CN104878507B - 一种环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物及其制备方法 - Google Patents

一种环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物及其制备方法，环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物包括圆管及设在圆管管壁且与圆管一体成型的环向和/或轴向筋层。本发明环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物及其制备方法可实现圆管状层连织物任意位置的环向及轴向整体加筋，加筋尺寸及纤维体积含量均可设计且结构完整，环向或轴向筋层与圆管织物层间连接性好，解决了圆管状层连织物整体双向加筋的难题，由于所加筋层与圆管状层连织物厚度方向纤维连续，其连接效果远优于原有的胶接或铆接方式，织物经复合后测试，性能完全满足设计指标要求，具有实际应用价值。

Description

一种环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物及其制备方法，属于立体织物编织领域。
背景技术
高性能纤维在三维空间多方向连续排布、相互交缠，形成的纤维织物称为立体织物(简称织物)，立体织物作为增强体用于制作先进复合材料。以立体织物作为增强体的复合材料已成功应用于航空、航天等高技术领域，具有很好的发展前景。
目前，复合材料的型面越来越复杂，型面为圆筒的复合材料用立体织物整体性好且纤维分布均匀，在航空航天领域得到广泛应用，为了提高复合材料的强度，大多情况下需在圆管外壁加筋，但目前圆管加筋的实现方法为将圆管和筋层分别成型，然后再通过胶接或铆接方式结合在一起，这样性能提升非常有限，中国专利(CN1317437C)中虽然介绍了异型截面机织三维织物的织造工艺，利用多眼综丝使织物具有一定的厚度及断面形态，包括T字型、工字型、槽钢型、角钢型等；但该种工艺只能成型加筋平板织物且所加筋层的长度需与平板织物长度一致，不能成型圆管织物，也不能实现纵横双向同时加筋。
发明内容
为了解决现有技术中尚无圆管加筋织物整体成型技术的缺陷，本发明提供一种一体成型的环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物，包括圆管及设在圆管管壁且与圆管一体成型的环向和/或轴向筋层。
本申请圆管和筋层一体成型，所得复合材料的机械性能有了显著的提升。
上述环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物，包括经纱系统和纬纱系统，经纱和纬纱相互交织成层连结构。这样能使织物的机械性能得到进一步的增强。
层连结构包括2.5D直联结构、2.5D弯联结构或正交三向结构，圆管及筋层的结构形式可为以上结构的任意组合。圆管和筋层即可设计为相同也的结构，也可不同的结构，具体根据所需织物的性能决定。
上述环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物的编织方法，包括顺序相接的如下步骤：
(1)排纱：根据织物尺寸在织机的前后综框中的多眼综丝上排列M层N列经纱；M≥3，N＝πDNJ，其中D为圆管状层连织物的直径，NJ为圆管状层连织物的经纱密度；
(2)开口运动：提综装置控制前后综框上下相对运动，带动经纱形成M+1层梭口；
(3)引入纬纱：在形成的M+1层梭口中经纱的开口处引入纬纱；
(4)加筋编织：环向和/或轴向加筋编织：
a)环向加筋：加筋方向与圆管轴向垂直，在圆管侧壁上标识好筋层沿圆管状层连织物轴向的宽度；在不改变原有织物结构的基础上，按照筋层的经密要求进行环向加纱，加纱根数A＝a×dJ，其中a为筋层沿圆管环向的宽度，dJ为环向筋层的经纱密度；加纱时，在圆管侧壁预先标识好的加筋位置处均匀地加入A根纱线作为环向筋层的编织经纱，各经纱之间需确保间隔均匀，并与周围部分圆管的初始经纱一起满足圆管状层连织物环向的经密要求；采用移纱换位法完成经纱的加纱；提综装置控制前后综框上下相对运动，带动完成移纱换位的经纱形成A+1层梭口，在每层梭口中单独引入纬纱完成环向加筋部分的编织；
b)轴向加筋：在圆管侧壁上标识好筋层沿圆管状层连织物环向的宽度；在不改变原有织物结构的基础上，按照筋层的经密要求进行环向加纱，加纱根数B＝b×dJ，其中b为筋层沿圆管环向的宽度，dJ为环向筋层的经纱密度；加纱时，在圆管侧壁预先标识好的加筋位置处均匀地加入B根纱线作为环向筋层的编织经纱，各经纱之间需确保间隔均匀，并与周围部分圆管的初始经纱一起满足圆管状层连织物环向的经密要求；采用移纱换位法完成经纱的加纱；提综装置控制前后综框上下相对运动，带动完成移纱换位的经纱形成B+1层梭口，在每层梭口中单独引入纬纱完成轴向加筋部分的编织；
(5)二次开口运动：提综装置控制前后综框上下相对运动，相邻经纱层相互交错，经纱弯曲并将平直的纬纱捆绑起来，形成新的M+1层梭口；
(6)二次引入纬纱：在新的M+1层梭口中，按步骤⑶的方式分别在每一层梭口中二次引入纬纱，完成二次引纬的操作；
(7)重复步骤(4)～⑹，即得环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物。
步骤(1)中M≥3是为了相互错层，形成层连。步骤(4)中所加筋层的尺寸、位置、纤维体积含量及加筋数量均可设计，且筋层的经纱可贯穿圆管状层连织物的厚度方向，层间连接性好。筋层的经向及纬向纱线密度可根据筋层尺寸及纤维体积含量的要求计算得到，具体计算方法参照现有技术。轴向加筋加筋方向与圆管轴向平行。
本申请编织方法可沿环向或轴向实现单一方向加筋，也可同时沿环向及轴向实现双向加筋。所加筋层的位置及尺寸可设计，沿圆管环向或轴向方向任意位置均可开始或结束编织；同时，筋层纤维体积含量可设计，可与圆管状层连织物纤维体积含量一致，也可不一致。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物及其制备方法可实现圆管状层连织物任意位置的环向及轴向整体加筋，加筋尺寸及纤维体积含量均可设计且结构完整，环向或轴向筋层与圆管织物层间连接性好，解决了圆管状层连织物整体双向加筋的难题，由于所加筋层与圆管状层连织物厚度方向纤维连续，其连接效果远优于原有的胶接或铆接方式，织物经复合后测试，性能完全满足设计指标要求，具有实际应用价值。
附图说明
图1为2.5D结构单胞图。
图2为正交三向结构单胞图。
图3为圆管管壁加筋结构图，(a)为2.5D结构，(b)为正交三向结构。
图4为环向和轴向加筋的圆管状层连织物示意图，图中，1为轴向筋层，2为环向筋层。
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1
采用2.5D结构，经纱为195tex石英纤维×4股，纬纱为195tex石英纤维×6股，圆管状层连织物壁厚为20mm。设计经纱密度为8根/cm，纬纱密度为4根/cm。具体编织步骤如下：
⑴排纱：根据织物设计要求在织机的前后综框中的多眼综丝上排列10层70列经纱；
⑵开口运动：提综装置控制前后综框上下相对运动，带动经纱形成11层梭口；
⑶引入纬纱：在形成的11层梭口中经纱的开口处引入纬纱；
⑷环向加筋：环向筋层的经纱密度为6根/cm，纬纱密度为4根/cm；加纱时，在圆管侧壁预先标识好的加筋位置处均匀地加入15列纱线作为环向筋层的编织经纱，各经纱之间需确保间隔均匀，并与周围部分圆管的初始经纱一起满足圆管状层连织物圆周方向的经密要求；采用移纱换位法完成经纱的加纱；提综装置控制前后综框上下相对运动，带动完成移纱换位的经纱形成16层梭口，在每层梭口中单独引入纬纱完成环向加筋部分的编织；
⑸轴向加筋：轴向筋层的经纱密度为8根/cm，纬纱密度为4根/cm；加纱时，在圆管侧壁预先标识好的加筋位置处均匀地加入10列纱线作为轴向筋层的编织经纱，各经纱之间需确保间隔均匀，并与周围部分圆管的初始经纱一起满足圆管状层连织物圆周方向的经密要求；采用移纱换位法完成经纱的加纱；提综装置控制前后综框上下相对运动，带动完成移纱换位的经纱形成11层梭口，在每层梭口中单独引入纬纱完成轴向加筋部分的编织；
⑹二次开口运动：提综装置控制前后综框上下相对运动，相邻经纱层相互交错，经纱弯曲并将平直的纬纱捆绑起来，形成新的11层梭口；
⑺二次引入纬纱：在新的11层梭口中，按步骤⑶的方式分别在每一层梭口中二次引入纬纱，完成二次引纬操作；
⑻重复步骤(4)～⑺，即获得本发明所述的环向及轴向加筋的圆管状层连织物。
实施例2：
采用正交三向结构，经纱为190tex石英纤维×6股，纬纱为190tex石英纤维×8股，圆管状层连织物壁厚为14mm；设计经纱密度为6根/cm，纬纱密度为4根/cm。具体编织步骤如下：
⑴排纱：根据织物设计要求在织机的前后综框中的多眼综丝上排列6层50列经纱；
⑵开口运动：提综装置控制前后综框上下相对运动，带动经纱形成7层梭口；
⑶引入纬纱：在形成的7层梭口中经纱的开口处引入纬纱；
⑷环向加筋：环向筋层的经纱密度为6根/cm，纬纱密度为4根/cm；加纱时，在圆管侧壁预先标识好的加筋位置处均匀地加入8列纱线作为环向筋层的编织经纱，各经纱之间需确保间隔均匀，并与周围部分圆管的初始经纱一起满足圆管状层连织物圆周方向的经密要求；采用移纱换位法完成经纱的加纱；提综装置控制前后综框上下相对运动，带动完成移纱换位的经纱形成9层梭口，在每层梭口中单独引入纬纱完成环向加筋部分的编织；
⑸轴向加筋：轴向筋层的经纱密度为6根/cm，纬纱密度为4根/cm；加纱时，在圆管侧壁预先标识好的加筋位置处均匀地加入8列纱线作为轴向筋层的编织经纱，各经纱之间需确保间隔均匀，并与周围部分圆管的初始经纱一起满足圆管状层连织物圆周方向的经密要求；采用移纱换位法完成经纱的加纱；提综装置控制前后综框上下相对运动，带动完成移纱换位的经纱形成9层梭口，在每层梭口中单独引入纬纱完成轴向加筋部分的编织；
⑹二次开口运动：提综装置控制前后综框上下相对运动，经纱弯曲并将平直的纬纱捆绑起来，形成新的7层梭口；
⑺二次引入纬纱：在新的7层梭口中，按步骤⑶的方式分别在每一层梭口中二次引入纬纱，完成二次引纬操作；
(8)重复步骤⑷～⑺，即获得本发明所述的环向及轴向加筋的圆管状层连织物。
对比例1
除将圆管和筋层分别成型然后胶接外，其它均参见实施例1。胶接采用环氧树脂胶，牌号为SL1698。
对比例2
除将圆管和筋层分别成型然后铆接外，其它均参见实施例1。铆接采用铝质铆钉，直径2.5mm，铆接间距30mm。
采用型号为GT-807A的环氧树脂对上述各例所得织物进行复合，并根据GB/T1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》测试复合材料的弯曲性能，测试数据见表1。
表1不同加筋方式复合材料性能对比表

Claims (3)

1.一种环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物的编织方法，其特征在于：
环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物，包括圆管及设在圆管管壁且与圆管一体成型的环向和/或轴向筋层；
环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物的编织方法包括顺序相接的如下步骤：
⑴排纱：根据织物尺寸在织机的前后综框中的多眼综丝上排列M层N列经纱；M≥3，N＝πDNJ，其中D为圆管状层连织物的直径，NJ为圆管状层连织物的经纱密度；
⑵开口运动：提综装置控制前后综框上下相对运动，带动经纱形成M+1层梭口；
⑶引入纬纱：在形成的M+1层梭口中经纱的开口处引入纬纱；
⑷加筋编织：环向和/或轴向加筋编织：
a)环向加筋：加筋方向与圆管轴向垂直，在圆管侧壁上标识好筋层沿圆管状层连织物轴向的宽度；在不改变原有织物结构的基础上，按照筋层的经密要求进行环向加纱，加纱根数A＝a×dJ，其中a为筋层沿圆管环向的宽度，dJ为环向筋层的经纱密度；加纱时，在圆管侧壁预先标识好的加筋位置处均匀地加入A根纱线作为环向筋层的编织经纱，各经纱之间需确保间隔均匀，并与周围部分圆管的初始经纱一起满足圆管状层连织物环向的经密要求；采用移纱换位法完成经纱的加纱；提综装置控制前后综框上下相对运动，带动完成移纱换位的经纱形成A+1层梭口，在每层梭口中单独引入纬纱完成环向加筋部分的编织；
b)轴向加筋：在圆管侧壁上标识好筋层沿圆管状层连织物环向的宽度；在不改变原有织物结构的基础上，按照筋层的经密要求进行环向加纱，加纱根数B＝b×dJ，其中b为筋层沿圆管环向的宽度，dJ为环向筋层的经纱密度；加纱时，在圆管侧壁预先标识好的加筋位置处均匀地加入B根纱线作为环向筋层的编织经纱，各经纱之间需确保间隔均匀，并与周围部分圆管的初始经纱一起满足圆管状层连织物环向的经密要求；采用移纱换位法完成经纱的加纱；提综装置控制前后综框上下相对运动，带动完成移纱换位的经纱形成B+1层梭口，在每层梭口中单独引入纬纱完成轴向加筋部分的编织；
⑸二次开口运动：提综装置控制前后综框上下相对运动，相邻经纱层相互交错，经纱弯曲并将平直的纬纱捆绑起来，形成新的M+1层梭口；
⑹二次引入纬纱：在新的M+1层梭口中，按步骤⑶的方式分别在每一层梭口中二次引入纬纱，完成二次引纬的操作；
⑺重复步骤⑷～⑹，即得环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物。
2.如权利要求1所述的环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物的编织方法，其特征在于：环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物包括经纱系统和纬纱系统，经纱和纬纱相互交织成层连结构。
3.如权利要求2所述的环向和/或轴向加筋的圆管状层连织物的编织方法，其特征在于：层连结构包括2.5D直联结构、2.5D弯联结构或正交三向结构，圆管及筋层的结构形式可为以上结构的任意组合。
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