CN115161851B - 一种3d编织皮芯结构管状预制体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D编织皮芯结构管状预制体及其制备方法,所述管状预制体由皮层(1)、芯层(3)和混杂区(2)组成;所述皮层(1)和芯层(3)分别采用两种不同种类的纱线,皮层(1)和芯层(3)间通过混杂区(2)相连接,所述混杂区(2)由所述两种不同种类的纱线混杂编织而得。本发明解决了皮芯结构管状预制体整体编织成型的难题,不存在分层现象,有利于提高皮芯结构管状预制体的整体力学性能;同时制备方法具有操作简单、制造效率高、适用范围广等优点,可以满足高性能低成本皮芯结构管状复合材料的制造需求。

Description

一种3D编织皮芯结构管状预制体及其制备方法
技术领域
本发明属于航空航天材料领域,特别涉及一种3D编织皮芯结构管状预制体及其制备方法。
背景技术
管状复合材料是航空航天领域常用的结构件之一,比如:机身圆筒、传动轴、尾翼轴等。这些结构件对耐高温、高强度、抗冲击性等性能有着较高的要求,3D编织管状复合材料具有优异的剪切强度和抗冲击性能,在航空航天领域有着广阔的应用前景。
航空航天领域的极端环境对材料的性能提出了更为严苛的功能多样化的要求,结构功能一体化已然成为目前复合材料发展的重要方向之一。通过采用不同种类的纱线,并根据不同部位的功能需求对纱线在结构中的分布进行设计,可制备出满足结构功能一体化要求的混杂管状复合材料。其中,皮芯结构管状复合材料中含有两种不同种类的纱线,在功能多样性方面具有较大的优势,其既可以保持各类纱线的功能特性,又能通过结构设计达到使用要求的性能。
目前,皮芯结构管状预制体的混杂方式,多采用不同组分的纱线或织物通过铺层、缠绕等工艺制备,在使用过程中,皮层和芯层相邻区域间没有纱线连接,预制体的整体性不高,存在分层的缺陷,或采用缝合工艺实现了皮层和芯层相邻区域间的连接,但对预制体结构造成了损伤。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种3D编织皮芯结构管状预制体及其制备方法,该管状预制体解决了皮芯结构管状预制体整体编织成型的难题,不存在分层现象。
本发明提供了一种3D编织皮芯结构管状预制体,所述管状预制体由皮层、芯层和混杂区组成;所述皮层和芯层分别采用两种不同种类的纱线,皮层和芯层间通过混杂区相连接,所述混杂区由所述两种不同种类的纱线混杂编织而得。
所述皮芯结构以四步法3D编织结构为基础,通过在皮层、芯层和混杂区纱线之间添加与预制体成型方向呈0度、90度或其他角度的纱线,或仅含编织纱。
所述皮芯结构中,皮层、芯层和混杂区纱线沿周向的列数相同。通过改变预制体沿周向的列数,改变皮芯结构管状预制体的内径。
所述皮芯结构中,皮层、芯层纱线为任意正整数,混杂区纱线沿径向的层数为任意正偶数,皮层、芯层纱线与混杂区纱线沿径向的层数或相同或不同。通过改变皮层和芯层纱线沿径向的层数,改变皮芯结构管状预制体中皮层和芯层的厚度。通过改变混杂区纱线沿径向的层数,改变皮芯结构管状预制体中混杂区的厚度。
所述管状预制体的芯模为等直径圆管、变直径圆管、其他规则形状或不规则形状。
本发明还提供了一种3D编织皮芯结构管状预制体的制备方法,包括:
挂纱时分区进行,首先对皮层和芯层分别悬挂两种不同种类的纱线,然后对混杂区进行挂纱,根据设计将不同种类的纱线分别悬挂于周向不同层中,或者先对混杂区挂纱,再对皮层和芯层挂纱;编织时分区进行,首先对皮层和芯层进行编织,然后对混杂区进行编织,或者先对混杂区进行编织,再对皮层和芯层进行编织;
其中,所述混杂区的横截面为圆环形:混杂区纱线沿径向的层数为任意正偶数,沿周向的列数与皮层、芯层的编织纱列数相同,混杂区圆环形横截面的内边界与外边界上的纱线分属不同的纱线种类,两种纱线在横截面内的分布是稳定的。
具体工艺为:
(1)纱线排列设计:根据管状预制体芯模的形状和尺寸,选择合适的纱线种类和规格,确定管状预制体的内径,即纱线沿径向的列数;根据预制体横截面的尺寸要求,设计预制体皮层、芯层和混杂区的厚度,即确定皮层、芯层和混杂区纱线沿周向的层数;
(2)分区挂纱:先对皮层和芯层进行挂纱,根据第一步所确定的皮层和芯层沿周向的层数和沿径向的列数,将两种不同种类的纱线按照纱线排列设计分别在皮层和芯层区进行挂纱,再对混杂区进行挂纱,根据第一步确定的沿周向的层数和径向列数,按照纱线排列设计对混杂区进行挂纱;或者先对混杂区进行挂纱,再对皮层和芯层区进行挂纱;
(3)分区编织:以四步法三维编织圆型结构编织工艺为基础,对皮芯结构管状预制体采用分区编织的方法进行编织,直至达到预制体所需长度。
所述分区编织的方法:(ⅰ)对皮层和芯层进行编织,第一步:皮层相邻周向的携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置,芯层相邻周向的携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置;第二步:皮层相邻径向的携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置,芯层相邻径向的携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置;第三步和第四步:皮层和芯层携纱器的运动方向分别与第一步和第二步相反,经上述四步运动,皮层和芯层的非混杂区域完成一个编织循环;(ⅱ)对混杂区进行编织,第五步:混杂区相邻周向的携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置;第六步:混杂区相邻径向的携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置;第七步和第八步:混杂区携纱器的运动方向分别与第五步和第六步相反,经上述四步运动,混杂区域完成一个编织循环;(ⅲ)经上述(ⅰ)(ⅱ)的编织方法,整个预制体完成了皮层、芯层和混杂区的一个完整编织循环,根据花节长度进行整理打紧工艺,重复以上步骤。
有益效果
本发明皮层和芯层间通过混杂区实现整体连接,预制体整体性高,力学性能稳定;皮层和芯层间无“越界”现象,横截面中纱线分布稳定;可灵活设计芯模形状、预制体编织尺寸、皮层、芯层和混杂区的厚度,以满足不同场景的使用要求;实现方法为三维编织圆型结构整体成型工艺,无需缝合工艺,减少了对预制体结构的后续损伤,也简化了工艺,降低了制备成本;制备方法具有操作简单、制造稳定和机械化程度高等优点,可以满足高性能皮芯结构管状复合材料的制造需求。
附图说明
图1(a)为本发明3D编织皮芯结构管状预制体的立体形状示意图,图1(b)为本发明3D编织皮芯结构管状预制体的编织结构示意图.
图2为本发明3D编织皮芯结构管状预制体的横截面纱线排列示意图.
图3为本发明制备方法中,分区编织的第一步纱线运动示意图。
图4为本发明制备方法中,分区编织的第二步纱线运动示意图。
图5为本发明制备方法中,分区编织的第五步纱线运动示意图。
图6为本发明制备方法中,分区编织的第六步纱线运动示意图。
标号说明:
1 皮层区;
2 混杂区;
3 芯层区;
4 碳纤维;
5 玻璃纤维。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
本实施例中,3D编织皮芯结构管状预制体的工艺参数设计为:芯模为等直径圆管,预制体的内径为10mm,预制体外径为12mm,预制体壁厚为1mm,花节长度为3mm,预制体长度为300mm。
所述3D编织皮芯结构管状预制体采用T700-6K的碳纤维和600tex玻璃纤维两种不同种类的纱线,碳纤维4和玻璃纤维5在预制体中呈皮芯结构分布。图3~6为皮芯结构管状预制体制备方法中的部分步骤。
该皮芯结构管状预制体制备方法的具体操作为:
(1)纱线排列设计:根据管状预制体芯模的形状和尺寸,选择T700-6K的碳纤维和600tex玻璃纤维作为分别作为皮层编织纱和芯层编织纱,分别计算所需碳纤维和玻璃纤维的根数,以及皮层、芯层和混杂区所需纱线根数、纱线的列数和层数;确定了如图2所示的纱线排列方式,即皮层、芯层和混杂区的层数各为2层,管状预制体的列数为8列,碳纤维和玻璃纤维根数各为32根。
(2)分区挂纱:先对皮层和芯层进行挂纱,根据第一步所确定的皮层和芯层沿周向的层数和沿径向的列数,将碳纤维与皮层的携纱器相连以形成碳纤维皮层,排纱模式为2层8列,将玻璃纤维与芯层的携纱器相连以形成玻璃纤维芯层,排纱模式为2层8列;对混杂区进行挂纱,根据第一步确定的混杂区沿周向的层数和径向列数,对混杂区进行挂纱,最外层携纱器与玻璃纤维相连,最内层携纱器与碳纤维相连,形成混杂区,排纱模式为2层8列。
(3)分区编织:以四步法三维编织圆型结构编织工艺为基础,对皮芯结构管状预制体采用分区编织的方法:
(ⅰ)对皮层和芯层进行编织,第一步:皮层相邻周向的携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置,芯层相邻周向的携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置(图3);第二步:皮层相邻径向的携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置,芯层相邻径向的携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置(图4);第三步和第四步:皮层和芯层携纱器的运动方向分别与第一步和第二步相反,经上述四步运动,皮层和芯层的非混杂区域完成一个编织循环;
(ⅱ)对混杂区进行编织,第五步:混杂区相邻周向的携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置(图5);第六步:混杂区相邻径向的携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置(图6);第七步和第八步:混杂区携纱器的运动方向分别与第五步和第六步相反,经上述四步运动,混杂区域完成一个编织循环;
(ⅲ)经上述(ⅰ)(ⅱ)的编织方法,整个预制体完成了皮层、芯层和混杂区的一个完整编织循环,整理打紧后,花节长度为3mm,重复以上步骤,直到预制体长度为300mm;所得3D编织皮芯结构管状预制体的内径为10mm,外径为12mm,预制体壁厚为1mm,花节长度为3mm,预制体长度为300mm。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种3D编织皮芯结构管状预制体,其特征在于:所述管状预制体由皮层(1)、芯层(3)和混杂区(2)组成;所述皮层(1)和芯层(3)分别采用两种不同种类的纱线,皮层(1)和芯层(3)间通过混杂区(2)相连接,所述混杂区(2)由所述两种不同种类的纱线混杂编织而得;所述3D编织皮芯结构管状预制体的制备方法包括如下步骤:
步骤(1)纱线排列设计:根据管状预制体芯模的形状和尺寸,选择合适的纱线种类和规格,确定管状预制体的内径,即纱线沿周向的列数;根据预制体横截面的尺寸要求,设计预制体皮层、芯层和混杂区的厚度,即确定皮层、芯层和混杂区纱线沿径向的层数;
步骤(2)分区挂纱:先对皮层和芯层进行挂纱,根据第一步所确定的皮层和芯层沿径向的层数和沿周向的列数,将两种不同种类的纱线按照纱线排列设计分别在皮层和芯层区进行挂纱,再对混杂区进行挂纱,根据步骤(1)确定的沿径向的层数和沿周向的列数,按照纱线排列设计对混杂区进行挂纱;或者先对混杂区进行挂纱,再对皮层和芯层区进行挂纱;
步骤(3)分区编织:以四步法三维编织圆型结构编织工艺为基础,对皮芯结构管状预制体采用分区编织的方法进行编织,直至达到预制体所需长度;
所述分区编织的方法:步骤i、对皮层和芯层进行编织,第一步:皮层相邻周向的携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置,芯层相邻周向的携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置;第二步:皮层相邻径向的携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置,芯层相邻径向的携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置;第三步和第四步:皮层和芯层携纱器的运动方向分别与第一步和第二步相反,经四步运动,皮层和芯层的非混杂区域完成一个编织循环;步骤ii、对混杂区进行编织,第五步:混杂区相邻周向的携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置;第六步:混杂区相邻径向的携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置;第七步和第八步:混杂区携纱器的运动方向分别与第五步和第六步相反,经四步运动,混杂区域完成一个编织循环;步骤iii、经上述步骤i、ii的编织方法,整个预制体完成了皮层、芯层和混杂区的一个完整编织循环,根据花节长度进行整理打紧工艺,重复以上步骤;
其中,所述混杂区的横截面为圆环形:混杂区纱线沿径向的层数为任意正偶数,沿周向的列数与皮层、芯层的编织纱列数相同,混杂区圆环形横截面的内边界与外边界上的纱线分属不同的纱线种类,两种纱线在横截面内的分布是稳定的。
2.根据权利要求1所述的3D编织皮芯结构管状预制体,其特征在于:所述皮芯结构以四步法3D编织结构为基础,通过在皮层(1)、芯层(3)和混杂区(2)纱线之间添加与预制体成型方向呈0度、90度或其他角度的纱线,或仅含编织纱。
3.根据权利要求1所述的3D编织皮芯结构管状预制体,其特征在于:所述皮芯结构中,皮层(1)、芯层(3)纱线为任意正整数,皮层(1)、芯层(3)纱线与混杂区(2)纱线沿径向的层数或相同或不同。
4.根据权利要求1所述的3D编织皮芯结构管状预制体,其特征在于:所述管状预制体的芯模为等直径圆管、变直径圆管、其他规则形状或不规则形状。
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