WO2021103251A1 - 一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料及其固结方法，以每至少1束纤维丝束为一组，采用铺丝或铺带装置对每组并列排放的单层纤维丝束进行铺设；固结纱线穿过空心刺针空腔部分并从针尖端针眼中穿出，空心刺针跟随铺丝或铺带装置通过机械式上、下往复运动推动空心刺针刺入基材进行针刺，空心刺针沿纤维丝束铺设的方向移动并按设计线迹刺入铺设的纤维丝束两侧固结住纤维丝束在所述基材上，所述线迹位于新铺设纤维丝束的两侧，重复铺设和针刺至铺设完所设计的纤维方向、设计层数和设计厚度。本申请所述固结方法高效、快速、低成本、对原材料适应性较好，可以形成多层纤维丝束或基材间的加固关系，提高复合材料的抗冲击损伤能力。

Description

[根据细则26改正05.03.2020]　一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法
本申请要求2019年11月28日提交中国专利局、申请号为201911187152.6、发明名称为“一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法”的发明专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及纤维复合材料技术领域，具体涉及一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料及其固结方法。
背景技术
纤维复合材料的应用范围广泛，为满足纤维复合材料的性能要求，纤维方向需要根据实际应力方向进行设计和改变，而现有技术中，纤维制品都有基本结构单元，如平纹、斜纹、机织物、针织物、编织物、多轴向经编织物、短切纤维针刺毡或三维编织物等，由于织物结构与制造工艺具有相关的固有特征，纤维束方向等结构参数已经固化在了纤维制品中，其纤维束的方向数目有限，使得一定厚度的复合材料其可铺设的纤维方向数受到限制，不能满足工程应用中复合材料的设计要求。
若要改变织物结构特征，如增加层间连接，就需要对纤维制品进行层间加固，采用针刺技术并配合短切纤维毡的使用可以实现对纤维层间的加固，但对纤维损伤较大，另外需要增加纤维毡的使用，增加成本，生产效率较低。工程中常常将多层纤维制品连接成一体，或是将纤维制品与柔性材料如薄膜等连接成一体，常用的方法有缝合、三维编织、针刺、Z-pin等技术，而在许多工程应用中，无法采用带底线的缝合技术，如贴模缝合、较厚的柔性材料缝合问题等，另外，底线的使用极大地影响了缝合速度，尤其对于高厚度的纤维制品。普通实心针针刺技术，包括带勾刺的针刺技术和叉形针针刺技术等，工作效率相对较高，然而这种刺入的是短纤维，且容易对主体纤维材料造成损伤；而缝针针刺技术虽然刺入的是连续纤维，却容易出现每次针刺带出纱线的问题，即每次刺入抬针后易将纱线带出。工程上迫切需要一种高效、快速、低成本、对原材料适应性较好的对任意方向纤维丝束及多向多层材料的加固技术，以形成纤维丝束与基材之间和/或纤 维丝束层和层之间和/或纤维丝束层与多层基材之间的加固关系。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料及其固结方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法，以每至少1束纤维丝束为一组，采用铺丝或铺带装置对每组并列排放的单层纤维丝束进行铺设；固结纱线穿过空心刺针空腔部分并从针尖端针眼中穿出，所述空心刺针跟随铺丝或铺带装置通过机械式上、下往复运动推动空心刺针刺入基材进行针刺，空心刺针沿纤维丝束铺设的方向移动并按设计线迹刺入铺设的纤维丝束两侧固结住纤维丝束在所述基材上，所述线迹位于新铺设纤维丝束的两侧；按照设计的纤维方向、设计层数和设计厚度重复铺设和针刺至完成设计；
优选的，所述空心刺针为不锈钢或硬质合金空心刺针，其截面为圆形、椭圆形或跑道型；
优选的，所述纤维丝束以每1～12束为一组；
优选的，所述线迹为锯齿形或波纹形或方波形或折线形或其他设计形状；
优选的，当设计层数为多层时，将设计的所述多层多向柔性材料分为两个或两个以上的部分，分别进行针刺加固，每12～60纤维丝束层之间应铺设一层或两层基材，对下半部分1～48层纤维丝束，刺针必须刺入基材中，对上半部分1～48层纤维丝束，刺针应刺过第二层基材并刺入下半部分纤维丝束中；
优选的，所述固结纱线为缝线或合股线，包括但不限于3k或6k碳纤维丝束、≤1500tex的玻璃纤维丝束、金属丝束、陶瓷纤维丝束、高聚物纤维丝束、高聚物长丝股线、尼龙缝线、单丝缝线、含聚合物耐磨型树脂胶衣或浆料的玻璃纤维丝束、含聚合物耐磨型树脂胶衣或浆料的碳纤维长丝束；
优选的，所述纤维丝束为柔性材料丝束或扁带，包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、聚合物纤维、金属丝束；
优选的，所述基材为纺织品或多层纤维制品或柔性材料，所述纺织品和多层纤维制品包括但不限于机织平纹布、网格布、纤维毡，所述柔性材料包括但不限 于高聚物薄膜、发泡材料、天然软木、凝胶、溶胶、金属箔、无机非金属片或其它柔性多孔材料，所述发泡材料包括但不限于发泡塑料、发泡树脂、发泡橡胶，所述凝胶包括液态凝胶和干态凝胶，所述液态凝胶包括但不限于琼脂、明胶，所述干态凝胶包括但不限于硅酸凝胶、气凝胶，所述溶胶包括但不限于Fe(OH) 3溶胶，所述金属箔包括但不限于铝、铜、锡，所述无机非金属片包括但不限于柔性石墨纸、石墨烯柔性纸、氧化石墨烯纸。
本发明的有益效果为：
(1)纤维方向按任意方向进行设计，需要对任意方向铺设的纤维进行及时加固，通过在基材上铺设连续纤维丝束，使纤维丝束在铺设任意方向时能随时被固定在基材上，从而达到复合材料设计的精准优化。
(2)本申请提供一种对任意方向纤维丝束和多层多向柔性材料的加固方法，克服了对任意方向纤维丝束的加固难题，解决了纤维丝束与基材之间和/或纤维丝束层和层之间和/或纤维丝束层与多层基布之间的加固的问题。
(3)通过空心刺针，利用连续纱线对纤维丝束或纤维集合体进行加固，纤维制品的完整性较好，对纤维损伤较小，加工效率较高，全面提升了复合材料任意方向纤维或多层或多功能等可设计性，解决了复合材料层合板抗冲击性能较差的缺点，克服了层合板受冲击后易分层等缺陷，改善了复合材料边缘的力学性能，有效解决了复合材料边缘开裂、散边等问题，提高了复合材料的抗冲击损伤能力。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是空心刺针与穿有固结纱线的空心刺针；
图2是空心刺针截面形状示意图；
图3是纤维丝束与线迹分布示意图；
图4是单层基材的多层多向柔性材料结构示意图；
图5是多层基材的多层多向柔性材料结构示意图。
附图标记：10-空心刺针；11-针眼；100-纤维丝束；200-基材；500-植入的 固结纱线；600-植入点；101-第一部分多层多向纤维丝束；102-第二部分多层多向纤维丝束；103-第三部分多层多向纤维丝束；201-第一层基材；202-第二层基材；203-第三层基材。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
本申请的实施例涉及一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法，以每至少1束纤维丝束为一组，采用铺丝或铺带装置对每组并列排放的单层纤维丝束进行铺设；固结纱线穿过空心刺针空腔部分并从针尖端针眼中穿出，所述空心刺针跟随铺丝或铺带装置通过机械式上、下往复运动推动空心刺针刺入基材进行针刺，空心刺针沿纤维丝束铺设的方向移动并按设计线迹刺入铺设的纤维丝束两侧或纤维丝束中固结住纤维丝束，所述线迹位于新铺设纤维丝束的两侧或纤维丝束中，将任意方向铺设的纤维丝束以固结纱线连接在基材上，重复铺设和针刺至完成所设计的纤维方向、设计层数和设计厚度；
针距和行距根据纤维丝束的铺设方向和丝束宽度来确定，空心刺针每刺入一次并且移出后，手动或机械推动纤维材料整体沿平面方向移动一个针距的距离，压脚板紧跟刺针并压住新的线迹，重复上述动作，按照针距、行距和线迹设计完成设定面积针刺；
针距为相邻两个植入点的距离，行距为两根平行单根线迹之间的距离；
优选的，所述空心刺针为不锈钢或硬质合金空心刺针，其截面为圆形、椭圆形或跑道型；
采用空心刺针，有利于提高针刺速度，可减小摩擦阻力，能降低对所加固材料的损伤，有助于增加固结纱的植入深度，对纤维丝束损伤较小，针眼孔洞也较小，空心针针刺技术在纤维制品表面所留下的纱线端头呈点状或小圈状，通过修剪技术可以最大限度地减小纱线端头的痕迹，采用空心针针刺技术能够实现对复合材料结构的精准化设计与性能优化；
优选的，所述纤维丝束以每1～12束为一组；
优选的，所述线迹为锯齿形或波纹形或方波形或折线形或其他设计形状；
波纹或方波线迹为从上到下投影固结纱线所得的线迹，有利于覆盖住整根纤 维束长度；
优选的，当设计层数为多层时，将设计的所述多层多向柔性材料分为两个或两个以上的部分，分别进行针刺加固，每部分纤维材料之间可加入新的基材，也可不加入基材，每12～60纤维丝束层之间应铺设一层或两层基材，对下半部分1～48层纤维丝束，刺针必须刺入基材中，对上半部分1～48层纤维丝束，刺针应刺过第二层基材并刺入下半部分纤维丝束中；根据复合材料结构和性能设计要求，采用不同的刺针规格以调节固结纱线的植入深度，所述植入深度为刺针带入纱线的长度；
每12～60纤维丝束层之间铺设一层或两层贴合的基材，采用两层基材，可以更好地锁住固结纱线端头，一层基材可能出现带出纱线较多的情况；
优选的，所述固结纱线为缝线或合股线，包括但不限于3k或6k碳纤维丝束、≤1500tex的玻璃纤维丝束、金属丝束、陶瓷纤维丝束、高聚物纤维丝束、高聚物长丝股线、尼龙缝线、单丝缝线、含聚合物耐磨型树脂胶衣或浆料的玻璃纤维丝束、含聚合物耐磨型树脂胶衣或浆料的碳纤维长丝束；
优选的，所述纤维丝束为柔性材料丝束或扁带，包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、聚合物纤维、金属丝束；
优选的，所述基材为纺织品或多层纤维制品或柔性材料，所述纺织品和多层纤维制品包括但不限于机织平纹布、网格布、纤维毡，所述柔性材料包括但不限于高聚物薄膜、发泡材料、天然软木、凝胶、溶胶、金属箔、无机非金属片或其它柔性多孔材料，所述发泡材料包括但不限于发泡塑料、发泡树脂、发泡橡胶，所述凝胶包括液态凝胶和干态凝胶，所述液态凝胶包括但不限于琼脂、明胶，所述干态凝胶包括但不限于硅酸凝胶、气凝胶，所述溶胶包括但不限于Fe(OH) 3溶胶，所述金属箔包括但不限于铝、铜、锡，所述无机非金属片包括但不限于柔性石墨纸、石墨烯柔性纸、氧化石墨烯纸。
实施例1
步骤1：刺针规格与材料选择：空心刺针规格外径Φ＝1.2mm，内径φ＝0.8mm，取相同刺针工作长度h＝40mm，采用尼龙线作固结纱线，选用1600tex无捻粗纱玻璃纤维作为铺放纤维丝束，纤维丝束的厚度为h＝0.3mm，长丝玻纤毡做填补材料，厚度0.2mm，玻纤毡为基材，厚度为0.6mm；
步骤2：预制体结构、纤维方向和铺层设计：以4束玻璃纤维丝束为一组进行并列铺设，上半部分玻璃纤维丝束为30层，第一层，第二层，到第30层的铺设角度分别为：0°，6°，12°，18°，···，180°，相邻层相差6°；下半部分玻璃纤维丝束也是30层，下半部分玻璃纤维铺设角度从下到上分别为：0°，6°，12°，18°，···，180°，相邻层相差6°，中间层为玻纤毡基材，基材裁成800mm×600mm面积；
步骤3：针刺工艺：设针距为6mm，行距为8mm，从下层往上按顺序进行铺层与针刺，采用双滚轮铺丝束头，夹持住玻璃纤维丝束，按每层设计角度铺设每层纤维丝束，将作为固结纱线的尼龙线穿过空心刺针并固定或夹住尼龙线头，刺针带着尼龙固结纱线每刺入一次，即完成一下一上针刺并抬起针后，将纤维丝束材料整体沿平面移动一个针距的距离，按照针距、行距和线迹设计完成800mm×600mm面积的针刺；
包括基材的铺层总厚度为18.6mm，取下半部分针刺深度为12～14mm，植入深度11～12mm，对下半部分30层纤维丝束刺透，通过空心刺针将固结纱线尼龙线刺透并穿过基材，使固结尼龙纱线在基材背面留有端头，重复上述操作；在刺过的下半部分纤维丝束上再铺设一层基材玻纤毡，取上半部分针刺深度为15～17mm，植入深度为13～15mm，对上半部分30层纤维丝束针刺，将固结纱线尼龙线刺穿中间基材玻纤毡并植入下半部分增强纤维丝束中，重复上述操作，完成包括基材的设计方向纤维丝束预制体的制备；
在高速针刺条件下，刺针在抽出过程中，由于惯性和摩擦力，可能会带出一小段纱线，包括针尖到针眼的距离以及针尖的形状也可能造成植入深度小于针刺深度；本申请采用空心针针刺技术，由于固结纱线在针管外部的摩擦力始终大于空心针管内部的摩擦力，而且一般都采用的基布密度较高，抬针过程基本不带出固结纱线；
步骤4：对完成的纤维丝束预制体的边缘作加固处理，对边缘处进行补针，沿前面线迹相邻行距的中间位置进针，对边缘处再做一次针刺，以加固柔性材料边缘，防止固化后出现散边、开裂、毛边等现象。
实施例2
步骤1：材料选择：空心刺针规格外径Φ＝1.4mm，内径φ＝0.93mm，刺针工 作长度h1＝40mm用于下半部分纤维丝束的针刺，刺针工作长度h2＝30mm用于上半部分纤维丝束的针刺，采用芳纶线作固结纱线，选用T700SC-12K碳纤维作为增强纤维丝束，厚度0.32mm，采用硬质热固性聚酰亚胺(PI)泡沫板厚2mm，6K碳纤维网格布为底层基材，厚度为0.28mm；
步骤2：预制体结构、纤维方向和铺层设计：以4束T700SC-12K碳纤维为一组并列进行铺设，下半部分为20层T700SC-12K碳纤维，第一层，第二层，到第20层的铺设角度分别为：0°，9°，18°，27°，···，180°，相邻层相差9°；中间基材层为2mm厚的聚酰亚胺(PI)泡沫板；上半部分为30层T700SC-12K碳纤维，上半部分碳纤维铺设角度从下到上分别为：第一层0°，第二层6°，第三层12°，第四层18°，···，180°，相邻层相差6°，中间层为0.5mm厚碳纤毡基材，将基材裁切成400mm×300mm的尺寸，以6K碳纤维网格布为底层基材，从下层到上层按顺序铺层并针刺。
步骤3：针刺工艺：设计针距为8mm，行距为16mm，采用三滚轮铺丝束头，夹持住碳纤维丝束，按“>”形或“<”形(折线内夹角：20°～70°)铺设每一层碳纤维丝束，将作为固结纱线的芳纶线穿过空心刺针和针眼后引出并固定或夹住芳纶线头，刺针带着芳纶固结线每刺入一次，即完成一下一上并抬起刺针后，将纤维丝束材料整体沿平面移动一个针距的距离，按照针距、行距和线迹设计完成400mm×300mm面积的针刺；
包括基材和铺层总厚度为18.28mm，取下半部分的针刺深度为9.5～12.5mm，固结纱线的植入深度7～9mm，对下半部分20层纤维丝束刺透，将固结纱线芳纶线刺透并穿过基材碳纤网格布，使芳纶固结线在碳纤网格布背面留有端头，重复上述操作完成下半部分20层针刺。在下半部分碳纤维丝束上再铺设一层热固性聚酰亚胺(PI)泡沫板厚2mm，取上半部分的针刺深度为14～16mm，固结纱线的植入深度为11～13mm，对上半部分30层碳纤维丝束针刺，将固结芳纶线刺穿PI泡沫板并植入下半部分碳纤维丝束中，重复上述操作，完成包括基材的设计方向纤维丝束预制体的制备；
步骤4：对完成的纤维丝束预制体的边缘作加固处理，对边缘处进行补针，沿前面线迹相邻行距的中间位置进针，对边缘处再做一次针刺，以加固柔性材料边缘，防止固化后出现散边、开裂、毛边等现象。
实施例3
步骤1：材料选择：空心刺针规格外径Φ＝1.2mm，内径φ＝0.8mm，刺针工作部位长度h＝40mm，采用浸过胶的3K碳纤作固结纱线，2400tex无捻粗纱玻璃纤维为纤维丝束，等效厚度0.35mm，1200tex玻璃纤维平纹布为基材，单层织物厚度0.3mm，软木厚4mm；
步骤2：预制体结构、纤维方向和铺层设计：下半部分为40层T700SC-12K碳纤维，相邻两层按同角度铺设，第1、2层，第3、4层，到第39、40层的铺设角度分别为：0°，9°，18°，27°，···，180°；中间基材层为4mm软木板，上半部分为40层2400tex无捻粗纱玻璃纤维为纤维丝束，40层2400tex无捻粗纱，相邻两层按同角度铺设，第1、2层，第3、4层，到第39、40层的铺设角度分别为：0°，9°，18°，27°，···，180°，1200tex玻璃纤维平纹布为底层基材，将基材裁切成500mm×500mm的尺寸，然后从下层到上层按顺序铺层；
步骤3：针刺工艺：设计针距为8mm，行距为16mm。采用三滚轮铺丝束头，夹持住碳纤维丝束，按设计方向铺设每一层碳纤维丝束，将作为固结纱线的芳纶线穿过空心刺针和针眼后引出并固定或夹住芳纶线头，刺针带着芳纶固结线每刺入一次，即完成一下一上并抬起刺针后，将纤维丝束材料整体沿平面移动一个针距的距离，按照针距、行距和线迹设计完成500mm×500mm面积的针刺；
铺层总厚度为28mm，取下半部分针刺深度为12.5～14.5mm，植入深度10～11mm，对下半部分40层纤维丝束刺透，将固结纱线芳纶线刺透并穿过基材碳纤网格布，使芳纶固结纱线在碳纤网格布背面留有端头，重复上述操作完成下半部分40层针刺；在下半部分碳纤维丝束上再铺设一层软木厚4mm，取上半部分针刺深度为16～18mm，植入深度为14～16mm，对上半部分40层碳纤维丝束针刺，将固结芳纶线刺穿4mm厚软木并植入下半部分碳纤维丝束中，重复上述操作，完成包括基材的设计方向纤维丝束预制体的制备。
步骤4：对完成的纤维丝束预制体的边缘作加固处理，对边缘处进行补针，沿前面线迹相邻行距的中间位置进针，对边缘处再做一次针刺，以加固柔性材料边缘，防止固化后出现散边、开裂、毛边等现象。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发 明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

  1. 一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法，其特征在于，以每至少1束纤维丝束为一组，采用铺丝或铺带装置对每组并列排放的单层纤维丝束进行铺设；固结纱线穿过空心刺针空腔部分并从针尖端针眼中穿出，所述空心刺针跟随铺丝或铺带装置通过机械式上、下往复运动推动空心刺针刺入基材进行针刺，空心刺针沿纤维丝束铺设的方向移动并按设计线迹刺入铺设的纤维丝束两侧固结住纤维丝束在所述基材上，所述线迹位于新铺设纤维丝束的两侧；按照设计的纤维方向、设计层数和设计厚度重复铺设和针刺至完成设计。
  2. 根据权利要求1所述的一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法，其特征在于，所述空心刺针为不锈钢或硬质合金空心刺针，其截面为圆形、椭圆形或跑道型。
  3. 根据权利要求1所述的一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法，其特征在于，所述纤维丝束以每1～12束为一组。
  4. 根据权利要求1所述的一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法，其特征在于，所述线迹为锯齿形或波纹形或方波形或折线形或其他设计形状。
  5. 根据权利要求1所述的一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法，其特征在于，当设计层数为多层时，将设计的所述多层多向柔性材料分为两个或两个以上的部分，分别进行针刺加固，每12～60纤维丝束层之间应铺设一层或两层基材，对下半部分1～48层纤维丝束，刺针必须刺入基材中，对上半部分1～48层纤维丝束，刺针应刺过第二层基材并刺入下半部分纤维丝束中。
  6. 根据权利要求1所述的一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法，其特征在于，所述固结纱线为缝线或合股线，包括但不限于3k或6k碳纤维丝束、≤1500tex的玻璃纤维丝束、金属丝束、陶瓷纤维丝束、高聚物纤维丝束、高聚物长丝股线、尼龙缝线、单丝缝线、含聚合物耐磨型树脂胶衣或浆料的玻璃纤维丝束、含聚合物耐磨型树脂胶衣或浆料的碳纤维长丝束。
  7. 根据权利要求1所述的一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法，其特征在于，所述纤维丝束为柔性材料丝束或扁带，包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、聚合物纤维、金属丝束。
  8. 根据权利要求1所述的一种具有任意纤维方向的多层多向柔性材料的固结方法，其特征在于，所述基材为纺织品或多层纤维制品或柔性材料，所述纺织品和多层纤维制品包括但不限于机织平纹布、网格布、纤维毡，所述柔性材料包括但不限于高聚物薄膜、发泡材料、天然软木、凝胶、溶胶、金属箔、无机非金属片或其它柔性多孔材料，所述发泡材料包括但不限于发泡塑料、发泡树脂、发泡橡胶，所述凝胶包括液态凝胶和干态凝胶，所述液态凝胶包括但不限于琼脂、明胶，所述干态凝胶包括但不限于硅酸凝胶、气凝胶，所述溶胶包括但不限于Fe(OH)3溶胶，所述金属箔包括但不限于铝、铜、锡，所述无机非金属片包括但不限于柔性石墨纸、石墨烯柔性纸、氧化石墨烯纸。
  9. 根据权利要求1-8任一所述固结方法制备的具有任意纤维方向的多层多向柔性材料。
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