[发明专利]一种整体环形三维织物及其织造方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维织物织造技术，具体是一种整体环形三维织物及其织造方法。该织物主要用于做复合材料增强体，可提高复合材料构件的整体性能，并降低成本。

背景技术

环形结构是最常用的工程结构之一，主要包括法兰盘和加强环等。现有技术中，这些环形结构件常常是由金属制成，特别是采用普通钢材制造的制件，不耐腐蚀，易发生事故，安全系数低，特别不利于减重。纤维增强复合材料具有比强度和比刚度高、可设计性强、耐疲劳性好、耐腐蚀等优点。作为一种结构材料，纤维增强复合材料已经在航空航天、交通、运输等方面得到了广泛的应用。

目前，复合材料法兰盘和加强环等环形结构件的制造主要通过纤维缠绕成型、手糊工艺模压成型来实现。其中，纤维缠绕成型是将浸过树脂的连续纤维或布带、预浸纱按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。中国专利CN1640652A、CN181939A和CN101022200A公开的换向器加强环的制造方法都涉及到纤维缠绕成型方法，具体为将浸润过树脂的玻璃纤维经多道工序缠绕到芯模上，再将芯模放入烘箱内加热使玻璃纤维固化，然后取出芯模加工成加强环产品。纤维缠绕制品易于实现机械化、自动化，生产效率高，应用十分广泛。然而，纤维缠绕成型要求必须有能实现规定缠绕线型的缠绕机、高质量的芯模和专用的固化加热炉，设备投资大，只有大批量生产时成本才能降低，且缠绕获得的制件各部分的纤维体积含量均匀性和一致性不好，影响制件的整体性能，特别是，制件层间及平面内剪切或横向性能差，很容易产生剪切失效，进而导致制品破坏。手糊工艺模压成型时，一般采用二维织物做增强体，在所需环形制件的阳膜内铺覆二维织物，在其上涂抹树脂，装入模具，通过加温加压固化成型。中国专利CN102494009A中涉及复合材料传动轴法兰盘就是采用手糊工艺模压成型。这种手糊工艺操作简单，但是二维织物的变形能力有限，加上碳纤维、玻璃纤维等增强纤维的弹性差，为避免复合成型时织物折叠起皱，往往需要对织物进行裁剪，导致织物大量浪费，成本高，质量难以保证，且由于二维布层与层间仅靠树脂连接，厚度方向缺乏增强纤维，其增强复合材料法兰盘缺乏承载整体性，存在层间强度低，易分层，抗低速冲击性能差等性能弱点。

三维纺织技术织造的三维环形织物由于各系统纱线的空间网状交织，整体性好，再结合树脂传递模塑复合固化技术复合而成的复合材料法兰盘和加强环使用过程中减重效果好，耐冲击、抗分层、损伤容限高，可广泛用于航空航天、武器和民用等相关领域。常见的三维纺织技术有三维机织，三维编织和三维非织造技术等，它们都可以成形三维环形织物。但是，针对法兰盘和加强环这一类均匀连续、首尾相接并具有多种异形截面的环形织物，常规的三维机织和三维编织技术只能采用沿织物环向织造成形后搭接实现（如将直径、高度不等的两个环形织物缝合成一个具有特殊截面的用于增强法兰盘或加强环的三维环形织物等），这样增加了工序，降低了生产效率，增大了成本，且难以真正意义上实现三维环形织物的完全整体成型。在申请人检索的范围内，整体的环形三维织物一次性完全整体成型的技术尚未见报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种整体环形三维织物及其织造方法，该织物特别适用于作为复合材料法兰盘、复合材料加强环等复合材料环形结构件的增强体，具有织物制件各部分纤维体积含量均匀性好、一致性高，整体性能优良等特点；该织造方法可一次完全整体成为环形织物，具有织造成本低、周期短、操作简单、适应性强、方便实际应用等优点。

本发明解决所述织物技术问题的技术方案是：设计一种整体环形三维织物，该织物具有完全整体的三维纱线交织结构，不分层，无搭接，z向纱线垂直于环形织物环向和径向所在的xoy平面，且xoy平面内的纱线可以按设计要求以任意角度取向。

本发明解决所述织造方法技术问题的技术方案是：设计一种整体环形三维织物的织造方法，其具体工艺步骤包括：

（1）设计并预置钢管阵列；根据织物的外形结构要求，在织造设备的定位板上，设计并预置钢管阵列；

（2）穿插钢片；在定位板上，先沿y方向在钢管阵列穿插下层钢片，再沿x方向在钢管阵列穿插上层钢片，用于夹持固定钢管；

（3）穿引xoy平面内纱线；凭借穿引装置在钢管阵列中采用直线法引入xoy平面内的纱线，纱线在最外侧钢管处折返；

（4）引入z向纱线；采用往返顶出法引入z向纱线替换所述的钢管，并把z向纱线垂直引入织物内部，且与xoy平面内纱线形成交织，进而沿x或y方向依次替换所有钢管，直至整体环形三维织物织造完成。