CN113139282A - 一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法，采用捆绑纤维、增强纤维进行二维编织，且增强纤维与捆绑纤维的体积分数比为20~40，本发明有效解决了二维编织复合材料管因纤维的屈曲带来的材料力学性能降低的问题。本发明大幅降低了编织纱线的屈曲，实现类似帘子布结构的单向增强纤维层结构在制品中的保留，显著提高编织复合材料管的力学性能。本发明在不改变二维编织基本工艺原理的条件下，能够兼顾二维编织的工艺优势和增强纤维的低屈曲带来的性能改善，具有较好的实用性。

Description

一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法
技术领域
本发明属于复合材料制造的技术领域，具体涉及一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法。
背景技术
连续纤维增强复合材料具有优异的比强度、比模量及耐疲劳性，被广泛应用于航空航天、汽车、化工及建筑等领域。在航空制造中，目前应用较为广泛的连续纤维增强复合材料仍然以二维层合材料为主，层合材料是由预浸料铺层结合热压罐或烘箱工艺制作，这一过程需要大量人工干预，且预浸料的保存和清洁不仅大大增加了材料的制作成本，还会消耗大量的能源。另外，层合材料在制作异型结构件过程中不可避免会出现褶皱和纤维不连续，较难完成复杂结构件的制作，因此胶接、共固化、机械连接等连接方式成为了决定结构件力学性能的主要因素，材料本身力学性能的优势并没有得到较好的发挥。同时，层合材料还存在一些力学限制，相比于传统航空金属材料，层合材料虽然在材料比强度、比刚度方面有很大优势，但层间强度低、抗冲击性能较差，进一步限制了其在某些产品结构中的应用。
复合材料管的生产工艺包括预浸料卷绕，丝束缠绕，二维编织等，预浸料卷绕工艺受限于设备，只能生产直管。而丝束缠绕工艺制备复合材料管存在效率较低的问题，且形状适应性较差。相较而言，二维编织具有更强的形状适应性，能够适应变截面、非直母线特征的复杂外形管结构的近净成形，且具有自动化程度高，可设计性强等优势。但是传统的二维编织过程中两组编织纱均为同种类同规格的纱线，在编织过程中纱线在编织面内相互交叠，产生明显的屈曲，削弱了纤维的增强效应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法，旨在解决传统二维编织复合材料管因纤维的屈曲带来的材料力学性能降低的问题。
本发明主要通过以下技术方案实现：
一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1：分别准备增强纤维、捆绑纤维，所述增强纤维与捆绑纤维的体积分数比为20～40；分别将增强纤维、捆绑纤维分卷并安装到二维编织机的两组纱锭上；
步骤S2：启动编织机，往复编织达到目标编织层数；
步骤S3：然后将编织物包覆的成型芯模取下，并通过成型工艺与基体树脂复合成型，且脱模后得到单向纤维增强的二维编织复合材料管。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S1中增强纤维为T700级碳纤维、无碱玻璃纤维、Kevlar纤维中的任意一种或多种；所述捆绑纤维为Kevlar纤维或无碱玻璃纤维。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述增强纤维与捆绑纤维的体积分数比为33.5，所述捆绑纤维为PPS纤维，且密度为1.35g/m3、线密度为150D。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S3中的基体树脂为QY8911-IV双马来酰亚胺树脂体系或Hansort 2810A/B环氧树脂体系。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S3中成型工艺为树脂传递模塑或真空辅助树脂浸渍工艺。相比较于预浸料卷管工艺而言成型过程中纤维无断裂，整体性较好，且能够成型非等截面管结构。
本发明通过改变增强纤维与捆绑纤维的体积比来解决传统二维编织复合材料管因纤维的屈曲带来的材料力学性能降低的问题。所述捆绑纤维的细度越低，增强纤维与捆绑纤维体积比越大，捆绑纤维对增强纤维造成的屈曲影响也就越低。
增强纤维与捆绑纤维的体积比取决于两种纤维各自的线密度和体密度，如果选定了一定细度的捆绑纤维，那么他的线密度就确定了，而捆绑纤维的体密度则与捆绑纤维自身的材质有关，当纤维的材质和细度确定，体积比就确定了。但不同线密度(或者说不同细度)和不同材质的捆绑纤维对应的体积比是不同的，体积比与屈曲直接相关，增强纤维与捆绑纤维体积比越大，增强纤维的屈曲越小。
本发明的有益效果：
本发明采用捆绑纤维、增强纤维进行二维编织，且增强纤维与捆绑纤维的体积分数比为20～40，有效解决了二维编织复合材料管因纤维的屈曲带来的材料力学性能降低的问题。本发明大幅降低了编织纱线的屈曲，实现类似帘子布结构的单向增强纤维层结构在制品中的保留，显著提高编织复合材料管的力学性能。本发明在不改变二维编织基本工艺原理的条件下，能够兼顾二维编织的工艺优势和增强纤维的低屈曲带来的性能改善，具有较好的实用性。
附图说明
图1为单向纤维增强二维菱形编织复合材料管的编织结构示意图；
图2为单向二维编织物(a)与传统二维编织物(b)的结构对比图。
其中：1-增强纤维，2-捆绑纤维，3-编织成型芯模。
具体实施方式
实施例1：
一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：根据产品性能需要，选择合适的编织增强纤维1及捆绑纤维2，并根据产品的尺寸需要对编织角度进行设计，进而确定编织过程中的编织速度，编织路径等工艺参数。
其中，芯模直径D(单位为mm)与编织角θ，编织机锭数N及编织增强纤维1束宽度w的关系如下式所示：
Figure BDA0003020440540000031
在上式中，不考虑捆绑纤维2束宽度进行计算，得到特定芯模直径、编织锭数及编织增强纤维1束宽度下的编织角，进而计算得到芯模移动速度与编织速度的比值，完成编织工艺计算。
其中，所用增强纤维1为T700级碳纤维，无碱玻璃纤维，Kevlar纤维中的一种或几种。
所用捆绑纤维2为Kevlar纤维或无碱玻璃纤维。
所用增强纤维1与所用捆绑纤维2的体积分数比为20～40
其中增强纤维1与捆绑纤维2体积比根据下式进行计算：
Figure BDA0003020440540000032
其中，λ为增强纤维1与捆绑纤维2体积比，ρLR为增强纤维1束线密度，ρVR为增强纤维1材料体密度，ρLB为捆绑纤维2束线密度，ρVB为捆绑纤维2材料体密度。
步骤2：将作为主要增强的纤维作为一组，将细度较细的捆绑纤维2作为另一组，分别进行分卷并安装到二维编织机的两组相反方向运动的纱锭上。如图1所示，包括增强纤维1、捆绑纤维2，将增强纤维1、捆绑纤维2分别进行分卷并安装到二维编织机的两组相反方向运动的纱锭上；所示捆绑纤维2的细度较增强纤维1细。
其中所用的分组对应的编织结构为菱形编织1/1(两组纱线每隔一根纱线交替穿越一次，如图1所示)、规则编织2/2(两组纱线每隔两根纱线交替穿越一次)或赫格利斯编织3/3(两组纱线每隔三根纱线交替穿越一次)。
步骤3.启动编织机，通过机器人根据设计的工艺参数将芯模穿过编织平面进行往复二维编织直到达到设计所需的编织层数。
其中在编织过程中所用编织机结构类型为放射式二维编织机，使用的机器人为六轴机器人
步骤4.将编织物包覆的编织成型芯模3取下并通过树脂传递模塑(RTM)或真空辅助树脂浸渍(VARI)与基体树脂复合成型并脱模后得到单向纤维增强的二维编织复合材料管。
其中所用树脂为QY8911-IV双马来酰亚胺树脂体系或Hansort 2810A/B环氧树脂体系。
所用成型工艺技术为树脂传递模塑(RTM)技术或真空辅助树脂浸渍(VARI)技术。
本实施例具体的组分配方如表1所示：
表1
Figure BDA0003020440540000041
根据上述实验组1-实验组5制备得到的复合材料管试样的轴向压缩性能及弯曲性能测试结果如表2所示：
表2
Figure BDA0003020440540000042
如表2所示，从各实施例测试结果可以看出，实验组1-4与对照实验组5对比后，发现经纬线均为碳纤维的传统编织复合材料管(实验组5)的强度及模量最低。实验组1-实验组4制备的复合材料管的强度以及模量显著提升。对比实验组1与实验组2以及实验组3与实验组4，发现增强纤维1与捆绑纤维2的体积比越大，复合材料管的力学性能越好。这是因为捆绑纤维2所占的体积比越小，增强纤维1的屈曲程度越低，越能发挥纤维的承载和传力作用。
增强纤维1与捆绑纤维2的体积比取决于两种纤维各自的线密度和体密度，如果选定了一定细度的捆绑纤维2，那么他的线密度就确定了，而捆绑纤维2的体密度则与捆绑纤维2自身的材质有关，当纤维的材质和细度确定，体积比就确定了。但不同线密度(或者说不同细度)和不同材质的捆绑纤维2对应的体积比是不同的，体积比与屈曲直接相关，增强纤维1与捆绑纤维2体积比越大，增强纤维1的屈曲越小。
对比实验组1与实验组2，或实验组3与实验组4，在相同编织角和相同的捆绑纤维2材料条件下，线密度大的捆绑纱线对应复合材料管的强度及模量低于线密度小的试样。而对比实验组1与实验组3，在相同编织角和相同线密度的捆绑纤维2条件下，密度较大的捆绑纤维2对应复合材料管的强度和模量要显著高于密度低的试样，这是因为PPS纤维材料较PA66纤维密度更大，因此相同线密度条件下PPS纤维更细，所占体积更小，增强纤维1与捆绑纤维2的体积比更大。
如图2所示，实验组1与实验组5对应的二维编织物的结构中可看出，采用本发明的单向编织工艺制备的二维编织碳纤维织物大幅降低了增强编织纱线的屈曲，提高了结构内纤维的承载能力，使复合材料管件的力学性能得到提高。本发明大幅降低编织纱线的屈曲，实现类似帘子布结构的单向增强纤维1层结构在制品中的保留，显著提高编织复合材料管的力学性能。本发明在不改变二维编织基本工艺原理的条件下，能够兼顾二维编织的工艺优势和增强纤维1的低屈曲带来的性能改善，具有较好的实用性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：分别准备增强纤维、捆绑纤维，所述增强纤维与捆绑纤维的体积分数比为20~40；分别将增强纤维、捆绑纤维分卷并安装到二维编织机的两组纱锭上；
步骤S2：启动编织机，往复编织达到目标编织层数；
步骤S3：然后将编织物包覆的成型芯模取下，并通过成型工艺与基体树脂复合成型，且脱模后得到单向纤维增强的二维编织复合材料管。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中增强纤维为T700级碳纤维、无碱玻璃纤维、Kevlar纤维中的任意一种或多种；所述捆绑纤维为Kevlar纤维或无碱玻璃纤维。
3.根据权利要求2所述的一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法，其特征在于，所述增强纤维与捆绑纤维的体积分数比为33.5，所述捆绑纤维为PPS纤维，且密度为1.35 g/m3、线密度为150D。
4.根据权利要求1所述的一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中的基体树脂为QY8911-IV双马来酰亚胺树脂体系或Hansort2810A/B环氧树脂体系。
5.根据权利要求1所述的一种基于二维编织的单向纤维增强复合材料管的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中成型工艺为树脂传递模塑或真空辅助树脂浸渍工艺。
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