CN105774093A - 一种梯度结构穿刺织物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯度结构穿刺织物及其制备方法，织物包括X‑Y向平面单元层和垂直穿刺X‑Y向平面单元层的多束Z向纤维束，所述X‑Y向平面单元层由织物片材叠成，多束Z向纤维束相互平行，且多束Z向纤维束的X‑Y向截面包括至少两个梯度区域。制备方法包括步骤一、确定每个区域内Z向纤维束的间距和数量；步骤二、排布钢针阵列；步骤三、穿刺织物片材；步骤四、Z向纤维束置换。该种梯度结构穿刺织物由纤维体积含量不同的梯度区域构成，通过织物制备抗烧蚀复合材料时，织物的梯度结构为基体填充提供通道，根据基体填充量来设计织物Z向纤维束的间距，满足复合材料对不同部位烧蚀性能要求。同时减少了Z向纤维束数量，降低成本，使织物的制备过程简单。

Description

一种梯度结构穿刺织物及其制备方法
技术领域
本发明属于立体织物编织领域，具体涉及一种梯度结构穿刺织物及其制备方法。
背景技术
梯度结构材料是新兴的高科技新型材料，因其具有良好的力学性能，被广泛的应用于航空航天、交通、军事等领域。
申请号201410159117.4，名称为“一种体密度梯度变化的碳纤维针刺预制体”的发明专利，公开了一种体密度梯度变化的碳纤维针刺预制体，该预制体由三层碳纤维针刺预制体多角度逐层交叉连续针刺而成，中间层预制体的密度比上下两层的密度大，各层预制体由一层0/90度铺层的无纬碳布与一层网胎复合，逐层连续针刺而成。虽然中间层预制体的密度比上下两层的密度大，但是该预制体是通过将不同密度的预制体叠加在一起来实现梯度结构的制备，操作繁琐，且仅实现厚度方向密度变化，而平面方向密度的规律变化并未涉及。
申请号200810017268.0，名称为“制备其密度呈梯度分布的炭/炭复合材料的装置及方法”的发明专利，公开了基于制备炭/炭复合材料的均热法化学气相渗透技术，采用制件预制体内外表面分别通高浓度反应气体和惰性保护气体或低浓度反应气体，利用内外表面不同反应气体浓度，并控制气体沿预定方向流动的方法，在沿制件径向形成显著的反应气体浓度梯度，利用不同反应气体浓度在相同温度条件下的不同沉积速率，得到密度外高内低的密度梯度分布的炭/炭复合材料。虽然该专利实现了材料沿径向密度外高内低的密度梯度分布，但是通过不同的浸透量来实现密度差异，而增强体本身密度均匀一致，况且制备时间很长、成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梯度结构穿刺织物及其制备方法，解决现有技术中尚无整体成型的Z向纤维束间距呈梯度变化的穿刺织物的技术缺陷。
为了解决该技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种梯度结构穿刺织物，包括X-Y向平面单元层和垂直穿刺X-Y向平面单元层的多束Z向纤维束，所述X-Y向平面单元层由多个织物片材叠成，多束Z向纤维束相互平行，且多束Z向纤维束的X-Y向截面包括至少两个梯度区域，同一梯度区域中相邻的Z向纤维束的X向间距相等、Y向间距相等，X向间距为Y向间距的1～4倍；相邻梯度区域的Z向纤维束间距不等，Z向纤维束间距包括X向间距和Y向间距；相邻梯度区域的织物纤维体积含量不同，同一梯度区域的织物纤维体积含量为X-Y向平面单元层的纤维体积含量与Z向纤维束的纤维体积含量之和；所述同一梯度区域织物纤维体积含量与该梯度区域Z向纤维束间距满足以下关系：
式中，Vf为织物纤维体积含量；
V平面为织物X-Y向平面单元层纤维体积含量；
VZ向为织物Z向纤维体积含量；
ρ面为X-Y向平面单元层织物片材的面密度，单位为g/m2；
ρ体为纤维的体积密度，单位为g/m3；
n为X-Y向平面单元层织物片材的层密度，单位为层/cm；
Nt为Z向纤维束总线密度，单位为g/km；
d1、d2分别为相邻Z向纤维束在X向、Y向的间距，单位为mm。
所述织物相邻梯度区域的Z向纤维束间距不等，包括三种情况：1)、相邻梯度区域的Z向纤维束的X向间距不相等、Y向间距部相等；2)、X向间距相等、Y向间距不相等；3)、X向间距、Y向间距均不相等。一种织物对应上述三种中情况的一种。
进一步改进，所述X-Y向平面单元层由编织物、机织物、网胎织物、针刺织物、针织物中的一种或两种以上的织物片材叠成，织物片材成本低，且片材来源广，一般的织物经过剪裁满足尺寸要求即可。
进一步改进，所述Z向纤维束的间距变化范围为0.6～8.0mm，包括织物各个梯度区域的Z向纤维束的X向间距和Y向间距的变化范围；织物纤维体积含量变化范围为30～60％，包括织物各个梯度区域的纤维体积含量的变化范围，织物纤维体积含量为X-Y向平面单元层的纤维体积含量与Z向纤维束的纤维体积含量之和。
ρ面、ρ体、Nt为已知参数，n可根据经验值判定。因此，根据上述公式计算通过纤维体积含量的变化范围可以得到织物Z向纤维束在X向、Y向的间距的乘积，再根据X向间距为Y向间距的1～4倍，确定X向间距和Y向间距。
进一步改进，所述多束Z向纤维束的X-Y向截面由中心梯度区域和至少一个嵌套在中心梯度区域外的环形梯度区域构成。
进一步改进，所述多束Z向纤维束的X-Y向截面包括四个梯度区域，分别为中心区域和三个由内到外嵌套的环形区域，同一梯度区域中相邻Z向纤维束的X向间距与Y向间距相等。
进一步改进，所述多束Z向纤维束的X-Y向截面由至少两个条形梯度区域构成。
上述梯度结构穿刺织物的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、确定每个梯度区域内Z向纤维束的间距和数量：根据织物每个梯度区域的纤维体积含量设定值，得出各个梯度区域内Z向纤维束的X向间距、Y向间距，通过上述公式计算通过纤维体积含量的变化范围可以得到织物Z向纤维束在X向、Y向的间距的乘积，再根据X向间距为Y向间距的1～4倍，确定X向间距和Y向间距。并根据每个梯度区域的面积设定值确定各梯度区域中Z向纤维束的数量，为钢针阵列的排布提供数据基础。
步骤二、排布钢针阵列：确定钢针的数量，使其与步骤一中的Z向纤维束的数量相等，按钢针梯度区域分别进行排布，将所有钢针垂直设置在变厚度限位装置组合上形成钢针阵列，且钢针阵列的X-Y向截面包括至少两个钢针梯度区域，同一钢针梯度区域内钢针的间距和数量与对应梯度区域内Z向纤维束的间距和数量分别相等，利用度限位装置与钢针阵列的组合，为梯度结构穿刺织物的制备提供架构。
步骤三、穿刺织物片材：将织物片材放置在钢针阵列顶部，使用穿刺设备将织物片材刺入钢针阵列，并将多个织物片材逐层下移并加压密实，被压实的织物片材形成X-Y向平面单元层。
步骤四，重复步骤三，并将多个织物片材逐层下移、加压密实，直至达到织物设计高度；
步骤五、置换Z向纤维束：采用Z向纤维束置换钢针，获得梯度结构穿刺织物。该种梯度结构穿刺织物，在制备抗烧蚀复合材料时，纤维体积含量越高，基体填充越少，因此，可根据基体填充量的要求设计织物密度梯度，以满足复合材料不同部位的烧蚀性能要求。
进一步改进，所述变厚度限位装置组合包括与钢针数量相同的限位装置，且所有限位装置构成与钢针梯度区域对应的限位装置梯度区域，同一限位装置梯度区域内的限位装置尺寸相等，相邻限位装置梯度区域内的限位装置尺寸呈梯度变化，同一限位装置梯度区域内限位装置的数量与对应钢针梯度区域内的钢针数量相等。所述限位装置为现有技术，本发明中所述变厚度限位装置组合是将不同尺寸的限位装置按设计要求进行组合即可。
进一步改进，在上述Z向纤维束的间距变化范围内任选两种以上间距的变化组合，并根据此组合选择限位装置边长尺寸与钢针直径；所述限位装置X-Y向截面为矩形，同一钢针梯度区域中相邻钢针的X向间距等于钢针直径与限位装置的长度之和，Y向间距等于钢针直径与限位装置的宽度之和。
进一步改进，所述钢针阵列包括四个钢针梯度区域，分别为中心区域和三个由内到外嵌套的环形区域，同一钢针梯度区域中相邻钢针的X向间距与Y向间距相等，每个限位装置的宽度与长度相等，钢针直径为0.6mm，从内到外四个钢针梯度区域中钢针间距分别为1.2mm、1.7mm、2.3mm、3.2mm，则四个限位装置梯度区域中限位装置单元的长/宽尺寸分别为0.6mm、1.1mm、1.7mm、2.6mm，最外层环形区域的Z向纤维束间距较小，确保织物边部的致密性，防止松散。
进一步改进，织物X-Y向平面单元层由平面为T300-3K碳布组成，Z向纤维束为T300-3K碳纤维，织物X-Y向截面由内到外分为四个纤维体积含量梯度区域，则对应四个Z向纤维束间距梯度区域，中心区域为正方形，从内到外不同梯度区域构成回字型，同一梯度区域中相邻Z向纤维束的X向间距与Y向间距相等。由内向外四个梯度区域Z向纤维束间距分别为1.2mm、1.7mm、2.3mm、3.2mm。该类织物对中心区域的抗烧蚀性要求高，因此在后序复合过程中会加入特殊基体，但是该种基体对碳纤维造成损伤，通过梯度设计使织物中心区域Z向纤维束间距较小，则使该织物在复合时中心区域注入的特殊基体较少，降低了对碳纤维的损伤；同时外部环形区域Z向纤维束间距较大，注入的特殊基体较多，满足了抗烧蚀性要求，因为外部环形区域嵌套在中心区域外部，则中心区域也满足抗烧蚀性要求。该种梯度结构穿刺织物，在制备抗烧蚀复合材料时，纤维体积含量越高，基体填充越少，因此，可根据基体填充量的要求来设计织物密度梯度，以满足复合材料不同部位的烧蚀性能要求。
本发明梯度结构穿刺织物，减少了Z向纤维束的数量，且由于Z向纤维束的间距越小其制备过程越复杂，通过利用度限位装置与钢针阵列的组合方式，调整Z向纤维束之间的间距，解决了现有技术中尚无整体成型的Z向纤维束间距呈梯度变化的穿刺织物的技术缺陷，同时使织物的制作过程简单、操作方便，且成本低。使用该种结构及成型方法制备的立体织物经复合后主要应用于航空航天热结构材料及耐烧蚀、抗侵蚀结构功能一体化材料，具有实际应用价值。
本发明中未提及的技术均参照现有技术。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明所述梯度结构穿刺织物由纤维体积含量不同的梯度区域构成，通过织物制备抗烧蚀复合材料时，织物的梯度结构为基体填充提供通道，纤维体积含量越高，基体填充越少，根据基体填充量来设计织物Z向纤维束的间距，满足复合材料对不同部位烧蚀性能要求。
2、本发明梯度结构穿刺织物，减少了Z向纤维束的数量，降低成本；且由于Z向纤维束的间距越小其制备过程越复杂，采用Z向纤维束间距梯度设置，使织物的制制备程简单、操作方便。
3、通过利用度限位装置与钢针阵列的组合方式，调整Z向纤维束之间的间距，钢针矩阵和限位装置组合为织物的制备提供架构，采用Z向纤维束置换钢针，操作方便。
附图说明
图1为本发明所述织物穿刺织物结构示意图。
图2为织物X-Y向梯度结构示意图。
图3为织物X-Z向梯度结构示意图。
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释本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例一：
一种梯度结构穿刺织物，为正交三向结构，X-Y向平面单元层由平面为T300-3K碳布组成，Z向纤维束为T300-3K碳纤维，织物尺寸为180×180×100(mm)，织物纤维体积含量为45％，由内到外四个梯度区域的Z向纤维体积含量分别为3.3％、1.5％、0.7％、0.3％，织物X-Y向平面单元层纤维体积含量为43.24％，内到外四个梯度区域的纤维体积含量分别46.54％、44.74％、43.94％、43.54％。
织物X-Y向截面由内到外分为四个纤维体积含量梯度区域，则对应四个Z向纤维束间距梯度区域，中心区域为正方形，从内到外不同梯度区域构成回字型，同一梯度区域中Z向纤维束的X向间距与Y向间距相等。织物X-Y向截面由中心向外相邻Z向纤维束的间距分别为1.2mm、1.7mm、2.3mm、3.2mm，对应四个梯度区域面积和Z向纤维束T300-3K碳纤维矩阵行列数分别为：87.1×87.1mm2、73行×73列；(87.1×87.1～111.1×111.1)mm2、15行×15列；(111.1×111.1～157.1×157.1)mm2；20行×20列；(157.1×157.1～181.7×181.7)mm2、21行×21列，则织物的Z向纤维束T300-3K碳纤维共15369束。
上述织物的具体编织步骤如下，如图1～3所示：
步骤一、根据织物X-Y向截面由内到外分为四个纤维体积含量梯度区域，确定Z向纤维束间距由织物X-Y向截面中心向外的四个设定值和分别为1.2mm、1.7mm、2.3mm、1.2mm；根据四个梯度区域尺寸设定值，确定Z向纤维束15369束。
步骤二、根据步骤一中Z向纤维束间距值，选择限位装置与钢针阵列的组合，共15369个限位装置通过限位工装组装形成变厚度限位装置组合，限位装置X-Y向截面为正方形，钢针2直径为0.6mm，钢针2的间距等于钢针2直径与限位装置的边长之和，同一钢针梯度区域相邻钢针的间距与对应区域Z向纤维束间距相等，则四个限位装置区域内限位装置的边长分别为0.6mm、1.1mm、1.7mm、2.6mm。
步骤三、排布钢针阵列：按钢针梯度区域分别进行排布，钢针阵列为钢针矩阵，钢针矩阵尺寸为180×180(mm)，从内到外不同钢针区域构成回字型，如图2所示，四个钢针梯度区域的面积和钢针矩阵行列数分别为：87.1×87.1mm2、73行×73列；(87.1×87.1～111.1×111.1)mm2、15行×15列；(111.1×111.1～157.1×157.1)mm2；20行×20列；(157.1×157.1～181.7×181.7)mm2、21行×21列，共需要钢针15369根。
步骤四、整体穿刺：将尺寸为180×180(mm)的T300-3K碳布片材1放置在钢针矩阵顶部，使用穿刺设备将碳布刺入钢针矩阵，并下移至钢针矩阵底部加压密实。
步骤五、重复步骤四，直至织物高度达到100mm停止操作。
步骤六、Z向纤维置换：按照各区域间距设计要求，采用T300-3K碳纤维置换钢针2，共需T300-3K碳纤维15369束，T300-3K碳纤维束长度为100mm，最终即获得梯度结构穿刺织物。
对比例一：
一种穿刺织物，包括X-Y向平面单元层和垂直穿刺X-Y向平面单元层的多束Z向纤维束，所述X-Y向平面单元层由织物片材2组成，多束Z向纤维束相互平行，多束Z向纤维束的间距相等。
X-Y向平面单元层由平面为T300-3K碳布组成，Z向纤维束为T300-3K碳纤维，织物尺寸为180×180×100(mm)，Z向纤维束的间距为1.1mm，Z向T300-3K碳纤维的矩阵为180×180mm、150行×150列，共需要Z向T300-3K碳纤维22500束，长度为100mm。
实施例一与对比例一相比：
实施例一中，Z向T300-3K碳纤维15369束；对比例一中，Z向T300-3K碳纤维22500束，实施例一中节省Z向T300-3K碳纤维为32％，降低了成本；同时由于Z向纤维束的间距越小其制备过程越复杂，实施例一中采用Z向纤维束间距梯度设计，使织物的制制备过程简单、操作方便。
碳纤维织物对中心区域的抗烧蚀性要求高，因此在后序复合过程中会加入特殊基体材料，但是这种基体材料会对碳纤维造成损伤。实施例一中通过梯度设计使织物中心区域Z向纤维束间距最小，则使该织物在复合时中心区域注入的特殊基体较少，降低了对碳纤维的损伤；同时外部环形区域Z向纤维束间距较大，注入的特殊基体较多，满足了抗烧蚀性要求。
本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种梯度结构穿刺织物，其特征在于，包括X-Y向平面单元层和垂直穿刺X-Y向平面单元层的多束Z向纤维束，所述X-Y向平面单元层由多个织物片材叠成，多束Z向纤维束相互平行，且多束Z向纤维束的X-Y向截面包括至少两个梯度区域，同一梯度区域中的Z向纤维束的X向间距相等、Y向间距相等，X向间距为Y向间距的1～4倍；相邻梯度区域的Z向纤维束间距不等，Z向纤维束间距包括X向间距和Y向间距；相邻梯度区域的织物纤维体积含量不同，同一梯度区域织物纤维体积含量为X-Y向平面单元层的纤维体积含量与Z向纤维束的纤维体积含量之和；同一梯度区域的织物纤维体积含量与该梯度区域Z向纤维束间距满足以下关系：
式中，Vf为织物纤维体积含量；
V平面为织物X-Y向平面单元层纤维体积含量；
VZ向为织物Z向纤维体积含量；
ρ面为X-Y向平面单元层织物片材的面密度，单位为g/m2；
ρ体为纤维的体积密度，单位为g/m3；
n为X-Y向平面单元层织物片材的层密度，单位为层/cm；
Nt为Z向纤维束总线密度，单位为g/km；
d1、d2分别为相邻Z向纤维束在X向、Y向的间距，单位为mm。
2.根据权利要求1所述的梯度结构穿刺织物，其特征在于，所述X-Y向平面单元层由编织物、机织物、网胎织物、针刺织物、针织物中的一种或两种以上的织物片材叠成。
3.根据权利要求1所述的梯度结构穿刺织物，其特征在于，所述Z向纤维束的间距变化范围为0.6～8.0mm，织物纤维体积含量变化范围为30～60％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的梯度结构穿刺织物，其特征在于，所述多束Z向纤维束的X-Y向截面由中心梯度区域和至少一个嵌套在中心梯度区域外的环形梯度区域构成。
5.根据权利要求4所述的梯度结构穿刺织物，其特征在于，所述多束Z向纤维束的X-Y向截面包括四个梯度区域，分别为中心区域和三个由内到外嵌套的环形区域，同一梯度区域中相邻Z向纤维束的X向间距与Y向间距相等。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的梯度结构穿刺织物，其特征在于，所述多束Z向纤维束的X-Y向截面由至少两个条形梯度区域构成。
7.权利要求1～6中任一项所述的梯度结构穿刺织物制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、确定每个梯度区域内Z向纤维束的间距和数量：根据织物每个梯度区域的纤维体积含量设定值，得出各个梯度区域内Z向纤维束的X向间距、Y向间距，并根据每个梯度区域面积的设定值确定各梯度区域中Z向纤维束的数量；
步骤二、排布钢针阵列：确定钢针的数量，使其与步骤一中的Z向纤维束的数量相等，将所有钢针垂直设置在变厚度限位装置组合上形成钢针阵列，且钢针阵列的X-Y向截面包括至少两个钢针梯度区域，同一钢针梯度区域内钢针的间距和数量与对应梯度区域内Z向纤维束的间距和数量分别相等；
步骤三、穿刺织物片材：将织物片材放置在钢针阵列顶部，使用穿刺设备将织物片材刺入钢针阵列；
步骤四，重复步骤三，并将多个织物片材逐层下移、加压密实，直至达到织物设计高度；
步骤五、置换Z向纤维束：采用Z向纤维束置换钢针，获得梯度结构穿刺织物。
8.根据权利要求7所述的梯度结构穿刺织物的制备方法，其特征在于，所述变厚度限位装置组合包括与钢针数量相同的限位装置，且所有限位装置构成与钢针梯度区域对应的限位装置梯度区域，同一限位装置梯度区域内的限位装置尺寸相等，相邻限位装置梯度区域内的限位装置尺寸呈梯度变化，同一限位装置梯度区域内限位装置的数量与对应钢针梯度区域内的钢针数量相等。
9.根据权利要求8所述的梯度结构穿刺织物的制备方法，其特征在于，所述限位装置X-Y向截面为矩形，同一钢针梯度区域中相邻钢针的X向间距等于钢针直径与限位装置的长度之和，Y向间距等于钢针直径与限位装置的宽度之和。
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