CN104947293A - 一种实心圆柱体织物及其织造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种实心圆柱体织物及其织造方法。该织物包括相互垂直相交的经纱系统、纬纱系统和法向纱系统，其特征在于该织物至少还包括+θ斜向纱系统或者-θ斜向纱系统中的一个；+θ斜向纱系统围绕织物轴心线沿着逆时针方向旋转形成正八棱柱左螺旋形态,且与经纱系统、纬纱系统和法向纱系统相互交织，+θ斜向纱与织物长度方向之间的夹角+θ为10°～80°；-θ斜向纱系统围绕织物轴心线沿着顺时针方向旋转形成正八棱柱右螺旋形态,且与经纱系统、纬纱系统和法向纱系统相互交织，-θ斜向纱与织物长度方向之间的夹角-θ为-10°～-80°。该织造方法特征是斜向纱系统的引入是通过斜向纱纱锭沿着正八边形轨道的运动完成的。
Description
技术领域
本发明涉及立体织物织造技术，具体是一种实心圆柱体织物及其织造方法。
背景技术
C/C复合材料是一种新型高性能的功能复合材料，具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐摩擦和低密度等优异特性，在航空、航天、机械、电子、化工、冶金和核能等领域得到广泛的应用。
C/C复合材料的增强结构通常采用炭纤维预制体织物。文献“抗烧蚀C/C复合材料研究进展”(付前刚等，新型炭材料，2015,30(2)，97-105)指出C/C复合材料预制体通常有炭布叠层、针刺炭毡、三向或多向炭纤维编织物等形式。多向炭纤维预制体结构可以为4D、5D、6D、7D甚至11D或更多纤维取向的坯体结构，如专利文献“Multifilament Composites”(美国专利3949126)所述。
C/C复合材料圆柱体制品是一类重要的C/C复合材料制品，可分为中空圆柱体和实心圆柱体两种结构。针对中空圆柱体结构，文献“不同预制体结构C/C复合材料轴向热力学性能分析”(嵇阿琳等，无机材料学报，2010，25(9)，994-998)指出径棒法、轴棒法、轴向穿刺、炭布叠层针刺和整体毡等五种预制成型方法可以直接制成中空圆柱形预制体。针对实心圆柱体结构织物，目前的制备方法主要有两种。一是先将炭纤维采用现有预制成型方法制成三向立体织物、多向编织物或针刺炭毡等块状胚体，再采用机械切割加工方法制成均一结构的实心圆柱形预制体；二是在中空圆柱织物预制体的基础上，填入轴向芯纱，制成皮芯结构的实体圆柱形预制体织物，如专利文献“MultiaxialThree-dimensional(3D)Circular Woven Fabric”(美国专利6129122)所述实心预制体织物。采用第一种方法制成的实心圆柱形预制体为均一、整体结构，但制得的复合材料实心轴的抗扭强度较低。第二种方法制成的实心圆柱形预制体为皮芯结构，由于轴芯纱与皮层结构中的纱线缺少相互交织，形成织物的整体性较差,因此在扭转、弯曲等过程中容易发生皮芯脱裂，结构遭到破坏，难以实际应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种实心圆柱体织物及其织造方法。该织物在三向立体织物结构中引入空间螺旋分布的斜向纱线系统，且各个系统的纱线相互交织，形成一个整体织物，提高了复合材料实心圆柱体织物制品的抗扭和抗弯性能，有利于实际应用。该织物的织造方法是在现有的三向立体织物织造方法的基础上，增加了斜向纱纱锭的运动系统，设计巧妙，工艺简单，可操作性强。
本发明解决所述织物技术问题的技术方案是，设计一种实心圆柱体织物，包括相互垂直相交的经纱系统、纬纱系统和法向纱系统，其特征在于：该织物至少还包括+θ斜向纱系统或者-θ斜向纱系统中的一个；+θ斜向纱系统围绕织物轴心线沿着逆时针方向旋转形成正八棱柱左螺旋形态,且与经纱系统、纬纱系统和法向纱系统相互交织，+θ斜向纱与织物长度方向之间的夹角+θ为10°～80°；-θ斜向纱系统围绕织物轴心线沿着顺时针方向旋转形成正八棱柱右螺旋形态,且与经纱系统、纬纱系统和法向纱系统相互交织，-θ斜向纱与织物长度方向之间的夹角-θ为-10°～-80°。
本发明解决所述织造方法技术问题的技术方案是，设计一种实心圆柱体织物的织造方法，该织造方法包括顺序工艺相接的如下步骤：
(1)初始排纱：在立体织机上将N行N列的纱锭排列成一个正方形，取正方形的内切圆所包含的纱锭为有效纱锭，在有效纱锭阵列内从外向内设计M个同中心点的正八边形，同一正八边形上的纱锭的运动规律相同；每一个正八边形上的纱锭有三种运动方式：沿逆时针方向运动、沿顺时针方向运动或保持不动，运动方式可根据实际需要调整，沿逆时针或顺时针方向运动的纱锭为斜向纱纱锭，保持不动的纱锭为经纱纱锭；在斜向纱纱锭上悬挂斜向纱线系统，经纱纱锭上悬挂经纱系统；
(2)斜向纱运动：每组斜向纱纱锭沿着正八边形轨道按照逆时针或顺时针方向运动，且每个斜向纱纱锭每次运动n个纱位；
(3)纬纱引入：在由经纱和斜向纱构成的N-1个行间隙中，由引纬纱机构依次逐行引入纬纱，引入纬纱完成后，由打纬机构向织口平移，把纬纱推入织口，然后将打纬机构退出织物；
(4)法向纱引入：在由经纱和斜向纱构成的N-1个列间隙中，由引法向纱机构依次逐列引入法向纱，引入法向纱完成后，由压法向纱机构向织口平移，把法向纱推入织口，然后将压法向纱机构撤出织物；
(5)重复所述工艺步骤(2)-(4)，直至达到织物的目标长度，即得到实心圆柱体织物。
与现有技术相比，发明提供的实心圆柱体织物是在三向立体织物基础上通过引入空间螺旋分布的斜向纱线而形成的一种新型立体织物该织物具有良好的抗扭转性能。斜向纱与织物长度方向的夹角可调，使得该织物具有力学性能可设计性强的特点。
本发明提供的实心圆柱体织物是一个整体结构，贯穿织物的纬纱系统和法向纱系统将经纱系统和斜向纱系统连接在一起，有效解决了现有皮芯结构织物在扭转、弯曲等过程中容易发生皮芯脱裂破坏的技术难题。
本发明提供的实心圆柱体织物织造方法，是在现有的三向立体织物织造方法的基础上，增加了斜向纱纱锭的运动系统，斜向纱纱锭沿着正八边形轨道按照逆时针或顺时针方向运动，工艺简单，可操作性强。
附图说明
图1为现有技术的实心圆柱体织物结构示意图。
图2为本发明的实心圆柱体织物一种实施例的结构示意图。
图3为本发明的实心圆柱体织物一种实施例的剖切面结构示意图。
图4为本发明的实心圆柱体织物一种实施例的横截面结构示意图。
图5为本发明实施例1中的实心圆柱体织物的初始排纱示意图。
图6为本发明实施例1中的实心圆柱体织物的引纬工艺示意图。
图7为本发明实施例1中的实心圆柱体织物的引法向纱工艺示意图。
图8为本发明实施例2中的实心圆柱体织物的初始排纱示意图。
图9为本发明实施例3中的实心圆柱体织物的初始排纱示意图。
图10为本发明实施例4中的实心圆柱体织物的初始排纱示意图。
图中,1为经纱系统或经纱，2为纬纱系统或纬纱，3为法向纱系统或法向沙，4为+θ斜向纱，5为-θ斜向纱，6为纱锭，其中，+θ和-θ为斜向纱与织物长度方向的夹角(参见图3)，7为织物长度方向。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步叙述本发明。但本申请权利要求保护的内容不受限于下面所述的实施例。
现有的实心圆柱体织物是一种三向立体织物结构(参见附图1),织物中包含经纱系统1、纬纱系统2和法向纱系统3，三个纱线系统相互垂直交织。
本发明设计的实心圆柱体织物是在三向立体织物结构中引入了空间螺旋分布的斜向纱线系统(参见附图2和3)，织物中包括经纱系统1、纬纱系统2和法向纱系统3，其特征在于该织物中还包含+θ斜向纱系统4和-θ斜向纱系统5中的至少一个；经纱1沿着织物长度方向7伸直；+θ斜向纱4围绕织物轴心线沿着逆时针方向旋转形成正八棱柱左螺旋形态，与织物长度方向7之间的夹角+θ为10°～80°；-θ斜向纱5围绕织物轴心线沿着顺时针方向旋转形成正八棱柱右螺旋形态，与织物长度方向7之间的夹角-θ为-10°～-80°；纬纱2和法向纱3相互垂直，并沿着垂直于织物长度方向7,贯穿经纱1、+θ斜向纱4和-θ斜向纱5；不同取向的纱线系统相互交织，构成一个整体性优异的立体织物。
本发明所述实心圆柱体织物的横截面内(参见附图4)，经纱1、+θ斜向纱4和-θ斜向纱5按行列方式排列，其中，+θ斜向纱4和-θ斜向纱5由外向内排列成多个同中心点的正八边形，同一正八边形上的斜向纱为一组，螺旋方向相同。纬纱2伸直分布在由经纱1、+θ斜向纱4和-θ斜向纱构成的行间隙内。法向纱3伸直分布在由经纱1、+θ斜向纱4和-θ斜向纱5构成的列间隙内。
本发明所述实心圆柱体织物的进一步特征在于该织物同时包括+θ斜向纱系统4和-θ斜向纱系统5。
本发明所述实心圆柱体织物的进一步特征在于斜向纱与织物长度方向7的夹角±θ为±45°。
在上述实心圆柱体织物中，+θ斜向纱和-θ斜向纱由外向内排列的顺序可根据实际性能需要设计调整。
在上述实心圆柱体织物中，斜向纱与织物长度方向的夹角±θ是通过调整织物中纱线排列密度和斜向纱纱锭的运动纱位数来控制的。
本发明同时设计了所述实心圆柱体织物的织造方法，该织造方法包括顺序工艺相接的如下步骤：
(1)初始排纱：在立体织机上将N行N列的纱锭排列成一个正方形，取正方形的内切圆所包含的纱锭为有效纱锭，在有效纱锭阵列内从外向内设计M个同中心点的正八边形，同一正八边形上的纱锭的运动规律相同；每一个正八边形上的纱锭有三种运动方式：沿逆时针方向运动、沿顺时针方向运动或保持不动，运动方式可根据实际需要调整，沿逆时针或顺时针方向运动的纱锭为斜向纱纱锭，保持不动的纱锭为经纱纱锭；在斜向纱纱锭上悬挂斜向纱线系统，经纱纱锭上悬挂经纱系统；
(2)斜向纱运动：每组斜向纱纱锭沿着正八边形轨道按照逆时针或顺时针方向运动，且每个斜向纱纱锭每次运动n个纱位；
(3)纬纱引入：在由经纱和斜向纱构成的N-1个行间隙中，由引纬纱机构依次逐行引入纬纱，引入纬纱完成后，由打纬机构向织口平移，把纬纱推入织口，然后将打纬机构退出织物；
(4)法向纱引入：在由经纱和斜向纱构成的N-1个列间隙中，由引法向纱机构依次逐列引入法向纱，引入法向纱完成后，由压法向纱机构向织口平移，把法向纱推入织口，然后将压法向纱机构撤出织物；
(5)重复所述工艺步骤(2)-(4)，直至达到织物的目标长度，即得到实心圆柱体织物。
上述步骤(1)中，纱锭的行列数可根据圆柱体织物的直径和织造工艺参数来具体设计。
上述步骤(2)中，经纱纱锭保持不动。
上述步骤(5)中，织物的目标长度可根据用户的需求来设定。
本发明织造方法中，斜向纱系统的引入是通过斜向纱纱锭沿着正八边形轨道的运动工艺完成的。在上述实心圆柱体织物中，+θ斜向纱和-θ斜向纱由外向内排列的顺序可根据实际性能需要设计调整。
在上述实心圆柱体织物中，斜向纱与织物长度方向的夹角±θ是通过调整织物中纱线排列密度和斜向纱纱锭的运动纱位数来控制的。
本发明未述及之处适用于现有技术。
下面给出本发明的具体实施例。
实施例1
研制一个横截面直径为50mm的实心圆柱体立体织物。2经纱1、纬纱2、法向纱3和斜向纱4均为12K碳纤维。织物横截面内纱线行列密度为5×5根/cm2，运动方式排列为[45/0/-45/0]2，其中，45代表+θ斜向纱与织物长度方向的夹角为45°，-45代表-θ斜向纱与织物长度方向的夹角为-45°，0代表平行于织物长度方向的0°经纱，下标代表循环排列次数。
织物工艺参数设计：
(1)织物横截面外接正四边形内纱线的行(列)数N：纱线行(列)数N＝织物横截面的直径×纱线行(列)密度+1＝50/10×5+1＝26行(列)。
(2)斜向纱运动纱位数n：斜向纱运动纱位数n＝1。
(3)正八边形轨迹数M：正八边形轨迹数M＝运动方式排列数×循环次数＝4×2＝8。
(4)织物的纬密Pw：织物纬密Pw＝纱线行(列)密度×TAN(θ)÷斜向纱运动纱位数＝5×TAN(45°)÷1＝5根/cm。
具体实施步骤：
(1)初始排纱：在立体织机上将26行26列的纱锭排6列成一个正方形，取正方形的内切圆所包含的纱锭为有效纱锭，参见附图5。在有效纱锭阵列内从外向内设计8个同中心点的正八边形。按照[45/0/-45/0]的规律在正八边形轨迹中的纱锭上悬挂纱线，从外向内依次是+θ斜向纱4、0°经纱1、-θ斜向纱5、0°经纱1，重复排列2次。在其他有效纱锭上悬挂经纱1。
(2)斜向纱运动：参见附图5中标注的箭头方向，+θ斜向纱4沿着正八边形轨道按照逆时针方向运动1个纱位；-θ斜向纱5沿着正八边形轨道按照顺时针方向运动1个纱位；经纱1保持不动。
(3)纬纱引入：在由经纱1、+θ斜向纱4和-θ斜向纱5构成的25个行间隙中，由引纬纱机构依次逐行引入纬纱2，参加附图6，引入纬纱完成后，由压纬机构向织口平移，把纬纱推入织口，控制织物纬密为5根/cm，然后将打纬机构撤出织物。
(4)法向纱引入：在由经纱1、+θ斜向纱4和-θ斜向纱5构成的25个列间隙中，由引法向纱机构依次逐列引入法向纱3，参见附图7，引入法向纱完成后，由压法向纱机构向织口平移，把法向纱推入织口，然后将压法向纱机构撤出织物。
(5)重复上述工艺步骤(2)-(4)至织物的目标长度，即得斜向纱与织物长度方向的夹角为45°、直径为50mm的实心圆柱体织物。
实施例2
研制一种横截面直径为60mm的实心圆柱体立体织物。经纱、斜向纱均为12K碳纤维，纬纱、法向纱为6K碳纤维。织物横截面纱线行列密度为5×5根/cm2，运动方式排列[+θ/0/-θ/0/0]2，织物纬密为8根/cm。
织物工艺参数设计：
(1)织物横截面外接正四边形内纱线的行(列)数N：纱线行(列)数N＝织物横截面的直径×纱线行(列)密度+1＝60/10×5+1＝31行(列)；
(2)斜向纱运动纱位数n：斜向纱运动纱位数n＝2。
(3)正八边形轨迹数M：正八边形轨迹数M＝运动方式排列数×循环次数＝5×2＝10。
(4)斜向纱与织物长度方向的夹角θ：TAN(θ)＝织物纬密×斜向纱运动纱位数÷纱线行(列)密度＝8×2÷5＝3.2，θ＝72.6°。
具体实施步骤：
(1)初始排纱：在立体织机上将31行31列的纱锭6排列成一个正方形，取正方形的内切圆所包含的纱锭为有效纱锭，参见附图8。在有效纱锭阵列内从外向内设计10个同中心点的正八边形。按照[+θ/0/-θ/0/0]的规律在正八边形轨迹中的纱锭上悬挂纱线，从外向内依次是+θ斜向纱4、0°经纱1、-θ斜向纱5、0°经纱1、0°经纱1，重复排列2次。在其他有效纱锭上悬挂经纱1。
(2)斜向纱运动：参见附图8中标注的箭头方向，+θ斜向纱4沿着正八边形轨道按照逆时针方向运动2个纱位；-θ斜向纱5沿着正八边形轨道按照顺时针方向运动2个纱位；经纱1保持不动。
(3)纬纱引入：在由经纱1、+θ斜向纱4和-θ斜向纱5构成的30个行间隙中，由引纬纱机构依次逐行引入纬纱2，引入纬纱完成后，由压纬机构向织口平移，把纬纱推入织口，控制织物纬密为8根/cm，然后将打纬机构撤出织物。
(4)法向纱引入：在由经纱1、+θ斜向纱4和-θ斜向纱5构成的30个列间隙中，由引法向纱机构依次逐列引入法向纱3，引入法向纱完成后，由压法向纱机构向织口平移，把法向纱推入织口，然后将压法向纱机构撤出织物。
(5)重复上述工艺步骤(2)-(4)至织物的目标长度，即得斜向纱与织物长度方向的夹角为72.6°、直径为60mm的实心圆柱体织物。
实施例3
研制一种横截面直径为40mm的实心圆柱体立体织物。经纱、斜向纱均为12K碳纤维，纬纱、法向纱为9K碳纤维。织物横截面纱线行列密度为7×7根/cm2，运动方式排列[+θ/-θ/0]3，织物纬密为3.5根/cm。
织物工艺参数设计：
(1)织物横截面外接正四边形内纱线的行(列)数N：纱线行(列)数N＝织物横截面的直径×纱线行(列)密度+1＝40/10×7+1＝29行(列)。
(2)斜向纱运动纱位数n：斜向纱运动纱位数n＝1。
(3)正八边形轨迹数M：正八边形轨迹数M＝运动方式排列数×循环次数＝3×3＝9。
(4)斜向纱与织物长度方向的夹角θ：tan(θ)＝织物纬密×斜向纱运动纱位数÷纱线行(列)密度＝3.5×1÷7＝0.5，θ＝26.6°。
具体实施步骤：
(1)初始排纱：在立体织机上将29行29列的纱锭6排列成一个正方形，取正方形的内切圆所包含的纱锭为有效纱锭，参见附图9。在有效纱锭阵列内从外向内设计9个同中心点的正八边形。按照[+θ/-θ/0]的规律在正八边形轨迹中的纱锭上悬挂纱线，从外向内依次是+θ斜向纱4、-θ斜向纱5、0°经纱1，重复排列3次。在其他有效纱锭上悬挂经纱1。
(2)斜向纱运动：参见附图9中标注的箭头方向，+θ斜向纱4沿着正八边形轨道按照逆时针方向运动1个纱位；-θ斜向纱5沿着正八边形轨道按照顺时针方向运动1个纱位；经纱1保持不动。
(3)纬纱引入：在由经纱1、+θ斜向纱4和-θ斜向纱5构成的28个行间隙中，由引纬纱机构依次逐行引入纬纱2，引入纬纱完成后，由压纬机构向织口平移，把纬纱推入织口，控制织物纬密为3.5根/cm，然后将打纬机构撤出织物。
(4)法向纱引入：在由经纱1、+θ斜向纱4和-θ斜向纱5构成的28个列间隙中，由引法向纱机构依次逐列引入法向纱3，引入法向纱完成后，由压法向纱机构向织口平移，把法向纱推入织口，然后将压法向纱机构撤出织物。
(5)重复上述工艺步骤(2)-(4)至织物的目标长度，即得斜向纱与织物长度方向的夹角为26.6°、直径为40mm的实心圆柱体立体织物。
实施例4
研制横截面直径为40mm的实心圆柱体立体织物。经纱、斜向纱均为12K碳纤维，纬纱、法向纱为9K碳纤维。织物横截面纱线行列密度为7×7根/cm2，运动方式排列[+θ/0]4，织物纬密为3.5根/cm。
织物工艺参数设计：
(1)织物横截面外接正四边形内纱线的行(列)数N：纱线行(列)数N＝织物横截面的直径×纱线行(列)密度+1＝40/10×7+1＝29行(列)。
(2)斜向纱运动纱位数n：斜向纱运动纱位数n＝2。
(3)正八边形轨迹数M：正八边形轨迹数M＝运动方式排列数×循环次数＝2×4＝8。
(4)斜向纱与织物长度方向的夹角θ：TAN(θ)＝织物纬密×斜向纱运动纱位数÷纱线行(列)密度＝3.5×2÷7＝1，θ＝45°。
具体实施步骤：
(1)初始排纱：在立体织机上将29行29列的纱锭6排列成一个正方形，取正方形的内切圆所包含的纱锭为有效纱锭，参见附图10。在有效纱锭阵列内从外向内设计8个同中心点的正八边形。按照[+θ/0]的规律在正八边形轨迹中的纱锭上悬挂纱线，从外向内依次是+θ斜向纱4、0°经纱1，重复排列4次。在其他有效纱锭上悬挂经纱1。
(2)斜向纱运动：参见附图10中标注的箭头方向，+θ斜向纱4沿着正八边形轨道按照逆时针方向运动2个纱位；经纱1保持不动。
(3)纬纱引入：在由经纱1和+θ斜向纱4构成的28个行间隙中，由引纬纱机构依次逐行引入纬纱2，引入纬纱完成后，由压纬机构向织口平移，把纬纱推入织口，控制织物纬密为3.5根/cm，然后将打纬机构撤出织物。
(4)法向纱引入：在由经纱1和+θ斜向纱4构成的28个列间隙中，由引法向纱机构依次逐列引入法向纱3，引入法向纱完成后，由压法向纱机构向织口平移，把法向纱推入织口，然后将压法向纱机构撤出织物。
(5)重复上述工艺步骤(2)-(4)至织物的目标长度，即得斜向纱与织物长度方向的夹角为45°、直径为40mm的实心圆柱体立体织物。
Claims (4)
1.一种实心圆柱体织物，包括相互垂直相交的经纱系统、纬纱系统和法向纱系统，其特征在于：该织物至少还包括+θ斜向纱系统或者-θ斜向纱系统中的一个；+θ斜向纱系统围绕织物轴心线沿着逆时针方向旋转形成正八棱柱左螺旋形态,且与经纱系统、纬纱系统和法向纱系统相互交织，+θ斜向纱与织物长度方向之间的夹角+θ为10°～80°；-θ斜向纱系统围绕织物轴心线沿着顺时针方向旋转形成正八棱柱右螺旋形态,且与经纱系统、纬纱系统和法向纱系统相互交织，-θ斜向纱与织物长度方向之间的夹角-θ为-10°～-80°。
2.根据权利要求1所述的实心圆柱体织物，其特征在于：该织物同时包括+θ斜向纱系统和-θ斜向纱系统。
3.根据权利要求1所述的实心圆柱体织物，其特征在于：斜向纱与织物长度方向的夹角±θ为±45°。
4.权利要求1-3任意一项所述实心圆柱体织物的织造方法，其特征在于：该织造方法包括顺序工艺相接的如下步骤：
(1)初始排纱：在立体织机上将N行N列的纱锭排列成一个正方形，取正方形的内切圆所包含的纱锭为有效纱锭，在有效纱锭阵列内从外向内设计M个同中心点的正八边形，同一正八边形上的纱锭的运动规律相同；每一个正八边形上的纱锭有三种运动方式：沿逆时针方向运动、沿顺时针方向运动或保持不动，运动方式可根据实际需要调整，沿逆时针或顺时针方向运动的纱锭为斜向纱纱锭，保持不动的纱锭为经纱纱锭；在斜向纱纱锭上悬挂斜向纱线系统，经纱纱锭上悬挂经纱系统；
(2)斜向纱运动：每组斜向纱纱锭沿着正八边形轨道按照逆时针或顺时针方向运动，且每个斜向纱纱锭每次运动n个纱位；
(3)纬纱引入：在由经纱和斜向纱构成的N-1个行间隙中，由引纬纱机构依次逐行引入纬纱，引入纬纱完成后，由打纬机构向织口平移，把纬纱推入织口，然后将打纬机构退出织物；
(4)法向纱引入：在由经纱和斜向纱构成的N-1个列间隙中，由引法向纱机构依次逐列引入法向纱，引入法向纱完成后，由压法向纱机构向织口平移，把法向纱推入织口，然后将压法向纱机构撤出织物；
(5)重复所述工艺步骤(2)-(4)，直至达到织物的目标长度，即得到所述实心圆柱体织物。
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