一种采用阵列装备编织大尺寸蜂窝预制体及制备方法

技术领域

本发明涉及三维编织预制体成形技术领域，特别涉及一种采用阵列装备编织大尺寸蜂窝预制体及制备方法。

背景技术

为了满足航空航天工业中对飞行器结构材料的需求，复合材料由于其高比强度、高比模量、耐高温等优异的性能而被越来越广泛地应用到飞行器结构中。蜂窝结构复合材料具有重量轻、强度高、刚度大的特点，多用作结构尺寸大、强度要求高的结构件。而且蜂窝结构由于孔洞的存在，其吸声性能优良，保温、隔热性能好，所以被广泛地用于建筑、包装工程、轨道交通等领域。

目前普通蜂窝结构复合材料的生产工艺大多是采用分层复合，由预制体和基体复合而成，加工时将预制体材料或织物按照实验方案分层叠放，在相应的部位进行粘合，然后进行定型，最后得到蜂窝结构复合材料。这种方法工艺虽然简单，但成品的整体性较差，层间强力差，粘结处接触薄弱，当承受的外力不断变化或处于高温高湿环境中时，粘接处容易开裂，大大降低了材料的承力能力和使用周期。而蜂窝状三维纺织结构因在Z向有纤维增强，不存在层间界面，从而消除了分层现象。但传统的机织结构由于综框数的限制，一般预制体的宽度＜500mm，厚度＜15mm，无法满足多层数和大幅宽的蜂窝预制体尺寸要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种采用阵列装备编织厚度能够大于15mm或宽度能够大于500mm的大尺寸蜂窝预制体及制备方法，通过四步法三维编织工艺，利用了纱线的回转原理并控制纱线的运动规律来改变纱线的交织状态，实现编织体的分合可控。编织一共分为四个步骤，每个步骤可以通过控制四步法编织的循环个数，达到控制各边边长的目的。在编织时，控制携纱器在编织机底盘上的路径就可以使纱线发生交织，在打紧作用下编织出蜂窝状三维编织复合材料的预成型体。由于编织时只有部分纱列移动，减少了携纱器阵列数的使用，为大尺寸预制体的编织提供了条件。

本发明提供了一种采用阵列装备编织大尺寸蜂窝预制体的方法，所述方法是采用四步法三维编织工艺制备蜂窝预制体；所述蜂窝预制体由主棱和边棱组成，其中主棱为相邻两个蜂窝公共的边，边棱为每个蜂窝独自的边；通过携纱器运动实现主棱的分离和边棱的并合，从而形成蜂窝结构。

进一步地，所述的蜂窝预制体主棱和边棱长度由编织的循环个数控制。

进一步地，所述的蜂窝预制体蜂窝结构形状可为六边形、圆形、四边形等。

进一步地，所述的蜂窝预制体蜂窝结构形状和开口角度可由编织工艺调整。

进一步地，所述的蜂窝预制体蜂窝结构的主棱宽度和其中编织纱线数量为边棱的2倍。否则会导致蜂窝左右边棱的壁厚不均匀。

进一步地，所述的蜂窝预制体蜂窝结构壁厚和大小可由编织纱数量和循环数来调控；厚度可由编织层数调控。

进一步地，所述的蜂窝预制体，幅宽可由携纱器阵列数调控，编织时只有部分纱列移动，减少了携纱器阵列数使用，可实现大尺寸蜂窝预制体的制备。

进一步地，所述方法包括：

纱线通过携纱器的运动，在编织机的机床上按照一定规律运动。当它们运动到边纱所在的位置时，就会转向，且在转向处纱线都只进行单向运动，这可以通过控制编织纱的运动控制编织体的分合状态，以编织出形状不规则的预制件。

同时，在编织主体部分插入一条纵条，并只进行左右运动，当纱线运动到纵条的位置时，就会发生转向。这两个部分的纱线不互相纠缠，编织主体也分为两部分。

所述方法具体工艺包括：

(1)主棱编织：携纱器中特定纵条中的纱线在编织时只需左右运动，无需上下运动，这样就能得到分开的主棱条带，每完成一次四步法编织便能得到一个花节长度，所以可以根据设计要求，增减四步法编织的循环个数，从而得到不同的柱长；

(2)主棱分离：将每条主棱分离成两条互不相连的边棱，在编织时需多排布相应的纵条，这些纵条中的纱线在四步法编织过程中只参加左右运动，不参加上下运动；

(3)边棱并合：将上述两根相邻的边棱条带通过网结重新编织成一条主棱条带，需特定纵条中的纱线同时左右运动和上下运动，形成三维编织物新的主棱；

(4)主棱分离：最后是编织六边形蜂窝剩余两条边长，需要将上述编织的主棱条带分开，形成新的边棱，所以需同工艺(2)，多排布相应只参加左右运动，不参加上下运动的纵条；

其中，步骤(1)-(4)顺序可以进行调整互换。

在本发明的一种实施方式中，按照步骤(2)、(3)、(4)、(1)的顺序进行编织。

在本发明的一种实施方式中，按照步骤(3)、(4)、(1)、(2)的顺序进行编织。

本发明的第二个目的是提供一种应用上述方法制备得到的蜂窝预制体。

本发明的第三个目的是提供一种上述蜂窝预制体在航空航天和轨道交通等领域方面的应用。

本发明的第四个目的是提供一种蜂窝结构的复合材料，所述材料包括蜂窝预制体和环氧树脂。

在本发明的一种实施方式中，所述复合材料的制备方法是将蜂窝预制体与环氧树脂通过树脂传递模塑工艺进行复合。

本发明的有益效果：

本发明基于四步法三维编织工艺，利用了纱线的回转原理并控制纱线的运动规律来改变纱线的交织状态，实现编织体的分合可控。编织一共分为四个步骤，每个步骤可以通过控制四步法编织的循环个数，达到控制各边边长的目的。在编织时，控制携纱器在编织机底盘上的路径就可以使纱线发生交织，在打紧作用下编织出蜂窝状三维编织复合材料的预成型体。预制体整体性高，力学性能稳定；可灵活设计蜂窝形状、蜂窝厚度、编织角度、预制体编织尺寸，以满足不同场景的使用要求。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。经过该制备方法编织的蜂窝预制体尺寸最高可达100cm×100cm×30cm。

附图说明

图1为本发明阵列装备编织大尺寸蜂窝预制体的结构示意图。

图2为本发明制备方法中，编织纱的初始位置示意图。

图3为本发明制备方法中，蜂窝主棱编织的排纱示意图。

图4为本发明制备方法中，蜂窝边棱编织的排纱示意图。

图5为本发明制备方法中，边棱并合时的排纱示意图。

图6为本发明制备方法中，主棱分离时的排纱示意图。

其中1、蜂窝主棱；2、蜂窝边棱；3、边纱；4、主体编织纱。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

实施例1：

一种采用阵列装备编织大尺寸蜂窝预制体，所述蜂窝预制体基于四步法三维编织技术，利用了纱线的回转原理和控制纱线的运动规律来改变纱线的交织状态，实现编织体的分合可控。蜂窝预制体由主棱1和边棱2组成，通过携纱器运动实现主棱1的分离和边棱2的并合，从而形成蜂窝结构。蜂窝预制体壁厚和大小可由编织纱数量和循环数来调控，厚度可由编织层数调控。蜂窝预制体的幅宽可由携纱器阵列数调控，编织时只有部分纱列移动，减少了携纱器阵列数使用，可实现大尺寸蜂窝预制体的制备。

一种采用阵列装备编织大尺寸蜂窝预制体制备方法，包括：

纱线通过携纱器的运动，在编织机的机床上按照一定规律运动。当它们运动到边纱所在的位置时，就会转向，且在转向处纱线都只进行单向运动，这可以通过控制编织纱的运动控制编织体的分合状态，以编织出形状不规则的预制件。

同时，在编织主体部分插入一条纵条，并只进行左右运动，当纱线运动到纵条的位置时，就会发生转向。这两个部分的纱线不互相纠缠，编织主体也分为两部分。

具体操作为：

(1)主棱编织：第一步要编织的是蜂窝状三维编织物的主棱。在进行四步法编织时，纵条a中的纱线在编织时只需左右运动，无需上下运动，这样就能得到两根分开的主棱。

(2)主棱分离：第二步要在主棱的基础上，编织蜂窝状三维编织物的边棱。由于要编织4条互不相连的棱，所以在编织时排布了3条纵条a、b和c，这些纵条中的纱线在四步法编织过程中只参加左右运动，不参加上下运动。

(3)边棱并合：第三步是将a和b之间的条带和a和c之间的条带通过网结重新编织成一条主棱，所以a纵条中的纱线既要左右运动，也要上下运动，这样就能形成新的主棱。

(4)主棱分离：最后是编织六边形蜂窝三维织物的剩余两条边长，需要将编织时段c中编织的条带分开，形成新的边长，所以要排布3条只参加左右运动，不参加上下运动的纵条。

蜂窝预制体尺寸可根据携纱器中纱线数量以及步骤(1)～(4)的循环数进行调整，长、宽和高最大可达100cm×100cm×30cm。

实施例2：

参照实施例1的方法制备蜂窝预制体，区别在于，在进行蜂窝预制体编织时先进行边棱的编织，然后再将边棱并合成主棱，即按步骤(2)(3)(4)(1)的流程进行编织。

实施例3：一种四边形结构的大尺寸蜂窝预制体的制备方法

参照实施例1的方法制备蜂窝预制体，区别在于，通过控制蜂窝预制体主棱长度，例如在主棱区域只采用2个四步法编织循环，就可以得到四边形结构的蜂窝结构织物，其他条件保持不变。

实施例4：

蜂窝结构复合材料制备方法，包括：

将蜂窝预制体放置于尺寸相符的模具里，其中模具要涂覆脱模剂，以便于后续脱模。然后将模具密封，并在模具上连接对应的进胶管和出胶管。将环氧树脂和固化剂以3：1的比例配置，用于基体复合。最后，通过树脂传递模塑机将树脂注入模具中，并放入烘箱中固化。固化温度为60℃-5h，然后80℃-4h。固化结束后，拆除模具，得到所需蜂窝状复合材料。该复合材料可用于航空航天和轨道交通等领域上的轻质化承载构件。

对比例1：

一种采用三维机织工艺蜂窝结构复合材料制备方法，包括：

(1)以平纹组织为基础，选择正交接结组织，进行组织结构设计。

(2)确定织造时选用的织机，为了降低综框数对于织造的影响，并可以连续变换组织结构织造复杂的多层织物，选用了可由独立的一枚电子纹针控制每一根经纱的电子提花机。

(3)电子提花机采用经轴送经，故在上机织造前需对纱线进行整经。

(4)运用View 60 CAD系统辅助设计三维蜂窝结构织物的纹板图。

(5)利用树脂传递模塑工艺对三维蜂窝织物进行复合，并进行60℃-5h，80℃-4h的高温固化。

对比例2：

一种纤维铺层正方形蜂窝结构复合材料制备方法，包括：

(1)将纤维或纱线按0°/90°角度放置于正方形空心网格模具中，每次放置相同根数。

(2)将铺设好的纤维模具，放入烘箱中，利用树脂传递模塑工艺对三维蜂窝织物进行复合，并进行60℃-5h，80℃-4h的高温固化。

将复合工艺相同的实施例1、实施例2、实施例3、对比例1和2的蜂窝结构复合材料进行性能测试，测试结果如下：

从表1可以看出：实施例1、2和3的蜂窝结构复合材料因编织工艺相同的原因，其承载能力和尺寸相差不大。与对比例1相比，实施例1在大尺寸的编织方面更具有优势；同对比例2相比，实施例1在承载方面更具有优势。

表1

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。