CN108004650B - 大尺寸变厚度回转体预制体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸变厚度回转体预制体，其壁厚沿轴线方向连续变化，变厚度回转体预制体由变厚度预制体经多层卷绕而成，变厚度预制体为三维层连结构织物，变厚度预制体的纬向方向与变厚度回转体预制体的中心轴线位于同一平面内。本发明还公开了上述回转体预制体的制备方法，步骤如下：(1)确定拟生产的变厚度回转体预制体的尺寸参数；(2)确定拟生产的变厚度回转体预制体的均匀分层数量，基于变厚度回转体预制体的尺寸参数确定变厚度预制体的尺寸参数；(3)在织机上织造变厚度预制体并完成；(4)将变厚度预制体连续卷绕在回转体芯模上，获得变厚度回转体预制体。本发明具有制造连续，效率高，以及变厚度回转体直径不受限等优点。

Description

大尺寸变厚度回转体预制体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种大尺寸变厚度回转体预制体及其制备方法，属于三维编织预制体领域。

背景技术

高性能纤维增强复合材料在航空航天领域及国防领域的应用越来越受到重视。回转体预制体是高性能纤维增强复合材料常用的增强体，通常采用三维整体编织(例如CN106400295 A所公开的方法)及圆形三维机织方法(例如CN 101811365 A所公开的方法)制备回转体预制体，但这些方法受织机尺寸限制，仅限于小尺寸预制体制备，通常直径限制在500mm以内，且制造时需要布置大量的纱线，织机占地面积较大，人工数量较多，工序较繁琐，制造效率低。而对用于类似航空发动机机匣这种大尺寸部件所需的大尺寸变厚度回转体预制体的制备(内径高达2米)，一次成型所需纱线的数量更多，采用上述方法目前尚无法实现。

三维层连结构织物由于在厚度方向存在联接纱线，使得其抗分层能力较强，结构整体性好，三维层连结构织物作为复合材料的增强体在航空航天及军事领域应用越来越广泛。为了满足仿形要求，增强体的厚度常常需要变化。目前改变三维层连结构织物厚度的方法主要有专利CN 20110278215.6中的采用衬经、衬纬和纬纱规格及专利CN 201510195792中的采用纱束移动方法变厚度，上述的变厚度方法是针对沿着制造长度方向(经向)改变厚度，不适应于幅宽方向(纬向)连续变厚度而制造长度方向厚度不变的预制体制备。

由于上述现有技术中的限制，目前采用三维层连结构织物来制作直径超过500mm、厚度沿轴线方向连续变化的大尺寸回转体预制体尚无法实现，限制了三维层连结构织物作为增强体在大尺寸部件上的应用。

发明内容

本申请的目的在于克服上述限制，制造大尺寸的变厚度回转体预制体，为此，本申请首先提出了一种大尺寸变厚度回转体预制体，具体的技术方案如下：

一种大尺寸变厚度回转体预制体，其壁厚沿轴线方向连续变化，该变厚度回转体预制体由变厚度预制体经多层卷绕而成，所述变厚度预制体为三维层连结构织物，变厚度预制体的纬向方向与变厚度回转体预制体的中心轴线位于同一平面内。上述变厚度回转体预制体的内径能够≥500mm。变厚度回转体预制体的壁厚沿轴线方向连续变化，即该变厚度回转体预制体的母面沿径向方向的厚度是连续变化的。优选地，所述变厚度预制体的厚度沿纬向方向连续变化，变厚度预制体的厚度在经向方向上保持不变。

本申请中，变厚度回转体预制体由为三维层连结构织物的变厚度预制体卷绕而成，克服了现有织机由于织造尺寸的限制，无法织造直径超过500mm的回转体预制体的问题。由于采用卷绕方式形成，变厚度回转体预制体的厚度可以根据具体的需要进行设计，而不必限制于现有织机在编织回转体预制体时的尺寸限制，利用变厚度预制体在厚度方面的灵活设置，可根据需要设置不同的变厚度回转体预制体。尤其是所采用的变厚度预制体的厚度是沿纬向方向连续变化时，直接将变厚度预制体进行多层卷绕，即可得到相应的变厚度回转体预制体，这些变厚度回转体预制体可直接作为一些大型的回转体的增强体。

由于采用卷绕而成，可根据现有织机的织造能力，灵活地将变厚度回转体预制体设计为不同的卷绕层数，以便于现有织机能够顺利地完成所对应的变厚度预制体。由于采用卷绕方式制造，具有制造连续，效率高，以及变厚度回转体直径不受限等优点。

进一步，所述变厚度预制体的厚度的变化方法具体为：变经纱规格、变经纱层数、或变经纱规格和变经纱层数相结合的方法。上述各方法可根据具体的需要方便灵活地选用，来织造变厚度预制体，以提高生产效率。

为更好地制造大尺寸变厚度回转体预制体，本申请还提出了一种上述大尺寸变厚度回转体预制体的制备方法，具体采用如下步骤：

(1)确定拟生产的变厚度回转体预制体的尺寸参数；

(2)确定拟生产的变厚度回转体预制体的均匀分层数量，基于变厚度回转体预制体的尺寸参数确定变厚度预制体的尺寸参数；

(3)在织机上织造变厚度预制体并完成；

(4)将变厚度预制体连续卷绕在回转体芯模上，获得变厚度回转体预制体。

采用上述方法后，可根据现有织机的织造能力以及拟生产的变厚度回转体预制体的尺寸设计出变厚度回转体预制体的卷绕层数以及变厚度预制体的尺寸参数，由于变厚度回转体预制体为均匀分层，因此在将所织造的变厚度预制体完成卷绕后，即可完成变厚度回转体预制的制造。

具体地，变厚度预制体的厚度变化方法具体为：变经纱规格方法、变经纱层数方法、或变经纱规格与变经纱层数相结合的方法；

所述的变经纱规格方法，是指随变厚度预制体的厚度变化，沿纬向变化经纱规格；也就是随厚度在纬向方向的连续变化，在布置经纱时，经纱的线密度随厚度增大而增大，经纱的线密度随厚度减少而减少；

所述的变经纱层数方法，是指随变厚度预制体的厚度变化，沿纬向变化经纱层数；也就是随厚度在纬向方向的连续变化，在布置经纱时，经纱层数随厚度增大而增加，经纱层数随厚度减少而减少；在织造过程中经纱层数减少时，纬纱进行合股，经纱层数增加时，纬纱进行分股；从而使纬纱连续，不会因为减纱或增纱而出现断头；

所述的变经纱规格与变经纱层数相结合的方法，是指随变厚度预制体的厚度变化，沿纬向变化经纱层数的同时变化经纱规格；也就是随厚度在纬向方向的连续变化，在布置经纱时，在经纱的线密度随厚度增大而增大的同时，经纱层数同步随厚度增大而增加，或在经纱的线密度随厚度减少而减少时，经纱层数同步随厚度减少而减少；在经纱层数减少或增加时，同样采用纬纱合股或分股的方式进行，以使纬纱连续，不会因为减纱或增纱而出现断头。

在上述的变经纱规格方法、变经纱层数方法、以及变经纱规格与变经纱层数相结合的方法中，无论采用何种方法织造变厚度预制体，在纬向方向上，变厚度预制体中的所有纬纱的总的单丝数量保持不变；在经向方向上，变厚度预制体中的所有经纱的总的单丝数量保持不变。优选地，所述织机为二维织机。

无论经纱还是纬纱，其总的单丝总量保持不变，可以保证变厚度预制体中的纱线没有断头，使变厚度预制体具有较高的强度，从而使由变厚度预制体所制备的变厚度回转体预制体具有较高的强度。

本发明的方法中，通过在二维织机上连续制造三维层连结构织物作为变厚度预制体，再通过卷绕方式实现大尺寸变厚度回转体预制体的成型，具有制备效率高，材料抗分层能力强，为大尺寸变厚度回转体预制体的制备提供一种新的生产方法的可能性，从而为大尺寸变厚度回转体复合材料的更加方便、高效的制造制备提供方便。

该方法还具有如下优点：

(1)该方法实现在幅宽方向即纬向方向上的连续变厚度织造；

(2)经纱布置好后，在织造过程中不需要变动；

(3)预制体组织变化灵活，可以选择不同层连方式；

(4)纱线规格和层数可调节空间大，适应于不同规格的变厚度预制体的织造，从而适应于不同规格的大尺寸变厚度回转体预制体的制造。

附图说明

图1为大尺寸变厚度回转体预制体的一种实施例的示意图；

图2为大尺寸变厚度回转体预制体的轴向切面的轮廓示意图，图中仅显示了轴线一侧的一个轴向切面。

图3为大尺寸变厚度回转体预制体的轴向切面的分层示意图，图中仅显示了轴线一侧的一个轴向切面的分层。

图4为变厚度预制体的纬向截面示意图，该纬向截面示意图即变厚度预制体完成卷绕后所形成的大尺寸变厚度回转体预制体的轴向切面中的单层变厚度预制体的切面示意图。

图5为变经纱规格方法的织造示意图。

图6为变经纱层数方法的织造示意图。

图7为变经纱规格与变经纱层数相结合的方法的织造示意图。

图8为变厚度预制体卷绕为变厚度回转体预制体的示意图。

具体实施方式

请参阅图1-4，一种大尺寸变厚度回转体预制体10，其壁厚沿轴线方向连续变化，即变厚度回转体预制体10的轴向断面12的厚度沿轴线方向连续变化。该变厚度回转体预制体10由变厚度预制体20经多层卷绕而成，变厚度预制体20为三维层连结构织物，变厚度预制体20的纬向方向F与变厚度回转体预制体10的中心轴线11位于同一平面内。在本实施例中，变厚度回转体预制体的内径＝600mm，可以理解，在其它实施例中，变厚度回转体预制体的内径还可以为500mm、1000mm、2000mm等大于等于500mm以上的尺寸。

在本实施例中，变厚度回转体预制体10具体为5层卷绕结构，从内向外分别为A层、B层、C层、D层和E层。

变厚度预制体20的厚度H沿纬向方向F连续变化，变厚度预制体20的厚度在经向方向上保持不变，即变厚度预制体20的厚度在长度方向上保持不变。

变厚度预制体20的厚度变化的方法具体为：变经纱规格、变经纱层数、或变经纱规格和变经纱层数相结合的方法。

本实施例中，变厚度回转体预制体10的壁厚的变化范围为10～30mm，由于为5层卷绕结构，相对应的变厚度预制体20的沿纬向方向的厚度变化范围为2～6mm。

以下说明上述大尺寸变厚度回转体预制体10的具体制备方法，采用如下步骤：

(1)确定拟生产的变厚度回转体预制体10的尺寸参数；

(2)确定拟生产的变厚度回转体预制体10的均匀分层数量，在本实施例中均分为5层，基于变厚度回转体预制体10的尺寸参数确定变厚度预制体20的尺寸参数；

(3)在二维织机上织造变厚度预制体20并完成；

(4)请参阅图8，将变厚度预制体20连续卷绕在回转体芯模30上，获得变厚度回转体预制体10。

在本实施例中，变厚度预制体20在织造时，所采用的厚度变化方法为变经纱规格方法。以下进行示例性说明。

本实施例的变厚度预制体20为浅交弯联层连结构，变经纱规格方法是指随变厚度预制体的厚度变化，沿纬向变化经纱规格。请参阅图5，图5为变经纱规格方法的部分织造示意图，沿箭头F1的延伸方向，变厚度预制体的厚度连续变厚，随着厚度的增加，经纱S1的线密度增加，在图5中，示例性地显示了6列经纱S1，6列经纱S1中相邻的每两列经纱的规格相同，为描述方便，6列经纱分别标记为G11、G12、G13、G14、G15和G16，在厚度最薄处的两列经纱G11和G12采用6K碳纤维，在厚度最厚处的两列经纱G15和G16采用24K碳纤维，在中间厚度处的两列经纱G13和G14采用12K碳纤维。图5中，标记S2表示纬纱。

在同一列经纱中，可以同一种规格的纱线，也可以采用多种规格的纱线组合而成。在其他实施例中，在更薄的厚度处，还可以采用线密度更小的碳纤维，例如3K或6K碳纤维，最低也可以采用1K碳纤维。在更厚的厚度处，可以采用线密度更大的碳纤维，例如30K或48K的碳纤维，其中30K的碳纤维可以采用24K和6K的碳纤维合股而成，48K的碳纤维可以采用两根24K的碳纤维合股而成。其他更粗的碳纤维也可以采用多根碳纤维合股而成。

在本实施例中，所有经纱的总的单丝数量保持不变，所有纬纱的总的单丝数量保持不变。

表1为在本实施例中与图5相对应的预制体结构参数。

表1

在本实施例中，采用碳纤维织造变厚度预制体，在其它实施例中，还可以采用其它类型的纤维来织造变厚度预制体，例如玻璃纤维、芳纶纤维等适宜织造变厚度预制体的纤维。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，其不同在于变厚度预制体20的厚度变化方法。

在本实施例中，变厚度预制体20的厚度变化方法具体为变经纱层数方法。以下进行示例性说明。

本实施例的变厚度预制体20为浅交弯联层连结构，变经纱层数方法是指随变厚度预制体的厚度变化，沿纬向变化经纱层数。请参阅图6，图6为变经纱层数方法的部分织造示意图，沿箭头F2的延伸方向，变厚度预制体的厚度连续变厚，随着厚度的增加，经纱S3的层数增加，在图6中，示例性地显示了6列经纱S3，6列经纱中相邻的每两列经纱的规格相同，为描述方便，6列经纱分别标记为G21、G22、G23、G24、G25和G26，6列经纱采用同样规格的碳纤维，在厚度最薄处的两列经纱G21和G22的层数为4层，在厚度最厚处的两列经纱G25和G26的层数为6层，在中间厚度处的两列经纱G23和G24的层数为5层。对于浅交弯联层连结构，纬纱层数为经纱层数加1，因此为适应经纱层数的增加，纬纱S4的层数也相应地增加，纬纱S4层数的增加采用部分纬纱S4进行分股形成多层的方法进行。同样当经纱层数减少，纬纱S4层数的减少采用部分纬纱S4进行并股减少层数。在本实施例中，所有经纱的总的单丝数量保持不变，所有纬纱的总的单丝数量保持不变。

表2为在本实施例中与图6相对应的预制体结构参数。

表2

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，其不同在于变厚度预制体20的厚度变化方法。

在本实施例中，变厚度预制体20的厚度变化方法具体为变经纱规格与变经纱层数相结合的方法。以下进行示例性说明。

本实施例的变厚度预制体20为浅交弯联层连结构，变经纱规格与变经纱层数相结合的方法，是指随变厚度预制体的厚度变化，沿纬向变化经纱规格的同时变化经纱层数。请参阅图7，图7为变经纱规格与变经纱层数相结合的方法的部分织造示意图，沿箭头F3的延伸方向，变厚度预制体的厚度连续变厚，随着厚度的增加，经纱S5的层数增加的同时经纱S5的线密度也增加，在图7中，示例性地显示了6列经纱S5，6列经纱中相邻的每两列经纱的规格相同，为描述方便，6列经纱分别标记为G31、G32、G33、G34、G35和G36。在厚度最薄处的两列经纱G31和G32的层数为4层，经纱的规格均为12K。在厚度最厚处的两列经纱G35和G36的层数为6列，其中两层经纱的规格为12K，另四层经纱的规格为24K。对于浅交弯联层连结构，纬纱层数为经纱层数加1，因此为适应经纱层数的增加，纬纱S4的层数也相应地增加，纬纱S4层数的增加采用部分纬纱S4进行分股形成多层的方法进行。同样当经纱层数减少，纬纱S4层数的减少采用部分纬纱S4进行并股减少层数。

在本实施例中，所有经纱的总的单丝数量保持不变，所有纬纱的总的单丝数量保持不变。

在图7中，标记为N1的经纱的规格为12K，标记为N2的经纱的规格为24K。

表3为在本实施例中与图7相对应的预制体结构参数。

表3

表3中，在经纱G35和G36中，当经纱规格为12K时，所对应的经纱层数为2层，当经纱规格为24K时，所对应的经纱层数为4层，具体可参阅图7。

Claims (5)

1.大尺寸变厚度回转体预制体，其壁厚沿轴线方向连续变化，该变厚度回转体预制体的特征在于：其由变厚度预制体经多层卷绕而成，所述变厚度预制体为三维层连结构织物，变厚度预制体的纬向方向与变厚度回转体预制体的中心轴线位于同一平面内；

所述变厚度预制体的厚度沿纬向方向连续变化，变厚度预制体的厚度在经向方向上保持不变；

在纬向方向上，变厚度预制体中的所有纬纱的总的单丝数量保持不变；在经向方向上，变厚度预制体中的所有经纱的总的单丝数量保持不变。

2.根据权利要求1所述的变厚度回转体预制体，其特征在于：所述变厚度预制体的厚度的变化方法具体为：变经纱规格、变经纱层数、或变经纱规格和变经纱层数相结合的方法。

3.权利要求1或2所述的大尺寸变厚度回转体预制体的制备方法，其特征在于：采用如下步骤：

(1)确定拟生产的变厚度回转体预制体的尺寸参数；

(2)确定拟生产的变厚度回转体预制体的均匀分层数量，基于变厚度回转体预制体的尺寸参数确定变厚度预制体的尺寸参数；

(3)在织机上织造变厚度预制体并完成；

(4)将变厚度预制体连续卷绕在回转体芯模上，获得变厚度回转体预制体；

在纬向方向上，变厚度预制体中的所有纬纱的总的单丝数量保持不变；在经向方向上，变厚度预制体中的所有经纱的总的单丝数量保持不变。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：变厚度预制体的厚度变化方法具体为：

变经纱规格方法、变经纱层数方法、或变经纱规格与变经纱层数相结合的方法；

所述的变经纱规格方法，是指随变厚度预制体的厚度变化，沿纬向变化经纱规格；

所述的变经纱层数方法，是指随变厚度预制体的厚度变化，沿纬向变化经纱层数；

所述的变经纱规格与变经纱层数相结合的方法，是指随变厚度预制体的厚度变化，沿纬向变化经纱规格的同时变化经纱层数。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述织机为二维织机。

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