CN108914331A - 一种盒状立体织物及其耦合织造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盒状立体织物及其耦合织造方法，所述盒状立体织物包括盒底和盒壁，其特征在于所述盒底为2.5D结构，所述盒壁为三维编织结构，所述织物采用耦合织造方法一体成型。本发明能够实现两种织物结构无缝衔接；本发明提供的织造方法是在现有两种织物结构的基础上，人为将盒体分为两部分，纱线在盒体不同部位的运动交织规律不同，但纱线是完全连续的，通过对纱线的重新排列及增减，实现两种三维结构的无缝耦合连接；本发明可根据复合材料的性能对织物结构进行设计，实现衍生结构的耦合织造以及织物异形、变厚的耦合织造；采用本发明制成的复合材料整体力学性能更好，可设计性更高，可用于航空、航天、能源等领域的主承力结构和防热结构。

Description

一种盒状立体织物及其耦合织造方法

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及一种盒状立体织物及其耦合织造方法，具体说是一种复合材料用盒状立体织物的多结构耦合整体织造方法。

背景技术

在航天器飞行器及航空领域中有多种盒体形状的结构件，工作条件以及环境极其严格，不仅要求质量小、层间性能好，而且还需具有防热、透波、抗烧蚀等功能性要求。

不同编织结构的纤维走向和各向纤维比例不同，单一结构实现大尺寸是设备能力和工程能力的扩大，但不同结构耦合涉及到纱线数量和方向的变化，要保证纱线在不同结构间连续过渡，需要建立单一结构的纱线模型和耦合结构间的纱线集成转换规律，遵循纱线连续的原则，否则会出现过渡处纱线纹路紊乱，纤维不连续以致造成性能上的应力集中，容易产生破坏。

不同结构耦合情况通常有一个以上的构件主方向，织造过程中要考虑编织主方向的转换以实现构件外形，编织方向的转换涉及纱线方向的转换，需要考虑纱线的张力、挤压变形能力对方向转变的影响，使纱线连续的同时纤维体积含量要均匀一致，不致造成疏密不均匀的现象。

为了从工艺以及性能方面都满足盒体的应用要求，在不同的部位采用不同的织造方法满足盒体结构件的使用要求。盒体的底部采用2.5D结构，盒壁采用三维编织结构。盒底采用2.5D结构，不仅在工艺上易于实现，而且经纬向纱线交织能够保证盒状织物底部的力学性能，并且织造效率高；盒壁采用三维编织结构，三维编织结构易于实现仿形编织，能够很好的成型出盒壁的直角特征，同时纱线在空间形成网状交织结构，侧壁不易产生分层破坏，具有整体性好、力学性能优良等优点。因此，两种三维织物结构的耦合织造能够充分发挥各自结构的特点，协同作用，整体性好且性能稳定，可操作性显著提高，经复合后性能测试盒体力学性能完全满足设计指标要求。该耦合织造方法可实现大尺寸异型结构件的形状仿形，为三维立体织物复合材料应用于主承力构件提供了广阔的前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有单一纺织技术的缺陷，提供种盒状立体织物及其耦合织造方法，采用该织造方法制备高性能纤维(石英纤维、碳纤维等)盒体结构件，根据盒体的性能要求和工艺方法，在不同的部位根据需要采用不同的织造技术，经过复合工艺，可以满足复合材料构件不同部位对性能、外观、均匀性的要求。

本发明包括如下技术方案：

一种盒状立体织物，包括盒底和盒壁，其特征在于所述盒底为2.5D结构，所述盒壁为三维编织结构，所述盒状立体织物采用耦合织造方法一体成型。

优选的，所述的盒状立体织物的盒底为2.5D结构，具体可以为2.5D角联锁结构、2.5D衬经角联锁结构、2.5D衬纬角联锁结构或2.5D衬经衬纬角联锁结构。

优选的，所述的盒状立体织物的盒壁为三维编织结构，具体可以为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向结构。

优选的，所述的盒状立体织物盒底形状为n边形(n≥3)、圆形、椭圆形或不规则形状。

一种盒状立体织物的多结构耦合织造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据盒底织物的设计要求，从2.5D角联锁结构、2.5D衬经角联锁结构、2.5D衬纬角联锁结构或2.5D衬经衬纬角联锁结构中选取制件的编织结构，并根据盒体的尺寸，纤维体积含量、经纬纱密度等要求计算出盒底所需的经纱层数和列数以及开始和结束引纬的位置，此外，需要设计预留出编织盒壁的纱线长度。

2)将设计好的经纱挂在2.5D织机上，开口运动、引入纬纱(采用单根引纬的方法，将设计好的纬纱逐层引入经纱层，纬纱两端的预留纱线留在织物的外面)、二次开口运动、二次引入纬纱；

3)按照上述方法重复循环操作，直至盒底完成织造；

4)编织盒壁前，将加工的编织芯模垂直的固定在编织单元机组的中心位置一定高度处；

5)将盒底织物从2.5D织机上取下，将织物置于编织芯模顶部，完全覆盖芯模。根据盒壁尺寸及选取的三维编织结构设计编织纱行列数进行排纱，将预留的经纱和纬纱作为盒壁的三维编织纱与三维编织机相连接。如果有厚度或尺寸变化等，还需要进行加减纱操作，通过纱线增减细度，纱线合股、以及增减纱线行列数实现由盒底向盒壁的过渡；

6)编织纱排好以后，按照三维编织四步法编织方法进行盒壁的编织，第1步：相邻行编织纱交替移动一个位置；第2步：相邻列编织纱交替移动一个位置；第3步和第4步：编织纱的运动方向分别与第1步和第2步的相反。在盒壁编织过程中，随着盒体周长的变化要连续均匀的增减编织纱以保证花节宽度的一致。

7)按照上述方法重复循环操作，直至盒壁完成编织。

与现有的盒体织物织造技术相比，本发明有的优点和积极效果：

本发明能够实现两种织物结构无缝衔接。

本发明提供的织物耦合织造方法是在现有两种织物结构的基础上，人为将盒体分为两部分，纱线在盒体不同部位的运动交织规律不同，而织物中的纱线是完全连续的，通过对纱线的重新排列及增减纱线，从结构上实现了两种三维结构的耦合无缝连接。

可根据复合材料的性能要求对织物结构进行设计，实现衍生结构(包括2.5D衬经结构、2.5D衬纬结构、2.5D衬经衬纬结构和三维五向，三维六向、三维七向)的耦合织造。本发明同时可实现织物异形、变厚的耦合织造，能够实现完整过渡。

采用本发明技术方案制成的复合材料结构具有更好的整体力学性能，同时可根据复合材料的性能要求进行分部位设计，提高了织物的可设计性，可用于航空、航天、能源等领域的主承力结构和防热结构。

附图说明

图1为实施例1中盒装立体织物；

图2为实施例2中盒装立体织物；

图3为本发明中的2.5D结构；

图4为本发明三维整体编织方法中三维四向结构示意图；

图5为本发明三维整体编织方法中三维五向结构示意图；

图6为本发明三维整体编织方法中三维六向结构示意图；

图7为本发明三维整体编织方法中三维七向结构示意图；

其中，1-盒装立体织物；11-盒底；12-盒壁；13-编织芯摸；2-经纱；3-纬纱；4-编织纱；5-轴纱；6-六向纱；7-七向纱。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步描述本发明。

一种盒状立体织物1，包括盒底11和盒壁12，所述盒底11为2.5D结构，所述盒壁12为三维编织结构，所述盒状立体织物1采用耦合织造方法一体成型。所述的盒状立体织物1的盒底11为2.5D结构，具体可以为2.5D角联锁结构、2.5D衬经角联锁结构、2.5D衬纬角联锁结构或2.5D衬经衬纬角联锁结构。所述的盒状立体织物1的盒壁12为三维编织结构，具体可以为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向结构。所述的盒状立体织物1盒底11形状为n边形(n≥3)、圆形、椭圆形或不规则形状。

一种盒状立体织物1的多结构耦合织造方法，包括以下步骤：

1)根据盒底11织物的设计要求，从2.5D角联锁结构、2.5D衬经角联锁结构、2.5D衬纬角联锁结构或2.5D衬经衬纬角联锁结构中选取制件的编织结构，并根据盒体的尺寸，纤维体积含量、经纬纱密度等要求计算出盒底11所需的经纱2层数和列数以及开始和结束引纬的位置，此外，需要设计预留出编织盒壁的纱线长度。

2)将设计好的经纱2挂在2.5D织机上，开口运动、引入纬纱3(采用单根引纬的方法，将设计好的纬纱3逐层引入经纱层，纬纱3两端的预留纱线留在织物的外面)、二次开口运动、二次引入纬纱3；

3)按照上述方法重复循环操作，直至盒底11完成织造；

4)编织盒壁12前，将加工的编织芯模13垂直的固定在编织单元机组的中心位置一定高度处；

5)将盒底11织物从2.5D织机上取下，将织物置于编织芯模13顶部，完全覆盖芯模。根据盒壁12尺寸及选取的三维编织结构设计编织纱行列数进行排纱，将预留的经纱2和纬纱3作为盒壁的三维编织纱4与三维编织机相连接。如果有厚度或尺寸变化等，还需要进行加减纱操作，通过纱线增减细度，纱线合股、以及增减纱线行列数实现由盒底11向盒壁12的过渡；

6)编织纱4排好以后，按照三维编织四步法编织方法进行盒壁12的编织，第1步：相邻行编织纱4交替移动一个位置；第2步：相邻列编织纱4交替移动一个位置；第3步和第4步：编织纱4的运动方向分别与第1步和第2步的相反。在盒壁12编织过程中，随着盒体周长的变化要连续均匀的增减编织纱4以保证花节宽度的一致。

7)按照上述方法重复循环操作，直至盒壁12完成编织。

实施例1：研制如图1所示石英纤维盒状立体织物1，11为盒底，12为盒壁。盒底11形状为三角形，三边尺寸为100mm×100mm×100mm，厚度为8mm；盒壁12为三角形体，厚度为5mm，盒状立体织物高度为200mm。

1)根据盒底11的设计要求，选取2.5D结构，并根据盒底11的尺寸及纤维体积含量48％、经纱2为石英纤维190tex×4合股，纬纱3为石英纤维190tex×4合股，经纱2密度6根/cm，纬纱3密度3.2根/cm，经纱2列数60列，经纱层数11层。根据盒体高度及盒壁尺寸设计最长有效经纱长度为200mm+100mm×√3/2+200mm＝486.6mm，最长有效纬纱长度为200mm+100mm×√3/2+200mm＝486.6mm，开始引纬位置为有效经纱2长度200mm处，根据三角形尺寸，长度方向总计编织52纬结束引纬，宽度方向每编织1纬，两侧需要各有1列经纱2暂停不参与编织，即为每编织1纬后将两侧1列经纱2用设备上卸下不引纬。

2)将设计好的经纱2挂在2.5D织机上，开口运动、引入纬纱3(采用单根引纬的方法，将设计好的纬纱3逐层引入经纱层，纬纱3两端的预留纱线留在织物的外面)、二次开口运动、二次引入纬纱3；

3)按照上述方法重复循环操作，直至盒底11完成织造；

4)编织盒壁12前，将加工的编织芯模13垂直的固定在编织单元机组的中心位置一定高度处；

5)将盒底11织物从2.5D织机上取下，将织物置于编织芯模13顶部，完全覆盖芯模顶部。根据盒壁12尺寸及选取的三维六向编织结构设计纱线行列数进行排纱，纤维体积含量51％，编织纱4为石英纤维190tex×4合股，轴纱5为石英纤维190tex×4合股，六向纱6为石英纤维190tex×4合股，编织纱4排列95列×4层，轴纱5排列95列×3层，花节宽度2.1mm/个，花节长度3.2mm/个。将预留的经纱2和纬纱3作为盒壁12的三维编织纱4，根据盒体高度设计三维编织纱4有效长度为200mm，裁剪长度整齐与三维编织机相连接。盒壁12厚度尺寸为等厚，织物编织参数不变；

6)三维编织纱4排好以后，按照三维编织四步法编织方法进行盒壁12的编织，第1步：相邻行编织纱4交替移动一个位置；第2步：相邻列编织纱4交替移动一个位置，引入六向纱6；第3步和第4步：编织纱4的运动方向分别与第1步和第2步的相反。

7)按照上述方法重复循环操作，直至盒壁12完成编织。

8)在编织过程中使织物紧贴模具编织成型，保证其内部的贴模性，采用耦合整体织造方法编织盒状立体织物1。

9)检测成型后的盒状立体织物1：织物的厚度为8mm，由盒底11过渡到盒壁12，织物的厚度不发生变化，在连接处无缝过渡；表明采用本方法研制的盒状立体织物1纤维分布均匀，整体成型效果良好，满足各部位所需的力学性能指标。

实施例2：研制如图2所示石英纤维盒状立体织物1，11为盒底，12为盒壁。盒底11形状为圆形，直径为100mm，厚度为8mm；盒壁12为圆锥体，锥度18.43°，厚度为由8mm过渡到13mm，盒状立体织物1高度为300mm。

1)根据盒底11的设计要求，选取2.5D衬纬结构，并根据盒底11的尺寸及纤维体积含量49％、经纱2为石英纤维190tex×4合股，纬纱3为石英纤维190tex×4合股，经纱2密度5根/cm，纬纱3密度5根/cm，经纱2列数50列，经纱2层数12层。根据盒体高度及盒壁12尺寸设计最长有效经纱长度300mm+100mm+300mm＝700mm，最长有效纬纱长度300mm+100mm+300mm＝700mm，开始引纬位置为有效经纱长度200mm处，根据圆形尺寸，长度方向总计编织50纬结束引纬；编织1-25纬时，宽度方向每编织2纬，两侧需要增加有1列经纱2参与编织，即为每编织2纬后将两侧1列经纱2挂在设备上；编织26-50纬时，宽度方向每编织2纬，两侧需要各有1列经纱2不参与编织，即为每编织2纬后将两侧1列经纱2在设备上卸下不引纬。

2)将设计好的经纱2挂在2.5D织机上，开口运动、引入纬纱3(采用单根引纬的方法，将设计好的纬纱2逐层引入经纱层，纬纱3两端的预留纱线留在织物的外面)、二次开口运动、二次引入纬纱；

3)按照上述方法重复循环操作，直至盒底11完成织造；

4)编织盒壁12前，将加工的编织芯模13垂直的固定在编织单元机组的中心位置一定高度处；

5)将盒底11织物从2.5D织机上取下，将织物置于编织芯模13顶部，完全覆盖芯模顶部。根据盒壁12尺寸及选取的三维六向编织结构设计纱线行列数进行排纱，纤维体积含量52％，编织纱4为石英纤维190tex×4合股，轴纱5为石英纤维190tex×4合股，六向纱6为石英纤维190tex×4合股，编织纱4排列220列×6层，轴纱5排列220列×5层，花节宽度2.8mm/个，花节长度5mm/个。将预留的经纱2和纬纱3作为盒壁12的三维编织纱4，根据盒体高度设计三维编织纱4有效长度为300mm，裁剪长度整齐与三维编织机相连接。盒壁12为圆锥体，锥度18.43°，厚度为由8mm过渡到13mm。为保证织物厚度、纤维体积含量及花节宽度均匀，在纱线细度及花节长度不变的前提下，计算盒壁12大端所需编织纱4排列660列×10层，轴纱5排列660列×9层，盒壁12总计需要编织63个花节。按照均匀厚度及盒壁12周长尺寸变化的规律，每编织1个花节需要在圆周方向编织纱4和轴纱5均匀增加7列，循环增加63次以满足周长尺寸增大及花节宽度均匀一致；每编织8个花节需要在厚度方向增加一层编织纱4，再编织8个花节增加一层轴纱5，循环增加4次以满足织物变厚度要求。

6)三维编织纱4排好以后，按照三维编织四步法编织方法进行盒壁12的编织，第1步：相邻行编织纱4交替移动一个位置；第2步：相邻列编织纱4交替移动一个位置，引入六向纱6；第3步和第4步：编织纱4的运动方向分别与第1步和第2步的相反。

7)按照上述方法重复循环操作，直至盒壁12完成编织。

8)在编织过程中使织物紧贴模具编织成型，保证其内部的贴模性，采用耦合整体织造方法编织盒状立体织物1。

9)检测成型后的盒状立体织物1：织物的厚度为8mm，由盒底11过渡到盒壁12，盒壁12为圆锥体，锥度18.43°，厚度为由8mm过渡到13mm，在连接处无缝过渡；表明采用本方法研制的盒状立体织物纤维分布均匀，整体成型效果良好，满足各部位所需的力学性能指标。

尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本发明的保护范围之内。

表1 2.5D结构性能参数

表2四种编织结构的力学性能

表3三维机织层-层正交角联锁织物结构结构参数和力学性能

Claims (5)

1.一种盒状立体织物，包括盒底和盒壁，其特征在于：所述盒底为2.5D结构，所述盒壁为三维编织结构，所述织物采用耦合织造方法一体成型。

2.根据权利要求1所述的一种盒状立体织物，其特征在于：所述的盒状立体织物的盒底为2.5D结构，具体可以为2.5D角联锁结构、2.5D衬经角联锁结构、2.5D衬纬角联锁结构或2.5D衬经衬纬角联锁结构。

3.根据权利要求1所述的一种盒状立体织物，其特征在于：所述的盒状立体织物的盒壁为三维编织结构，具体可以为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向结构。

4.根据权利要求1所述的一种盒状立体织物，其特征在于：所述的盒状立体织物盒底形状为n边形(n≥3)、圆形、椭圆形或不规则形状。

5.一种盒状立体织物的耦合织造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据盒底织物的设计要求，从2.5D角联锁结构、2.5D衬经角联锁结构、2.5D衬纬角联锁结构或2.5D衬经衬纬角联锁结构中选取制件的编织结构，并根据盒体的尺寸，纤维体积含量、经纬纱密度等要求计算出盒底所需的经纱层数和列数以及开始和结束引纬的位置，此外，需要设计预留出编织盒壁的纱线长度。

2)将设计好的经纱挂在2.5D织机上，开口运动、引入纬纱(采用单根引纬的方法，将设计好的纬纱逐层引入经纱层，纬纱两端的预留纱线留在织物的外面)、二次开口运动、二次引入纬纱；

3)按照上述方法重复循环操作，直至盒底完成织造；

4)编织盒壁前，将加工的编织芯模垂直的固定在编织单元机组的中心位置一定高度处；

5)将盒底织物从2.5D织机上取下，将织物置于编织芯模顶部，完全覆盖芯模。根据盒壁尺寸及选取的三维编织结构设计编织纱行列数进行排纱，将预留的经纱和纬纱作为盒壁的三维编织纱与三维编织机相连接。如果有厚度或尺寸变化等，还需要进行加减纱操作，通过纱线增减细度，纱线合股、以及增减纱线行列数实现由盒底向盒壁的过渡；

6)编织纱排好以后，按照三维编织四步法编织方法进行盒壁的编织，第1步：相邻行编织纱交替移动一个位置；第2步：相邻列编织纱交替移动一个位置；第3步和第4步：编织纱的运动方向分别与第1步和第2步的相反。在盒壁编织过程中，随着盒体周长的变化要连续均匀的增减编织纱以保证花节宽度的一致。

7)按照上述方法重复循环操作，直至盒壁完成编织。