径为φ100mm，大端直径为φ400mm，高为700mm，壁厚为10mm。以小端横截面为基准截面起始编织，编织成型方向沿锥套体高度方向编织，如图5中箭头方向所示。锥套体横截面尺寸的连续变化，按纤维体积含量均匀一致原则，沿高度方向设计需要补入经纱的列数。

本实施例采用2.5D编织结构，选用T300-3K纤维进行编织。经纱3股合股，经密8根/cm，纬纱4股合股，纬密2.2根/cm，纤维体积含量50％。小端基准横截面设计所需经纱纱线根数为3276根，分13层沿圆环排成252列。为满足截面变化要求，编织过程中设计每个编织循环将3列经纱拆分成9列，并用全连接加纱方法将9列被拆分成单股的纱束加至3股。同时被拆分的3列经纱均匀分布在环形圆周上。

以圆环中被拆分的其中一列纱束作图详细阐述分拆过程。图6为某一循环结束后的纱锭排布示意图，图中A、B、C、D列为圆环排列中的一部分，每个纱锭上有3股纱束，将C列中的3股纱束分拆到C＇、C＇＇列补入的纱锭上，使原有的经纱排布中增加了两列如图7所示，由于C列纱束的分拆操作使得C、C＇、C＇＇这3列纱锭上都只有1股经纱，为了保证锥套体的厚度不受影响，用全连接加纱方法将C、C＇、C＇＇列中单股的纱束加至3股如图8所示，每根加入的纱线两端都拴在相邻锭子上，加纱点的位置没有纱线断头，保证了纱束的连续性。完成后进行一个编织运动循环。重复以上步骤直至编织完成。经纱列数的不断增加，保证了锥套体截面的不断变大。使锥套体完整连续编织成型，大大提高了锥套体复合材料的力学性能。

在现有2.5D编织工艺中，采用在圆周方向直接增加经纱列数，合并原有经纱一起编织，沿编织成型方向一边递增经纱列数一边编织，增加的的经纱与原有的经纱没有联系，完全是后补入独立的经纱。补入经纱的初始位置存在这列经纱的断头。采用本发明方法编织的织物，不存在编织纱线的的断头，保持了编织纱线的连续性和编织织物的完整性，有效的降低了纱线的损伤，且相对现有工艺，复合后材料的径向拉伸强度提升了8％以上，拉伸强度的测试方法参照GB/T1447-2005。

实施例3

采用本发明方法编织如图9所示的左右不同细度板块，板块织物尺寸：长200㎜×宽100㎜×厚5㎜。以板块同时含有左右不同细度的一端横截面为基准截面起始编织，编织成型方向沿长度方向编织，如图9中箭头方向所示。按板块横截面尺寸设计左右两边需要的纱束根数。

本实施例采用三维四向编织结构，编织纱束选用T800-6K碳纤维。板块左半边用纱线2股合股，编织角30°，纤维体积分数45％，编织所用纱束根数为420根，排布成7层×60列。板块右半边用纱线单股，编织角23°，纤维体积分数45％，编织所用纱线根数为980根，排布成14层×70列。按三维四步法的编织规律进行左右两部分的正常编织，携纱锭子沿列向的上下运动不受左右两部分细度不同的影响，携纱锭子沿层的方向左右运动时由于两部分细度不同在两部分交界处的纱束要进行拆分合并操作。图10为左边布2股合股纱，右边布单股纱的纱锭排布示意图，图中1、3、A、C、E、G层向右移动一个步距，2、4、B、D、F、H层向左移动一个步距后显示为图11的纱锭排布。将左边右侧凸出层的首个纱锭上的2股合股的纱束拆分成单股移至右边左侧凹进去的层，同时将右边左侧凸出层的首个纱锭上的单股纱束两两合并成双股移至左边右侧凹进去的层中，完成左右两侧纱线的等值交换，即按如图12所示中箭头的方向移纱。纱束左右平移后达到图13所示的纱锭排布。按三维四步法的纱锭运动规律，每次携纱锭子左右沿层方向运动时都要进行如上所述的纱束分拆、合并、平移操作，携纱锭子沿列向的上下运动时则不受影响。重复以上步骤直至编织完成。成型的板块，左边一半为2股合股纱束编织，右边一半为单股纱束编织，并且交界处纱束连接完整。采用本发明方法编织的不同细度组合板块时，除了采用所述的三维四向编织结构外，还可相应的采用三维五向、三维六向、三维七向编织结构。

在现有工艺中，编织实现同一板块中的两部分存在不同细度，采用2次编织成型方法。即先正常编织完成一种细度的部分，而后将所有编织纱线按另一种细度重新集束，按新的集束纱线设计纱锭排列方阵重新布纱后，进行第二次编织，完成另一种细度的部分。如此编织的两部分交界处存在一段过渡区，这个过渡区的纱线是一种无序的混乱交织，织物交界过渡区表面不整齐且纤维体积含量低，密度低，这种过渡区的宽度一般在8mm到15mm之间，严重影响板块的整体性能。而采用本发明方法编织的同类板块完全不存在两部分的过渡区，交界处的纱线连接完整、交织紧实有序、体积含量一致。

实施例4

采用本发明方法编织如图14所示的内外层不同细度圆筒，圆筒织物尺寸：圆筒直径80mm，壁厚30mm。以圆筒的一端横截面为基准截面起始编织，编织成型方向沿长度方向编织，如图14中箭头方向所示。按圆筒横截面尺寸设计需要的纱束根数。

本实施例采用三维五向编织结构，编织纱束选用T300-3K碳纤维，圆筒外层10mm厚度用运动纱束3股合股，轴纱2股合股，编织角30°，纤维体积分数50％，编织所用运动纱束根数为1820根，排布成14层×130列。圆筒中层10mm厚度用运动纱束2股合股，轴纱2股合股，编织角27°，纤维体积分数50％，编织所用运动纱束根数为1690根，排布成13层×130列。圆筒内层10mm厚度用运动纱束单股，轴纱单股，编织角20°，纤维体积分数50％，编织所用运动纱束根数为2080根，排布成16层×130列。所有编织纱束沿圆周均匀排列，按三维四步法的编织规律进行外、中、内三部分的正常编织，携纱锭子沿圆环圆周方向运动时不受外、中、内三部分细度不同的影响，携纱锭子沿圆环径向方向运动时，由于各部分细度不同，在各部分交界处的纱束要进行拆分合并操作。现截取圆环一部分携纱锭子排布图详细叙述纱束的分拆合并操作过程。图15为外10mm厚布3股合股纱，中10mm厚布2股合股纱，内10mm厚3单股纱的动纱纱锭排布示意图，其中由于轴纱不影响携纱锭子运动，也不参与纱束的分拆合并，故图中不画出。图15中箭头方向为圆环的径向方向。由于携纱锭子沿圆环圆周方向运动时不受各部分细度不同的影响，具体描述携纱锭子沿圆环径向方向的运动和纱束的拆分合并操作。图15为携纱锭子将要径向运动的起始排布，图中1、3、5列沿径向向环内移动一个步距，2、4、6列沿径向向环外移动一个步距后显示为图16的纱锭排布。图16中将外层和中层交界处的外层凸位置的首个纱锭上的3股纱束分拆成两部分—2股合股与单股，将2股合股的这部分移至中层凹进去的相应位置，将单股的这部分拐弯移至外层凹进去的相应位置。同时将外层和中层交界处的中层凸出位置的首个纱锭上的2股纱束移至外层凹进去的相应位置与外层拐弯的单股纱束合并成3股合股。中层与内层交界处的分拆合并同理进行操作，如图17中箭头所示。完成外、中、内层纱线的不等值交换。纱束外、中、内的平移后达到图18所示的纱锭排布。按三维四步法的纱锭运动规律，每次携纱锭子沿圆环径向方向运动时都要进行如上所述的纱束分拆、合并、平移操作，携纱锭子沿圆环环向的运动时则不受影响。重复以上步骤直至编织完成。成型的圆筒，外层10mm为3股合股纱束编织，中层10mm为2股合股纱束编织，内层10mm为单股纱束编织，外、中、内层纤维体积分数相同，并且交界处纱束连接完整。采用本发明方法编织的不同细度组合圆筒时，除了采用所述的三维五向编织结构外，还可相应的采用三维四向、三维六向、三维七向编织结构。

在现有三维四步法成型工艺中，无法制造本实施例这种内外层不同细度的圆筒。采用本发明方法编织的不同细度组合圆筒，可以使圆筒内外部分的纤维体积含量更加均匀，消除由于纱线在圆筒内环紧密堆积造成的纤维扭曲。并且不同细度层之间的纱线连接完整、交织紧实有序，不存在过渡区。

Claims (8)

1.一种内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，其特征在于：在层连织物整体编织过程中，一标准循环结束后，其编织系统中的纱束部分或者全部进行细度的重新组合。

2.如权利要求1所述的内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，其特征在于：细度的重新组合的方法为：将两个以上纱锭上的纱束合并到一个纱锭上进行编织，或者将一个纱锭上的多股纱束拆分到两个以上的纱锭上进行编织。

3.如权利要求2所述的内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，其特征在于：将分拆或合并后的纱束中补入或减掉不同股数的纱束，实现在原有织物中的预加纱束或减纱束操作。

4.如权利要求3所述的内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，其特征在于：补入纱束采用全连接加纱方法。

5.如权利要求4所述的内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，其特征在于：全连接加纱方法为将一根纱束的两端分别补入相邻的两个纱锭上。

6.如权利要求2-5任意一项所述的内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，其特征在于：将一个纱锭上的多股纱束拆分到两个以上的纱锭上进行编织，其中，两个以上的纱锭为原有的纱锭或补充进来的纱锭或原有的纱锭和补充进来的纱锭的结合。

7.如权利要求1-5任意一项所述的内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，其特征在于：采用2.5D编织结构或三维四步法编织结构。

8.如权利要求7所述的内部分拆合并纱束的层连织物整体编织方法，其特征在于：三维四步法包含三维四向整体编织、三维五向整体编织、三维六向整体编织和三维七向整体编织。