CN112626680B - 一种三维机织封闭式空腔结构的制备方法及其预制件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维机织封闭式空腔结构的制备方法及其预制件。其中，一种三维机织封闭式空腔结构的制备方法中增加了封闭延伸段，并在封闭延伸段相邻的开口端边缘设置延伸的填充经纱，采用开口端位置处的填充经纱替代封闭延伸段中的待替换纬纱，实现了封闭延伸段在开口端位置处形成封闭端的目的，进而有效实现封闭式空腔结构的制备。本发明在提高盒体主平台面的抗挤压、抗离心强度的同时，还能尽量不造成对外形净尺寸成型影响，效果显著。

Description

一种三维机织封闭式空腔结构的制备方法及其预制件

技术领域

本发明涉及三维机织技术领域，具体涉及一种三维机织封闭式空腔结构的制备方法及其预制件，以及该预制件制备得到的碳纤维增强复合材料空腔结构体。

背景技术

纤维增强复合材料凭借其轻质、坚固、强韧、耐热、自支撑及可适用于广泛形状的成型和定形等优点，在航空、航天、汽车、轨道交通、船舶等领域应用广泛。

已知的，通过纤维增强复合材料采用三维机织制造的纤维预制体空腔结构具有Π形截面，即，在主体平台面的单侧具有自由延伸的两个加强筋，该加强筋用于提高主体平台面的抗弯曲能力。

但实际上，仅靠加强筋并不能给出足够强度的抗离心力和抗挤压力，因此，现有技术中公开了一种三维机织制造的纤维预制体平台面的两个加强筋自由端之间连上一个壁，以在主体平台面以下形成一个4面封闭盒体的方法。该方法虽能够一定程度加强盒体主平台面的抗挤压、抗离心强度，但现有技术中通常是通过缠绕、铺层、胶结、缝纫等二次工艺施加的方式增加加强筋的覆盖壁，该方法因搭接口粗糙，对该盒体平台的外形净尺寸成型影响较大。

因此，为解决现有工艺对盒体平台的外形净尺寸成型影响较大的问题，采用了三维机织一体制造四面封闭的预制体盒体。如：中国文献CN104395515A中公开的三维机织制造的单件的纤维坯件中，其采用了三维机织方法实现纤维坯件一体成型，避免了缠绕、铺层、胶结、缝纫等二次工艺施加导致的对外形净尺寸成型影响较大的问题。但是，该结构所提升的抗挤压幅度有限；且需要剪掉四面封闭的面壁之间的大量连接部位，引发各面壁在仅保留的较短连接处发生断裂而脱散分离，同时固化复合时较短连接处属于应力集中区域，严重影响了盒体平台的支撑性能。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中公开的三维机织一体制造的坯件所提升的抗挤压幅度有限的缺陷，从而提供一种尽量不造成对外形净尺寸成型影响，且可有效提升抗挤压性能，能够有效避免各面壁在连接处发生断裂、脱散分离的三维机织封闭式空腔结构的制备方法。

一种三维机织封闭式空腔结构的制备方法，包括采用三维机织方法形成前后两侧具有开口端的空腔结构；还包括：

在三维机织方法形成空腔结构的过程中在开口端的一面边缘上设置从其延伸而出的封闭延伸段，所述封闭延伸段中连通自由端相对两侧的纱线为待替换纬纱；所述开口端上相邻封闭延伸段的边缘还形成从其延伸而出的填充经纱；

然后将封闭延伸段的自由端朝向开口端移动使其覆盖全部或部分开口端，最后采用开口端上延伸出的填充经纱替换封闭延伸段中的待替换纬纱，进而形成具有封闭端的封闭式空腔结构。

采用三维机织方法形成前后两侧具有开口端的空腔结构的过程包括：

三层结构机织：包括从上至下依次层叠的上层、中层和下层；相邻两层之间包括通过相邻两层的纱线相互交叉互联机织而形成的互联区，以及互联区以外的非互联区；

空腔结构的制备：将上层朝向远离下层的方向进行拉伸使三层进行变形，变形后形成具有中空结构的空腔结构；所述中空结构包括由下层组成的底壁，由上层构成的顶壁，以及位于底壁与顶壁之间左右相对两侧的立壁筋；所述底壁与顶壁之间前后两侧形成开口端。

所述封闭延伸段从开口端的中层或/和下层延伸而出，且封闭延伸段连接于空腔结构的底壁上。

设空腔结构中底壁上设置封闭延伸段，则所述填充经纱位于立壁筋上；所述封闭延伸段与立壁筋互连的过程为：

封闭延伸段上靠近其中一个立壁筋一侧的待替换纬纱与该立壁筋上的填充经纱固定形成固定部，从封闭延伸段上远离该固定部的一侧抽出该待替换纬纱，使立壁筋上的填充经纱替代封闭延伸段上的待替换纬纱即可；同理，封闭延伸段与另一个立壁筋采用相同的处理方式完成封闭延伸段上待替换纬纱与填充经纱的替换；封闭延伸段同时与两个立壁筋的填充经纱进行替换后即可实现互连。

所述封闭延伸段上的待替换纬纱采用相同平面上的立壁筋的填充经纱进行替换。

所述封闭延伸段上待替换纬纱的规格为立壁筋上填充经纱规格的两倍；

封闭延伸段上的一条待替换纬纱由至少两条单元纱线构成；其中部分的单元纱线与其中一个立壁筋的填充经纱固定，然后抽出该部分的单元纱线即可实现填充经纱与部分的待替换纬纱的替换，另一部分的单元纱线与另一个立壁筋的填充经纱固定，然后抽出另一部分的单元纱线即可实现填充经纱与剩余部分的待替换纬纱的替换；进而实现通过两个立壁筋上的填充经纱共同替换封闭延伸段上的同一条待替换纬纱。

所述空腔结构的纱线为碳纤维；

所述封闭延伸段上待替换纬纱的规格为24K；立壁筋上填充经纱的规格为12K。

所述封闭延伸段为两个，一个部分覆盖开口端，另一个全部覆盖开口端。

当封闭延伸段全部覆盖开口端时，封闭延伸段的自由端与顶壁边缘进行连接形成封合端。

所述封合端的连接方式为胶接。

所述封闭延伸段的形状与相应的开口端的形状相匹配。

一种三维机织平板预制件，包括上述的一种三维机织封闭式空腔结构的制备方法制备得到的封闭式空腔结构。

一种碳纤维增强复合材料空腔结构体，其采用上述的三维机织平板预制件通过注入树脂高温固化之后得到。

本发明技术方案，具有如下优点：

采用本发明的方法制造成型的三维机织封闭式空腔结构，增加了封闭延伸段，并在封闭延伸段相邻的开口端边缘设置延伸的填充经纱，采用开口端位置处的填充经纱替代封闭延伸段的待替换纬纱的方式，实现了封闭延伸段在开口端位置处形成封闭端的目的，进而有效制备成封闭式空腔结构。本发明通过封闭端的增加有效进一步加强盒体主平台面的抗挤压、抗离心强度；且通过本发明中封闭端的成型方式的优化，有效避免采用缠绕、铺层、缝合、胶接等二次加工工艺实现封闭端成型而导致的对外形净尺寸成型的影响；本发明在提高盒体主平台面的抗挤压、抗离心强度的同时，还能尽量不造成对外形净尺寸成型影响，效果显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中三层结构的结构示意图；

图2为图1中A、B两处位置处的结构示意图；

图3为本发明中三层结构变化为空腔结构过程中的截面示意图；

图4为本发明中空腔结构的结构示意图；

图5为本发明中空腔结构的开口端封闭后的结构示意图；

图6为本发明中开口端位置处进行封闭的示意图。

附图标记说明：

101-上层，102-中层，103-下层，104-非互联区，105-封闭延伸段；

201-底壁，202-顶壁，203-立壁筋，204-待替换纬纱，205-填充经纱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

一种三维机织封闭式空腔结构的制备方法，包括三层结构的机织、空腔结构的制备以及空腔结构开口端的封闭。具体的，包括采用三维机织方法形成前后两侧具有开口端的空腔结构；还包括在三维机织方法形成空腔结构的过程中在开口端的一面边缘上设置从其延伸而出的封闭延伸段105，所述封闭延伸段105中连通自由端相对两侧的纱线为待替换纬纱204；所述开口端上相邻封闭延伸段105的边缘还形成从其延伸而出的填充经纱205；然后将封闭延伸段105的自由端朝向开口端移动使其覆盖全部或部分开口端，最后采用开口端上延伸出的填充经纱205替换封闭延伸段105中的待替换纬纱204，进而形成具有封闭端的封闭式空腔结构。

采用本发明的方法制造成型的三维机织封闭式空腔结构，增加了封闭延伸段，并在封闭延伸段相邻的开口端边缘设置延伸的填充经纱，采用开口端位置处的填充经纱替代封闭延伸段的待替换纬纱的方式，实现了封闭延伸段在开口端位置处形成封闭端的目的，进而有效制备成封闭式空腔结构。本发明通过封闭端的增加有效进一步加强盒体主平台面的抗挤压、抗离心强度；且通过本发明中封闭端的成型方式的优化，有效避免采用缠绕、铺层、缝合、胶接等二次加工工艺实现封闭端成型而导致的对外形净尺寸成型的影响，在提高盒体主平台面的抗挤压、抗离心强度的同时，还能尽量不造成对外形净尺寸成型影响，效果显著。

为了更清楚的显示本发明的结构，以下给出了各个步骤的其中一种具体实现方法。具体如下：

三层结构机织：包括从上至下依次层叠的上层101、中层102和下层103；相邻两层之间包括通过相邻两层的纱线相互交叉互联机织而形成的互联区，以及互联区以外的非互联区104；如图1和图2所示。

空腔结构的制备：将上层101朝向远离下层103的方向进行拉伸使三层进行变形，变形后形成具有中空结构的空腔结构，如图3和图4所示；所述中空结构包括由下层103组成的底壁201，由上层101构成的顶壁202，以及位于底壁201与顶壁202之间左右相对两侧的立壁筋203；所述底壁201与顶壁202之间的前后两侧形成开口端。从三层结构变形为空腔结构的具体变化过程为：如图1所示，图1右侧的上层101和中层102的互联区朝向上方移动，使其移动到中层102和下层103之间互联区和非互联区104交界位置处上方，如图3所示，此时，部分非互联区104的上层101形成顶壁202，中层102和下层103之间互联区形成底壁201，剩余部分非互联区104的上层101形成顶壁202与底壁201之间的左侧的立壁筋203，中层102和下层103之间的非互联区104的中层102形成右侧的立壁筋203；顶壁202与底壁201前后两侧则形成开口端，如图4所示。

在三层结构机织的过程中，同时还在所述空腔结构上开口端的一面边缘上设置有从其延伸而出的封闭延伸段105，所述封闭延伸段105中连通自由端相对两侧的纱线为待替换纬纱204；所述开口端上相邻封闭延伸段105的边缘则具有从边缘上延伸而出的填充经纱205；通过上述增加设置的封闭延伸段105和开口端边缘上封闭延伸段105相邻两侧延伸而出的填充经纱205相配合，采用边缘上延伸而出的填充经纱205直接替换掉封闭延伸段105的待替换纬纱204，即可有效实现空腔结构开口端的封闭，其具体封闭过程为：将封闭延伸段105的自由端朝向开口端移动使其覆盖全部或部分开口端，然后采用开口端上延伸出的填充经纱205替换封闭延伸段105中的待替换纬纱204，进而形成具有封闭端的封闭式空腔结构。

本实施例中该封闭延伸段105可以仅仅只设置一个，也可以在两个开口端均分别进行设置。该设置的封闭延伸段105可以完全封闭开口端，也可以仅仅封闭开口端的部分。封闭延伸段105的形状与相应的开口端的形状相匹配。作为其中一种实现方式，本实施例中采用两个开口端均设置封闭延伸段105的方式，且其中一个封闭延伸段105对开口端进行完全封闭，另一个封闭延伸段105对开口端进行部分封闭，如图4和图5所示。

本实施例中所述封闭延伸段105可以从开口端的底壁201、顶壁202或立壁筋203延伸而出，即，该封闭延伸段105可以从上层101、中层102或下层103中任意一层或多层中延伸而出，只要延伸出的封闭延伸段105与开口端上任意一面的边缘重合即可，如：该封闭延伸段105从中层102或/和下层103延伸而出。作为其中一种实现方式，本实施例中采用在形成底壁201的下层103的边缘延伸出封闭延伸段105，如图4和图6所示；同时在封闭延伸段105相邻的两侧设置有延伸而出的填充经纱205，就本实施例而言，该封闭延伸段105相邻的两侧则为开口端边缘的立壁筋203，即在立壁筋203上延伸出填充经纱205。

本实施例中该立壁筋203上延伸出的填充经纱205替换封闭延伸段105上的待替换纬纱204的过程为：

封闭延伸段105上靠近其中一个立壁筋203一侧的待替换纬纱204与该立壁筋203上的填充经纱205固定形成固定部，从封闭延伸段105上远离该固定部的一侧抽出该待替换纬纱204，使立壁筋203上的填充经纱205替代封闭延伸段105上的待替换纬纱204即可；同理，封闭延伸段105与另一个立壁筋203采用相同的处理方式完成封闭延伸段105上待替换纬纱204与填充经纱205的替换；封闭延伸段105同时与两个立壁筋203的填充经纱205进行替换后即可实现互连。

其中，待替换纬纱204和填充经纱205均可以由多根单元纱线构成；因此，立壁筋203上的多根填充经纱205可以同时替换封闭延伸段105上同一位置处的待替换纬纱204，或者立壁筋203上的一根填充经纱205可以替换封闭延伸段105上不同位置处的待替换纬纱204。具体的，如图6所示，第g列中编号为j12、j13和j14的位置处的填充经纱205同时与第d行w6位置处的待替换纬纱204进行替换；也可以将第g列中编号为j13的填充经纱205***成三股，分别与第d行w5、w6和w7位置处的待替换纬纱204进行替换；还可以采用g、h、k三列的j14位置处填充经纱205同时与第e行中的w7所在的待替换纬纱204互换；还可以采用第d、e、f行中w7位置处的待替换纬纱204被第h列中编号为j14所在的填充经纱205所替换。

作为其中一种实现方式，设底壁201所在平面为水平面，当封闭延伸段105的自由端朝向开口端移动使其覆盖开口端后，所述封闭延伸段105上的待替换纬纱204采用其所在的且与水平面平行的平面上的填充经纱205进行替换，其中待替换纬纱204的规格可以大于填充经纱205的规格，待替换纬纱204的规格也可以小于填充经纱205的规格。

作为其中一种具体的实现方式，所述封闭延伸段105上待替换纬纱204的规格为立壁筋203上填充经纱205规格的两倍，此时即可有效实现封闭延伸段105在变化前后的厚度不变。本实施例中将封闭延伸段105上的待替换纬纱204***成两股单元纱线，其中一股单元纱线与其中一个立壁筋203的填充经纱205互换，另一股单元纱线与另一个立壁筋203的填充经纱205互换。

具体的，如图6所示，将c列编号为j7的填充经纱205与d行编号为w7所在的待替换纬纱204中的一股单元纱线进行替换，将g列编号为j14的填充经纱205与d行编号为w7所在的待替换纬纱204中的另一股单元纱线进行替换；将b列编号为j7的填充经纱205与e行编号为w7所在的待替换纬纱204中的一股单元纱线进行替换，将h列编号为j14的填充经纱205与e行编号为w7所在的待替换纬纱204中的另一股单元纱线进行替换；将a列编号为j7的填充经纱205与f行编号为w7所在的待替换纬纱204中的一股单元纱线进行替换，将k列编号为j14的填充经纱205与f行编号为w7所在的待替换纬纱204中的另一股单元纱线进行替换；如图6所示。按照上述方式直至完成封闭延伸段105的替换即实现封闭端的形成。

所述空腔结构的纱线为碳纤维；所述封闭延伸段105上待替换纬纱204的规格为24K；立壁筋203上填充经纱205的规格为12K。

当完成空腔结构上封闭端的成型后，还可以在封闭延伸段105全部覆盖的区域将封闭延伸段105的自由端与顶壁202边缘进行连接形成封合端。封合端的连接方式设置为胶接，如图4和图5所示。

实施例2

一种三维机织平板预制件，包括实施例1中记载的一种三维机织封闭式空腔结构的制备方法制备得到的空腔结构。

一种碳纤维增强复合材料空腔结构体，其采用上述所述的三维机织平板预制件通过注入树脂高温固化之后得到。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种三维机织封闭式空腔结构的制备方法，包括采用三维机织方法形成前后两侧具有开口端的空腔结构；其特征在于，还包括：

在三维机织方法形成空腔结构的过程中在开口端的一面边缘上设置从其延伸而出的封闭延伸段（105），所述封闭延伸段（105）中连通自由端相对两侧的纱线为待替换纬纱（204）；所述开口端上相邻封闭延伸段（105）的边缘还形成从其延伸而出的填充经纱（205）；

然后将封闭延伸段（105）的自由端朝向开口端移动使其覆盖全部或部分开口端，最后采用开口端上延伸出的填充经纱（205）替换封闭延伸段（105）中的待替换纬纱（204），进而形成具有封闭端的封闭式空腔结构。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用三维机织方法形成前后两侧具有开口端的空腔结构的过程包括：

三层结构机织：包括从上至下依次层叠的上层（101）、中层（102）和下层（103）；相邻两层之间包括通过相邻两层的纱线相互交叉互联而形成的互联区，以及互联区以外的非互联区（104）；

空腔结构的制备：将上层（101）朝向远离下层（103）的方向进行拉伸使三层结构进行变形，变形后形成具有中空结构的空腔结构；所述中空结构包括由下层（103）组成的底壁（201），由上层（101）构成的顶壁（202），以及位于底壁（201）与顶壁（202）之间左右相对两侧的立壁筋（203）；所述底壁（201）与顶壁（202）之间前后两侧形成开口端。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述封闭延伸段（105）从开口端的中层（102）或/和下层（103）延伸而出，且封闭延伸段（105）位于空腔结构的底壁（201）上。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，设空腔结构中底壁（201）上设置封闭延伸段（105），则所述填充经纱（205）位于立壁筋（203）上；所述封闭延伸段（105）与立壁筋（203）互连的过程为：

封闭延伸段（105）上靠近其中一个立壁筋（203）一侧的待替换纬纱（204）与该立壁筋（203）上的填充经纱（205）固定形成固定部，从封闭延伸段（105）上远离该固定部的一侧抽出该待替换纬纱（204），使立壁筋（203）上的填充经纱（205）替代封闭延伸段（105）上的待替换纬纱（204）即可；同理，封闭延伸段（105）与另一个立壁筋（203）采用相同的处理方式完成封闭延伸段（105）上待替换纬纱（204）与填充经纱（205）的替换；封闭延伸段（105）同时与两个立壁筋（203）的填充经纱（205）进行替换后即可实现互连。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述封闭延伸段（105）上的待替换纬纱（204）采用相同平面上的立壁筋（203）的填充经纱（205）进行替换。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述封闭延伸段（105）上待替换纬纱（204）的规格为立壁筋（203）上填充经纱（205）规格的两倍；

封闭延伸段（105）上的一条待替换纬纱（204）由至少两条单元纱线构成；其中部分的单元纱线与其中一个立壁筋（203）的填充经纱（205）固定，然后抽出该部分的单元纱线即可实现填充经纱（205）与部分的待替换纬纱（204）的替换，另一部分的单元纱线与另一个立壁筋（203）的填充经纱（205）固定，然后抽出另一部分的单元纱线即可实现填充经纱（205）与剩余部分的待替换纬纱（204）的替换；进而实现通过两个立壁筋（203）上的填充经纱（205）共同替换封闭延伸段（105）上的同一条待替换纬纱（204）。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述空腔结构的纱线为碳纤维；

所述封闭延伸段（105）上待替换纬纱（204）的规格为24K；立壁筋（203）上填充经纱（205）的规格为12K。

8.根据权利要求1-7任一所述的制备方法，其特征在于，所述封闭延伸段（105）为两个，一个部分覆盖开口端，另一个全部覆盖开口端。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，当封闭延伸段（105）全部覆盖开口端时，封闭延伸段（105）的自由端与顶壁（202）边缘进行连接形成封合端。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述封合端的连接方式为胶接。

11.根据权利要求1-7任一所述的制备方法，其特征在于，所述封闭延伸段（105）的形状与相应的开口端的形状相匹配。

12.一种三维机织平板预制件，其特征在于，包括权利要求1-11任一所述的制备方法制备得到的三维机织封闭式空腔结构。

13.一种碳纤维增强复合材料空腔结构体，其采用权利要求12所述的三维机织平板预制件通过注入树脂高温固化之后得到。

Images