CN110741113A - 编织3d纤维增强结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有改善的剪切应力和刚度的编织的三维(3D)纤维增强结构及其制造方法。该结构由具有离轴纤维增强材料的丝束制成。丝束可以代替标准3D编织过程中使用的经向丝束或纬向丝束。

Description

编织3D纤维增强结构及其制造方法
技术领域
本申请涉及承载结构及其制造方法。特别地，承载结构由三维(3D)编织织物制成。
背景技术
在承载结构(汽车、飞机、桥梁等)中，通常，载荷情况和几何约束会产生载荷路径，该载荷路径使材料承受显著的剪切应力。例如，飞机机身将承受扭转飞行载荷，该扭转飞行载荷导致机身外壳中产生剪切应力。这样，用于这种结构的材料具有足够的剪切刚度和强度是重要的特征。
用于提高剪切刚度和强度的常见结构是由单向(单轴)或双轴编织层构成的层叠复合材料。本身具有较弱的剪切特性的这些层以各种角度放置，以创建具有显著改善的剪切特性的层叠件。最常见的是，将薄层按0°、45°或90°的角度以不同比例放置，以满足结构设计要求，但是其他角度也是可行的。
图1示出了双轴编织的3D编织复合材料。也就是说，丝束和纤维沿经线方向(0°)和纬线方向(90°)。三维双轴编织复合材料具有多个层，如图1A所示。缺乏成其他角度的偏置纤维加上丝束固有的较弱的剪切特性导致宏观剪切刚度和强度较弱，这一特性在纯剪切载荷或以45°加载时就显现出来了。对于某些应用，面内剪切刚度和强度是一个弱点。图1B示出了在0°(经线)、45°(偏置)和90°(纬线)加载时具有中模量碳纤维增强材料的3D编织复合材料的拉伸强度(应力-应变)的比较。其中COV是变化系数，IM7是中模量碳纤维增强材料。面内剪切模量(G12)的典型值为约5.5GPa。
一些研究人员已尝试通过以0°和90°之外的角度编织偏置丝束来解决3D双轴编织复合材料在面内剪切强度和刚度方面的弱点，这可能会显著增加编织系统和过程的复杂性。参见，例如Labanieh等人的“Conception and characterization of multiaxis 3dwoven preform(多轴3d编织预成型件的概念和特征)”，2013年，TexComp会议，比利时鲁汶。
发明内容
本公开涉及三维(3D)编织结构以及制造该结构的方法。该结构包括在特定方向上的多个第一纱线和在另一个方向上的多个第二纱线，所述多个第二纱线与多个第一纱线交织。至少一些第二纱线包括至少一根偏置增强纱线。
在一个实施例中，至少一些第二纱线是具有至少三层的层叠结构，所述至少三层包括至少一个第二纱线偏置层，所述至少一个第二纱线偏置层中的每一层的纤维相对于第二纱线层中的不是第二纱线偏置层的纤维成0°或90°之外的角度。
该层叠结构可以包括在第一方向上的第二纱线第一纤维层和在第二方向上的第二纱线第二纤维层。所述至少一个第二纱线偏置纤维层设置在第二纱线第一层和第二纱线第二层之间，并且第二纱线第一偏置层中的纤维相对于第一方向成第一角度。
该层叠结构还可以具有第二纱线第二偏置纤维层，该第二纱线第二偏置纤维层设置在第二纱线第一层和第二纱线第二层之间，其中第二纱线第二偏置层中的n根纤维相对于第一方向成第二角度。
该结构还可以包括至少一些第一纱线，所述至少一些第一纱线是具有至少三层的层叠结构，所述至少三层包括至少一个第一纱线偏置层，所述至少一个第一纱线偏置层中的每一层的纤维相对于第一纱线层中的不是第一纱线偏置层的纤维成0°或90°之外的角度。该层叠结构还可以包括在第三方向上的第一纱线第一纤维层和在第四方向上的第一纱线第二纤维层。所述至少一个第一纱线偏置纤维层设置在第一纱线第一层和第一纱线第二层之间，并且第一纱线第一偏置层中的纤维相对于第一方向成另一第一角度。
在另一个实施例中，至少一些第二纱线是编织丝束，并且可以包括至少一些第一纱线成为编织丝束。
在又一个实施例中，至少一些第二纱线是多轴带，并且可以包括至少一些第一纱线成为多轴带。
附图说明
提供了附图以帮助对本发明的进一步理解，这些附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。本文呈现的附图示出了本发明的不同实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1A示出了现有技术的层式3D编织。
图1B示出了在没有偏置纤维增强的双轴3D编织复合材料中的典型拉伸应力-应变关系。
图2示出了多向、多层丝束的结构。
图3是三种样品结构的弹性常数的图形比较。
图4是3D编织预成型件的照片，该预成型件由包含离轴纤维增强材料的编织纱线构成。
图5和图6是由图4的预成型件形成的复合材料的照片。
图7A和图7B示出了包含纤维的离轴取向的纱线的示例。
图8示出了包括多轴丝束的样品的拉伸模量和强度结果的概要。
图9示出了由多轴纤维增强材料构成的3D编织复合材料的面内拉伸应力-应变性能。
图10示出了由多轴增强材料和单轴增强材料构成的3D编织复合材料的面内45°拉伸响应之间的比较。
具体实施方式
在本公开中，术语“包括有”和“包括”可以表示“包含有”和“包含”，或者可以具有美国专利法中对术语“包括有”或“包括”共同的含义。如果在权利要求中使用，则术语“基本上由……组成”或“基本上由……构成”具有美国专利法赋予它们的含义。在以下公开内容中或根据以下公开内容(并且在本发明的范围内)描述本发明的其他方面或者本发明的其他方面是显而易见的。
在以下描述中，术语“线”、“纤维”和“纱线”能够互换使用。如本文所用，“线”、“纤维”和“纱线”可以指代单丝、复丝纱线、加捻纱线、变形纱线、涂层纱线、双组分纱线以及由本领域技术人员已知的任何材料的拉伸断裂纤维制成的纱线。“丝束”包括多根纤维，并且在本文中可互换地称为丝束、复丝丝束、多纤维丝束和编织丝束的结构并且包括这些结构。纤维可以由碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷，芳族聚酰胺、聚酯、金属、聚乙烯玻璃和/或其他具有所需物理、热学、化学或其他特性的材料制成。
术语“折叠的”在本文中广泛地用于表示“形成”，其包括展开、弯曲以及用于操纵编织织物的形状的其他这类的术语。术语“偏置”与“离轴”能够互换使用，并且是指相对于所述基准成0°和90°之外的角度。
为了更好地理解本发明、通过其使用所实现的其优点和目的，参考所附的描述性内容进行说明，其中在附图中示出了本发明的非限制性实施例，并且在附图中对应的部件由相同的附图标记标识。
本发明公开内容描述了一种产品和制造该产品的方法，以通过使用具有改善的剪切特性的丝束来改善编织结构的面内剪切特性，该产品可以使用现有的3D编织设备和工艺来编织。尽管如上所述，双轴编织织物可以采用层叠偏置层来改善面内剪切特性，但是本公开内容通过编织本身构造成具有离轴(偏置)增强材料的丝束来提供面内剪切特性的改进。即，丝束包含在相对于丝束轴向方向的各个方向上的纤维增强材料。丝束可以是多层的(诸如层叠带、多轴带)或多轴的(诸如编织物)，其是单层的，并且不包含单向层。本文公开的丝束可以用于在织物的任何或所有方向上一些或所有丝束。例如，丝束可以用于在编织织物的经线方向和纬线方向中的任一方向或两个方向上的一些或全部丝束。在另一个示例中，所述丝束可以在经线方向或纬线方向上的一些或全部丝束中使用，而单轴丝束在其余的纬线方向或经线方向上使用。可以想到，所述丝束也可以在层叠织物的偏置层中使用。
图2示出了具有四层的多轴、多层丝束200的实施例的截面图。外层202中的纤维沿特定方向取向，出于参考目的，该特定方向将被称为0°。相对于外层202中的纤维，第一中间层204中的纤维以+45°取向，第二中间层206中的纤维以-45°取向。尽管以在中间层中丝束的纤维被示为处于+/-45°，但出于其他考虑，包括+/-30°或+/-60°的其他角度可能是优选的。而且，针对偏置单轴层示出和讨论的角度仅用于说明，并且可以根据设计需要相对于彼此成一定角度。应当注意，根据设计需要，可以使用更多或更少的层。
层202、204、206中的每一层可以具有处于相同取向的多个纤维层以具有期望的厚度D。应注意，如根据设计要求的需要，每层的厚度可与其他层相同或不同。每层的示例性厚度在0.01英寸(0.025厘米)至0.075英寸(0.190厘米)的范围内，其中0.0625英寸(0.159厘米)是标称厚度。
丝束200可以以期望的带宽度W被制造或者被制造为片材并且被切割成期望的宽度W的带。可以在多层和多向非卷曲织物(NCF)的第一层202和最后层202的两者之一的外表面或这两个表面上用热塑性面纱(veil)进行处理，然后将其切成宽度W的带，以用于自动铺带(ATL)或在这种情况下用于3D编织的应用。
丝束的示例性带宽度W在0.02英寸(0.051厘米)至0.75英寸(1.905厘米)的范围内，其中0.25英寸(0.635厘米)是标称宽度。无论如何，如本文所述构造的多向、多层丝束被用于制造期望配置的3D双轴编织预成型件。
3D双轴编织预成型件可以在预成型件内进行多次分叉编织，以形成预成型件，多层的3D编织片以外，该预成型件的横截面具有包括Pi、T、H、O、I的各种形状和本领域技术人员已知的其他形状。随后可以用树脂浸渍3D双轴编织预成型件，以形成复合结构。
丝束可以用于任何已知的编织技术中，包括但不限于用梭和剑杆织机进行的提花或多臂编织。图2示出了作为层叠结构的丝束。然而，如本领域技术人员已知的，可以将未示出的另外的粘合纤维添加到该层叠结构中。
这种制造方法生成薄的非卷曲织物(NCF)和/或类似于
Figure BDA0002317293470000061
的经树脂处理的材料，该材料可直接用于层叠复合材料中或自动铺带(ATL)制造中。
如图所示，丝束200是具有基本上矩形横截面形状的层叠件，其可以被称为层叠带。然而，其他形状也是可行的，并且丝束例如可以是具有离轴纤维的扁平编织物，诸如图7A中所示的编织丝束或图7B中所示的多轴带。
如上所述，纱线可以具有带有一个或多个偏置层的层叠带结构。即，形成偏置层的纤维与不是偏置层的层成0度或90度之外的角度。虽然在图2中示出了外部层具有在相同方向上的纤维，但这不是限制性的。实际上，根据设计需要，层叠结构的各个层可以是任何期望的布置。因此，对于在层叠堆叠织物中偏置叠层相对于其他层的位置没有限制。并且偏置层中的纤维的角度方向可以与其他偏置层中的纤维的角度方向相同或不同。而且，偏置层中的纤维可以相对于彼此成0度或90度。
图8示出了当在0度(经线)、45度(偏置)和90度(纬线)方向上加载时包括3D纤维增强的多轴丝束的样品的拉伸模量和强度的实验测试结果的概要。
该测试是在以下条件下进行的：
丝束类型：
Figure BDA0002317293470000062
T300碳纤维
丝束尺寸：1K-每条丝束的丝数量
丝束数量：24-用于编织编织增强材料的丝束数量。
直丝束与倾斜的8丝束与倾斜的16丝束的数量：在轴向方向上使用8个丝束。其余的16个丝束通过编织工艺交错。
预期编织角度：45°(实际
Figure BDA0002317293470000063
55°)
最终板(panel)FV(纤维体积)：
Figure BDA0002317293470000071
55％
可以想到，扁平的编织丝束可以模拟多轴丝束。均质的丝束特性是基于薄层的58％的纤维体积，这使得总的复合纤维体积为46％。使用编织丝束可以改善复合材料的G12(
Figure BDA0002317293470000072
17GPa相对于预期的4-5GPa)。
图9示出了由多轴编织丝束增强材料构成的3D编织复合材料的面内拉伸应力-应变性能的实验结果。注意，偏置方向、纬线方向和经线方向的模量(线的斜率)非常相似。这是由于在3D编织过程中使用的编织丝束内加入了离轴纤维增强材料的结果。
可以看出，图9的模量与图8的多轴增强材料的模量相似，而在现有技术的图1B中所示的图像与当在经线方向、纬线方向和偏置(45°)方向上加载时的复合材料的响应非常不同。
图10显示了由多轴增强材料和单轴增强材料组成的3D编织复合材料的面内45°拉伸响应之间的比较。与多轴增强材料相关的模量显著大于单轴增强材料的模量。
图4是具有编织纱线的3D编织预成型件400的照片，该编织纱线具有离轴纤维而不是扁平带。在经线方向和纬线方向上编织的编织纱线中的离轴纤维是横跨整个宽度的中间部分410。顶部和底部三分之一420和430由在经线方向上的多向编织纱线和在纬线方向上的标准单轴丝束编织而成。这说明混合型预成型件可以使用混合标准的和多轴的丝束来编织，以满足性能要求。编织纱线是一种多向丝束，而不仅仅是离轴纤维。其提供同轴和离轴增强材料。编织丝束除了离轴纤维之外还可以具有同轴纤维。
图5和6是图4的3D编织织物的复合材料的照片。
使用嵌入在奥尔巴尼工程复合材料(Albany Engineered Composites，AEC)的3DComposite Studio软件中的微机械均化功能，比较了使用本发明的多向、多层丝束的3D编织复合结构的三种配置：
示例1：
利用单轴带制造3D编织复合材料，该单轴带的纤维含量和尺寸类似于Hexcel
Figure BDA0002317293470000074
丝束堆积因子为60％，导致总纤维体积为50％。复合材料中在0°、±45°和90°方向上的纤维含量分别为50％、0％和50％。选择低角度互锁纤维体系结构来计算复合材料的弹性特性。
示例2：
利用多向带制造3D编织复合材料，该多向带的纤维含量和尺寸类似于Hexcel
Figure BDA0002317293470000081
但是其构造更类似于C-Ply
Figure BDA0002317293470000082
材料。丝束堆积因子为60％，导致总纤维体积为50％。复合材料中在0°、±45°和90°方向上的纤维含量分别为25％、50％和25％。每个丝束的纤维分布为50％、50％、0％。选择与实施例1相同的低角度互锁纤维结构，以计算复合材料的弹性特性并量化机械特性的变化。
示例3：
标准的准各向同性层叠构造，纤维体积为50％，纤维分布为(25％、50％、25％)。选择其作为基准来说明标准3D编织复合材料的较弱剪切特性(示例1)并量化本发明的改进(示例2)。
比较这三个示例的结果总结在表1和图3中。示例2显示了比示例1提高了3.83倍的剪切刚度(Gxy)，并且在准各向同性层叠材料的剪切刚度的20％以内。与示例1相比，尽管示例2中的轴向模量(Exx和Eyy)显著降低了约33％，但它们在示例3的4％之内。
Figure BDA0002317293470000083
表1–各个示例的复合材料特性和弹性常数的比较。针对每种配置示出了纤维在0°、±45°和90°上的百分比。Exx、Eyy和Gxy的值以GPa为单位。
从这些结果可以得出，通过使用如本公开内容中描述的多向增强材料，可以制造具有与工业标准的准各向同性层叠材料非常相似的面内刚度特性的3D编织复合材料，并且具有改进的贯穿厚度的刚度和强度、耐损伤性和能量吸收特性的其他优点。
3D多层、多向织物可以浸渍有基质材料。基质材料包括环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳和其他此类材料。
其他实施例在所附权利要求的范围内。

Claims (37)

1.一种三维(3D)编织结构，包括：
在特定方向上的多个第一纱线；
在另一方向上的多个第二纱线，所述多个第二纱线与所述多个第一纱线交织，
其中，至少一些第二纱线包括至少一根偏置增强纱线。
2.根据权利要求1所述的编织结构，其中，所述至少一些第二纱线是具有至少三层的层叠结构，所述至少三层包括至少一个第二纱线偏置层，所述至少一个第二纱线偏置层中的每一层的纤维相对于第二纱线层中的不是第二纱线偏置层的的纤维成0°或90°之外的角度。
3.根据权利要求2所述的编织结构，其中，所述层叠结构包括：
在第一方向上的第二纱线第一纤维层；
在第二方向上的第二纱线第二纤维层；并且
其中，所述至少一个第二纱线偏置纤维层设置在所述第二纱线第一层和所述第二纱线第二层之间，
其中，第二纱线第一偏置层中的纤维相对于所述第一方向成第一角度。
4.根据权利要求3所述的编织结构，其中，所述第一方向与所述第二方向相同。
5.根据权利要求3所述的编织结构，包括：
设置在所述第二纱线第一层和所述第二纱线第二层之间的第二纱线第二偏置纤维层，
其中，所述第二纱线第二偏置层中的纤维相对于所述第一方向成第二角度。
6.根据权利要求5所述的编织结构，其中，所述第一角度在30度和60度之间，并且所述第二角度在-30度和-60度之间。
7.根据权利要求6所述的编织结构，其中，所述第一角度是45度，并且所述第二角度是-45度。
8.根据权利要求6所述的编织结构，其中，所述第一角度是30度，并且所述第二角度是-60度。
9.根据权利要求3所述的编织结构，其中，所述至少一些第二纱线包括在所述第二纱线第一层的外表面上的第二纱线第一面纱和在所述第二纱线第二层的外表面上的第二纱线第二面纱。
10.根据权利要求3所述的编织结构，其中，至少一些第一纱线是具有至少三层的层叠结构，所述至少三层包括至少一个第一纱线偏置层，所述至少一个第一纱线偏置层中的每一层的纤维相对于第一纱线层中的不是第一纱线偏置层的纤维成0°或90°之外的角度。
11.根据权利要求10所述的编织结构，其中，所述层叠结构包括：
在第三方向上的第一纱线第一纤维层；
在第四方向上的第一纱线第二纤维层；并且
所述至少一个第一纱线偏置纤维层设置在所述第一纱线第一层和所述第一纱线第二层之间，
其中第一纱线第一偏置层中的纤维相对于所述第一方向成另一第一角度。
12.根据权利要求11所述的编织结构，其中，所述第三方向与所述第四方向相同。
13.根据权利要求12所述的编织结构，其中，所述3D编织结构形成为具有选自由Pi、H、T、O和I构成的组中的横截面形状的预成型件。
14.根据权利要求1所述的编织结构，其中，所述3D编织结构形成为具有选自由Pi、H、T、O和I构成的组中的横截面形状的预成型件。
15.根据权利要求1所述的编织结构，其中，至少一些第二纱线是编织丝束。
16.根据权利要求15所述的编织结构，其中，至少一些第一纱线是编织丝束。
17.根据权利要求1所述的编织结构，其中，至少一些第二纱线是多轴带。
18.根据权利要求17所述的编织结构，其中，至少一些第一纱线是多轴带。
19.一种形成三维(3D)编织结构的方法，包括：
在特定方向上编织多个第一纱线，而在另一方向上编织多个第二纱线，所述多个第二纱线与所述多个第一纱线交织，
其中，至少一些第二纱线包括至少一根偏置增强纱线。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述至少一些第二纱线是具有至少三层的层叠结构，所述至少三层包括至少一个第二纱线偏置层，所述至少一个第二纱线偏置层中的每一层的纤维相对于第二纱线层中的不是第二纱线偏置层的纤维成0°或90°之外的角度。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述层叠结构包括：
在第一方向上的第二纱线第一纤维层；
在第二方向上的第二纱线第二纤维层；
所述至少一个第二纱线偏置纤维层设置在所述第二纱线第一层和所述第二纱线第二层之间；和
其中，第二纱线第一偏置层中的纤维相对于所述第一方向成第一角度。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一方向与所述第二方向相同。
23.根据权利要求21所述的方法，包括：
在所述第二纱线第一层和所述第二纱线第二层之间设置第二纱线第二偏置纤维层，
其中，所述第二纱线第二偏置层中的纤维相对于所述第一方向成第二角度。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一角度在30度和60度之间，并且所述第二角度在-30度和-60度之间。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一角度是45度，并且所述第二角度是-45度。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一角度是30度，并且所述第二角度是-60度。
27.根据权利要求21所述的方法，其中所述至少一些第二纱线包括在所述第二纱线第一层的外表面上的第二纱线第一面纱和在所述第二纱线第二层的外表面上的第二纱线第二面纱。
28.根据权利要求21所述的方法，其中，至少一些第一纱线是具有至少三层的层叠结构，所述至少三层包括至少一个第一纱线偏置层，所述至少一个第一纱线偏置层中的每一层的纤维相对于第一纱线层中的不是第一纱线偏置层的纤维成0°或90°之外的角度。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述层叠结构包括：
在第三方向上的第一纱线第一纤维层；
在第四方向上的第一纱线第二纤维层；
所述至少一个第一纱线偏置纤维层设置在所述第一纱线第一层和所述第一纱线第二层之间；和
第一纱线第一偏置层中的纤维相对于所述第一方向成另一第一角度。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述第三方向与第四方向相同。
31.根据权利要求30所述的方法，包括：
将所述3D编织结构形成为具有选自由Pi、H、T、O和I构成的组的横截面形状的预成型件。
32.根据权利要求19所述的方法，包括：
将所述3D编织结构形成为具有选自由Pi、H、T、O和I构成的组的横截面形状的预成型件。
33.根据权利要求19所述的方法，其中，至少一些第二纱线是编织丝束。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，至少一些第一纱线是编织丝束。
35.根据权利要求19所述的方法，其中，所述至少一些第二纱线是多轴带。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述至少一些第一纱线是多轴带。
37.一种形成三维编织复合材料的方法，包括：
根据权利要求21或29形成三维编织结构；和
用基质材料浸渍所述三维编织结构。
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