一种3d编织多合板型纤维混杂预制件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种3D编织混杂预制件及其制备方法，尤其涉及一种不同种类编织纱在预制件中呈层合板状混杂分布的多层型3D编织混杂预制件及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在多合板型3D编织纤维混杂预制件中含有两种或两种以上不同种类的纤维，其为多功能材料的制备提供了一个重要途径；同时，3D编织预制件结构为高度整体化的三维纤维网整体结构，该结构具有抗冲击、耐疲劳、不分层等诸多优异的力学性能。上述特点使得多合板型3D编织纤维混杂预制件在航空航天、国防军工以及交通运输等领域有着广泛应用前景。
[0003]目前，多合板型3D编织纤维混杂预制件的制备主要采用以下两种方法:1、叠层缝合法，即首先分别制备单种纤维编织预制件，然后将不同纤维的编织预制件进行混杂叠层、缝合连接，进而得到整体结构；该方法的缺点在于:缝合工艺在起到连接、成形作用的同时，也会导致严重的纤维损伤、树脂富集等缺陷，进而影响最终成品的性能。2、铺层共固化法，即首先分别制备单种纤维的编织预制件，然后将不同纤维编织预制件进行叠层混杂、一起固化，利用树脂将编织预制件粘接起来以形成整体结构；该方法的缺点在于:相邻的编织预制件之间没有纤维连接，增强体的整体性不强，所得复合材料的抗冲击、耐疲劳等性能较差。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是使得3D编织多合板型纤维混杂预制件的结构整体性高，结构力学性能稳定，制备过程中纱锭的运动可以实现机械化，自动化，不需要人工辅助，制备效率提高，且在其制作过程中不需要后续的铺层、缝合工序。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种3D编织多合板型纤维混杂预制件，该混杂预制件中含有两种或两种以上不同种类的编织纱，其特征在于:预制件织物结构采用四步法3D编织结构；不同种类的编织纱在预制件中呈多合板层叠状混杂分布的结构，预制件横截面划分为若干层板，其中，每一层板内的编织纱属于同一纤维种类，相邻两层板内的编织纱分属于不同的纤维种类；预制件中相邻两层板之间通过纤维混杂编织结构实现两板之间的连接，整个预制件为高度整体化的三维纤维网结构，预制件内不存在分层；不同种类的编织纱在预制件横截面内的分布是相对稳定的，从预制件任一截面出发沿预制件长度方向经过任意整数个机器循环之后，预制件横截面内的纱线分布保持不变。
[0006]优选地，所述四步法3D编织结构中或在编织纱之外增加轴纱，或仅含有编织纱。
[0007]优选地，在多合板层叠状混杂分布的结构中，各层板的厚度或两两相同，或部分两两相同，或两两各不相同。
[0008]优选地，在多合板层叠状混杂分布的结构中，各层板的横截面形状或两两相同，或部分两两相同，或两两各不相同。
[0009]优选地，在多合板层叠状混杂分布的结构中，各层板的横截面形状或为等规则截面，或为异形截面。
[0010]优选地，实现相邻两板之间连接作用的纤维混杂编织结构的厚度或保持固定，或大小可调。
[0011]优选地，实现相邻两板之间连接作用的纤维混杂编织结构的厚度或在各相邻板之间相同，或在各相邻板之间部分相同，或在各相邻板之间各不相同。
[0012]本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的3D编织多合板型纤维混杂预制件的制备方法，该制备方法以四步法方型3D编织工艺为基础，通过控制编织纱的排列与运动规律，使得不同种类的编织纱在预制件中呈层合板状混杂分布，其特征在于:利用3D编织纤维混杂结构作为连接单元组成纤维混杂连接区，以实现预制件中相邻两层合板之间的连接；挂纱时分区进行，首先对各相邻板之间的纤维混杂连接区进行挂纱，然后对各板非纤维混杂区域进行挂纱；编织时分区进行，首先对各板非纤维混杂区域进行编织，然后对各相邻板之间纤维混杂连接区进行编织。
[0013]优选地，作为相邻板之间连接区连接单元的3D编织纤维混杂结构的横截面为方形:(i)其主体编织纱的行数与列数均为奇数且相等，(ii)其方形横截面左边界与右边界、及上边界与下边界上的编织纱分属不同的纤维种类，(iii)编织纱在横截面内的分布是稳定的。
[0014]优选地，所述连接单元3D编织纤维混杂结构的制备方法为:排载纱锭子时主体载纱锭子的行数和列数保持相等且为奇数，挂纱时左边界与右边界、及上边界与下边界上的载纱锭子所在锭子组挂不同种类的编织纱。
[0015]优选地，制备过程中，作为相邻板之间连接区连接单元的3D编织纤维混杂结构或保持不变，以保持纤维混杂连接区的厚度沿编织件长度方向不变；或大小可调，以调整纤维混杂连接区的厚度。
[0016]优选地，各相邻板间纤维混杂连接区中的3D编织纤维混杂结构或相同，以使得各相邻板之间纤维混杂连接区的厚度相同；或不同，以使得不同相邻板之间纤维混杂连接区的厚度不同。
[0017]优选地，具体包括如下步骤:
[0018]第一步，根据预制件的横截面尺寸要求，先确定作为相邻板之间连接区中连接单元的3D编织纤维混杂结构的载纱锭子排列，保证所选连接单元3D编织纤维混杂结构的主体载纱锭子的行数与列数相等且为奇数；再确定各板纤维非混杂区域的载纱锭子排列；
[0019]第二步，分区进行挂纱:(i)对相邻板之间纤维混杂连接区进行挂纱，根据第一步所选择连接单元的3D编织纤维混杂结构，确定连接单元中的锭子组分布情况，使其横截面中左边界与右边界、及上边界与下边界上的载纱锭子所在的锭子组挂不同种类的编织纱，以锭子组为单位依次进行挂纱；(ii)对各层板纤维非混杂区域进行挂纱，根据第一步所确定的非混杂区域的载纱锭子排列，对非混杂区域进行挂纱；
[0020]第三步，分区进行编织:(i)对各层板纤维非混杂区域进行编织，根据四步法方型3D编织工艺对非混杂区域进行编织，第I步使非混杂区域中的相邻行上的载纱锭子沿行方向交替运动一个锭子的距离，第2步使非混杂区域中的相邻列上的载纱锭子沿列方向交替运动一个锭子的距离，第3步、第4步中载纱锭子的运动方向分别与第I步、第2步相反，经上述四步运动，非混杂区域完成一个编织循环，然后进行相邻板之间纤维混杂连接区的编织；(ii)对相邻板之间纤维混杂连接区进行编织，根据四步法方型3D编织工艺对纤维混杂连接区进行编织，第5步使纤维混杂连接区中的相邻行上的载纱锭子沿行方向交替运动一个锭子的距离，第6步使纤维混杂连接区中的相邻列上的载纱锭子沿列方向交替运动一个锭子的距离，第7步、第8步中的载纱锭子的运动方向分别与第5步、第6步相反，经上述四步运动，相邻板之间纤维混杂连接区完成一个编织循环；(iii)经过上述八步运动，整个预制件完成一个编织循环，依据(i)、(?)所述的编织方法继续进行后续编织，直至预制件达到所需长度。
[0021]本发明的有益效果:
[0022](I)该多合板型纤维混杂预制件为3维纤维网整体结构，结构整体性高；该纤维混杂预制件横截面中各种纱线分布位置稳定，结构力学性能稳定；
[0023](2)实现方法为3D整体编织成型方法，不需要后续的叠层、缝合工序，减少了对增强纤维的后续损伤，同时减少了工序，降低了成本；
[0024](3)适用范围广，对单纱、股线等各种形式的编织纱均可适用。
[0025](4)机器上载纱锭子的运动可以实现机械化、自动化，通过计算机编程来控制载纱锭子的运动，连接区不同种纱线的混杂编织过程不需要手工辅助，生产效率提高。
【附图说明】
[0026]图1A为3行3列排纱模式下的相邻板之间连接区连接单元，图中，“?”为纤维种类a，“〇”为纤维种类b，A为主体编织纱，B为左边界编织纱，C为下边界编织纱；
[0027]图1B为3行3列排纱模式下的相邻板之间连接区连接单元的锭子组分布，图中，1、2、3为锭子组1、2、3。
[0028]图2A为5行5列排纱模式下的相邻板之间连接区连接单元，图中，“?”为纤维种类a，“〇”为纤维种类b;
[0029]图2B为5行5列排纱模式下的相邻板之间连接区连接单元的锭子组分布；图中，
1、2、3、4、5 为锭子组 1、2、3、4、5 ；
[0030]图3A为3D编织四合板型纤维混杂预制件的立体形状示意图；
[0031]图3B为3D编织四合板型纤维混杂预制件的横截面纱线分布图，图中，“?”为碳纤维，“〇”为玻璃纤维；
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