CN106222873B - 一种纳米编织复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种纳米编织复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种纳米编织复合材料及其制备方法。所述纳米编织复合材料，由多组纱线编织而成，所述纱线包括多组按照设定角度加捻在一起的纤维，所述纤维的直径小于10‑7米。所述方法，包括：利用高分子混合溶液，通过电纺工艺，制备复合材料纤维膜，所述纳米纤维膜包括多根纳米纤维；将一定数量的所述纳米纤维按照设定角度进行加捻并对所述一定数量的纳米纤维进行扭转、定向、牵伸，形成纳米纱线；采用三维整体异型编织技术，将纳米纱线编织成为纳米编织复合材料预制件；在纳米编织复合材料预制件中灌注基体；使得所述基体固化成型，获得纳米编织复合材料。

Description

一种纳米编织复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种纳米编织复合材料及其制备方法。
背景技术
随着材料技术的发展，三维复合材料由于其完整性以及高机械性能在材料技术领域占据越来越重要的地位。与层复合材料相比，三维编织复合材料具有完全整体、不分层的结构，可用于制造结构制件和高功能制件。因此，进一步研究三维整体异型编织技术和三维整体编织复合材料对发展我国新材料具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种纳米编织复合材料及其制备方法，以使现有三维编织材料具有更高的机械性能和韧性。
基于上述目的本发明提供一种纳米编织复合材料，由多组纱线编织而成，所述纱线包括多组按照设定角度加捻在一起的纤维，所述纤维的直径小于10-7米。
可选的，所述纱线编织的走向包括所述复合材料的横向、纵向、以及沿着三维空间内任意角度的斜方向。
可选的，至少两组所述纱线组成一个纱线单元，每个纱线单元中的纱线作为一个整体进行编织。
可选的，所述纱线单元中的纱线相互交织或相互平行。
同时，本发明提供一种纳米编织复合材料的制备方法，包括如下步骤：
利用高分子混合溶液，通过电纺工艺，制备复合材料纤维膜，所述纳米纤维膜包括多根纳米纤维；
将一定数量的所述纳米纤维按照设定角度进行加捻并对所述一定数量的纳米纤维进行扭转、定向、牵伸，形成纳米纱线；
采用三维整体异型编织技术，将纳米纱线编织成为纳米编织复合材料预制件；
在纳米编织复合材料预制件中灌注基体；
使得所述基体固化成型，获得纳米编织复合材料。
可选的，所述基体为树脂、或碳基、或陶瓷基。
可选的，所述将纳米纱线编织成为纳米编织复合材料预制件的步骤具体包括：
根据复合材料的设计形状，将纳米纱线组按照设定的轨迹通过多个携纱器携带到设定位置使得纳米纱线组与其它设定纳米纱线组交织，并把纳米纱线组按照设定的角度进行旋转使得纳米纱线组内的设定纳米纱线相互交织；
所述轨迹与预制件的设计形状相适应。
可选的，所述纳米纱线组包括至少两组纳米纱线。
可选的，所述将纳米纱线组按照设定的轨迹通过携纱器携带到设定位置使得纳米纱线组与其它设定纳米纱线组交织、并把纳米纱线组按照设定的角度进行旋转使得纳米纱线组内的设定纳米纱线相互交织的步骤之前，还包括：
将所述纳米纱线从编织起点绕接在携纱器上。
可选的，所述编织起点与所述多个携纱器不共面。
从上面所述可以看出，本发明所提供的纳米编织复合材料及其制备方法，能够利用纳米纤维编制纳米编织复合材料，提高材料的机械性能和韧性；同时，所述复合材料采用不同于现有技术中的四步法编织工艺的方法进行编织，可形成多种不同形状的编织件，从而能够根据需要实现异型编织。
附图说明
图1为本发明实施例的纱线单元横截面示意图；
图2为本发明实施例的纳米编织复合材料制备方法示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明首先提供一种纳米编织复合材料，由多组纱线编织而成，所述纱线包括多组按照设定角度加捻在一起的纤维，所述纤维的直径小于10-7米。
从上面所述可以看出，本发明提供的纳米编织复合材料，由多组纱线编织而成，每组纱线由纳米纤维构成，具体实施例中，所述纳米纤维是直径为纳米量级的纤维，由于多尺度作用机制和结构特性的多样性，制备的纳米编织复合材料具有更高的机械强度和韧性。
在本发明一些实施例中，所述纱线编织的走向包括所述复合材料的横向、纵向、以及沿着三维空间内任意角度的斜方向。
上述实施例中，纱线编织的走向包括三维空间内任意方向，使得所述复合材料为一体成型的三维复合材料，在受到外部载荷作用时，不易分层，复合材料的整体性显著提高，能够用作航空航天领域中的主承力构件和高功能制件。
在本发明一种实施例中，至少两组所述纱线组成一个纱线单元，每个纱线单元中的纱线作为一个整体进行编织。
在本发明具体实施例中，所述纤维直径为纳米量级。
在本发明一种具体实施例中，有六组所述纱线组组成一个纱线单元，如图1所示，当六组所述纱线101组成一个纱线单元102时，所述六组纱线101中心连线形成六边形。这种设置不仅能够有效增加纱线的数目，还能够根据所需复合材料制件的形状进行异型编织。例如，当需要的复合材料制件为三角形时，所述纱线单元在编织过程中的行纱范围为所述三角形复合材料制件的横截面所在的范围。所述行纱范围指在编织过程中纱线的移动范围。
在本发明一种实施例中，所述纱线单元中的纱线相互交织或相互平行。在实际的复合材料制件中，所述纱线单元作为一个整体存在，一个纱线单元内的两组或多组纱线可以相互之间大体平行、不产生交织，作为一个整体与其余纱线单元进行编织。也可以先将所述纱线单元中的两组或多组纱线按照设计的方式进行编织，形成一个整体；然后将多组纱线单元按照复合材料制件的形状进行编织形成复合材料预制件。
同时，本发明还提供一种纳米编织复合材料的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤201：利用高分子混合溶液，通过电纺工艺，制备复合材料纤维膜，所述纳米纤维膜包括多根纳米纤维；
步骤202：将一定数量的所述纳米纤维按照设定角度进行加捻并对所述一定数量的纳米纤维进行扭转、定向、牵伸，形成纳米纱线；
步骤203：采用三维整体异型编织技术，将纳米纱线编织成为纳米编织复合材料预制件；
步骤204：在纳米编织复合材料预制件中灌注基体；
步骤205：使得所述基体固化成型，获得纳米编织复合材料。
在本发明具体实施例中，执行步骤201时，将高分子混合溶液通过电纺工艺形成纳米纤维，将纳米纤维以大体平铺的方式缠绕在一个基底上，在所述基底上形成纳米纤维膜，所述纳米纤维膜由纳米纤维平铺在所述基底上形成。
在具体实施例中，所述步骤202具体包括：
将设定数量的所述纳米纤维按照设定角度进行加捻，形成初次预制纳米纱线；
将所述预制纳米纱线进行扭转，形成二次预制纳米纱线；
将所述二次预制纳米纱线按照设定的力度进行定向、牵伸，形成纳米纱线。
所述设定数量、设定角度、设定的力度根据所述高分子混合溶液的不同以及纳米纱线预设的规格参数的不同而有所不同，可通过具体实验或产品设计进行确定。
在本发明具体实施例中，执行所述步骤205时，所述固化方式可根据灌注的基体的不同采用UV固化、热固化、自然固化等方式。
在本发明一些实施例中，所述基体为树脂、或碳基、或陶瓷基。
在本发明一些实施例中，所述将纳米纱线编织成为纳米编织复合材料预制件的步骤具体包括：
根据复合材料的设计形状，将纳米纱线单元按照设定的轨迹通过多个携纱器携带到设定位置使得纳米纱线单元与其它设定纳米纱线单元交织，并把纳米纱线单元按照设定的角度进行旋转使得纳米纱线单元内的设定纳米纱线相互交织；
所述轨迹与预制件的设计形状相适应。
在本发明具体实施例中，所述轨迹与所述复合材料的设计形状有关，例如，所述复合材料制件整体上为圆柱形，则所述轨迹对应的行纱范围为所述圆柱形的截面圆范围内。
在本发明一些实施例中，所述纳米纱线单元包括至少两组纳米纱线。
在本发明一些实施例中，所述将纳米纱线组按照设定的轨迹通过携纱器携带到设定位置使得纳米纱线组与其它设定纳米纱线组交织、并把纳米纱线组按照设定的角度进行旋转使得纳米纱线组内的设定纳米纱线相互交织的步骤之前，还包括：
将所述纳米纱线从编织起点绕接在携纱器上。
在本发明一些实施例中，所述编织起点与所述多个携纱器不共面。例如，在编织过程中，所述多个携纱器设置于所述编织起点下方，用于带动纱线单元在复合材料制件截面所在的范围内进行互相缠绕编织。
从上面所述可以看出，本发明所提供的纳米编织复合材料及其制备方法，能够利用纳米纤维制备编织复合材料，提高材料的机械性能和韧性；同时，所述复合材料采用不同于现有技术中的四步法编织工艺的方法进行编织，可形成多种不同形状的编织件，从而能够根据需要实现异型编织。
应当理解，本说明书所描述的多个实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种纳米编织复合材料，由多组纱线编织而成，其特征在于，所述纱线包括多组按照设定角度加捻在一起的纤维，所述纤维的直径小于10-7米；至少两组所述纱线组成一个纱线单元，每个纱线单元中的纱线作为一个整体进行编织；
所述纳米编织复合材料采用下述方法制作：
利用高分子混合溶液，通过电纺工艺,制备纳米纤维膜，所述纳米纤维膜包括多根纳米纤维；
将一定数量的所述纳米纤维按照设定角度进行加捻并对所述一定数量的纳米纤维进行扭转、定向、牵伸，形成纳米纱线；
采用三维整体异型编织技术，将纳米纱线编织成为纳米编织复合材料预制件；
在纳米编织复合材料预制件中灌注基体；
使得所述基体固化成型，获得所述纳米编织复合材料；
所述将纳米纱线编织成为纳米编织复合材料预制件的步骤具体包括：
根据复合材料的设计形状，将纳米纱线单元按照设定的轨迹通过多个携纱器携带到设定位置使得纳米纱线单元与其它设定纳米纱线单元交织，并把纳米纱线单元按照设定的角度进行旋转使得纳米纱线单元内的设定纳米纱线相互交织；
所述轨迹与预制件的设计形状相适应；
所述纳米编织复合材料的编织起点与所述多个携纱器不共面。
2.根据权利要求1所述的纳米编织复合材料，其特征在于，所述纱线编织的走向包括所述复合材料的横向、纵向、以及沿着三维空间内任意角度的斜方向。
3.一种纳米编织复合材料的制备方法，用于制作如权利要求1所述的纳米编织复合材料，其特征在于，包括如下步骤：
利用高分子混合溶液，通过电纺工艺,制备纳米纤维膜，所述纳米纤维膜包括多根纳米纤维；
将一定数量的所述纳米纤维按照设定角度进行加捻并对所述一定数量的纳米纤维进行扭转、定向、牵伸，形成纳米纱线；
采用三维整体异型编织技术，将纳米纱线编织成为纳米编织复合材料预制件；
在纳米编织复合材料预制件中灌注基体；
使得所述基体固化成型，获得纳米编织复合材料；
所述将纳米纱线编织成为纳米编织复合材料预制件的步骤具体包括：
根据复合材料的设计形状，将纳米纱线单元按照设定的轨迹通过多个携纱器携带到设定位置使得纳米纱线单元与其它设定纳米纱线单元交织，并把纳米纱线单元按照设定的角度进行旋转使得纳米纱线单元内的设定纳米纱线相互交织；
所述纳米纱线单元包括至少两组纳米纱线；
所述轨迹与预制件的设计形状相适应；
所述纳米编织复合材料的编织起点与所述多个携纱器不共面。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基体为树脂、或碳基、或陶瓷基。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将纳米纱线单元按照设定的轨迹通过携纱器携带到设定位置使得纳米纱线单元与其它设定纳米纱线单元交织、并把纳米纱线单元按照设定的角度进行旋转使得纳米纱线单元内的设定纳米纱线相互交织的步骤之前，还包括：
将所述纳米纱线从所述纳米编织复合材料的编织起点绕接在携纱器上。
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