專利名稱：多層機織物復合材料及成型模具和方法
本申請為分案申請。原申請案發(fā)明名稱為“多層機織物及其復合材料、成型模具和方法”，申請日為970627，申請?zhí)枮?7112582.1。
本發(fā)明涉及以多層機織物為骨架構成的復合材料制造技術，國際專利分類擬為D03D11/00。
蜂窩板是一種多孔板材，由于孔的截面呈正六邊形，類似天然蜂窩而得名。該材料具有重量輕，耐壓性好等特點，可以作飛機的填充材料，建筑物的夾層材料，也可作流體的輸送管道。《增強復合材料手冊》(Stuart M.Lee,Handbook Of Composite Reinforcement,VCH Publishers Inc,New York,NewYork,USA,1993,P177)中介紹了傳統(tǒng)蜂窩板的結構和制作方法一種是鋁箔或紙板粘合法。該方法首先將鋁箔或紙板層疊，在相應處涂以粘合劑，再沿縱向拉伸定型，便可得到蜂窩狀板材(參見

圖1)。采用該方法制作的蜂窩狀板材，缺陷是孔的形狀不能保持方正、外形不美觀、耐壓和整體性能較差，且容易從粘合處開裂。另一種是瓦楞板粘合法。該方法為克服前述方法不能使孔眼方正、外形不美觀的缺點，采用了先將鋁箔或紙板經過擠壓，制成瓦楞板，再用粘合劑粘合制成蜂窩板的方法(參見圖2)。這種蜂窩板外觀整齊，孔眼方正，但耐壓和整體性仍較差，且也易從粘合處開裂。這兩種方法制作的蜂窩板，材料單一，粘接成形，其強度、耐壓性、整體性和耐層間剪切性等方面均不夠理想，也不能稱為復合材料。
歐州專利EP88105206.2號介紹了一種利用機織工藝、用紗線先織出整體的蜂窩骨架，再與樹脂復合制作復合材料蜂窩板的新方法。該方法利用機織工藝使經紗1、緯紗2交織成機織物3(參見圖3)后，利用牽拄使孔張開，然后浸入樹脂溶液，取出晾干，即可得到蜂窩狀復合材料。這種成型方式可以使復合材料的結構整體性提高，強度增加，從而改善了承載能力，擴大了材料的應用范圍。這種材料雖改善了蜂窩板的性能，但該方法仍存在著以下缺點1．該多層織物3是由單層的織物在局部連接而成，每層均采用平紋組織。在兩層的結合處，使用了重平組織，使織物3的密度不勻；2．在多層織物3的層間結合處，經紗成對與緯紗交織，經緯紗交織比較劇烈，經紗密度較大，在與樹脂復合時由于紗線密度的變化，會造成樹脂的不均勻滲透，從而影響最終產品的性能；3．該機織物在層間結合處使用了單層緯紗，因而層間結合處的強度較低；4．因該方法采用牽拉法成孔，其孔的形狀不能保證勻整一致，因此也影響復合材料的性能和外觀。
本發(fā)明的目的是針對上述現有技術的不足，提供一種質地均勻、孔形規(guī)范、力學性能優(yōu)良的多層機織物復合材料，以及該復合材料的成型模具和成型方法。
本發(fā)明是如下實現的1．設計一種特殊的多層機織物3作骨架來制造復合材料。該多層機織物3每層仍采用平紋組織，其特征是在每相臨兩層織物交織點4處的四根經紗1中，有兩根經紗1不與相應處的緯紗2交織，呈直線狀態(tài)布置。另外兩根經紗1則與相應處的兩層緯紗2交織，使該相應處的兩層織物連接在一起，進而有規(guī)律地使多層織物交織連接成為整體的多層機織物3；在未交織連接在一起的相臨兩層織物之間交錯形成層間縫5。
2．以第1點提供的多層機織物3為依據，相應設計制造所述復合材料成型模具。其特征是它包括上、下齒形壓模6、6＇，邊板7，成孔鋼柱8和邊孔鋼柱9；所述的成孔鋼柱8的截面為正六邊形或圓形，且該形狀應與所述的多層機織物3的層間縫5成孔后的形狀5＇相一致；上、下齒形壓模6、6＇的內齒形10及邊孔鋼柱9的截面形狀與所述成孔鋼柱8的截面形狀的1/2相一致。
3．利用第2點所設計的成型模具，按照下述成型方法，制造所述復合材料。
(1)將第2點所述的成型模具涂以脫模劑；(2)將所述的成孔鋼柱8逐一插入所述多層機織物3的層間縫5中后，置于下齒形壓模6＇上；(3)將所述的邊孔鋼柱9逐一插入所述的多層機織物3的層邊縫5"內后，用所述的邊板7分別擠靠在多層機織物3的兩側，使之與下齒形壓模6＇構成一個槽形整體；(4)澆注樹脂；(5)合上上齒形壓模6后，加壓；(6)室溫下，靜置24小時后，脫模；(7)取出成型模具，得復合材料。本發(fā)明復合材料的骨架多層機織物3在其相鄰兩層織物的交織點4處設計了獨特的交織方法，改變了現有技術重平組織的結構，明顯改善了織物的密度不勻，有利于減少摩擦，使織造工藝順利進行及其在制作復合材料時的樹脂均勻滲透；其交織點4處包括兩層緯紗，大大提高了層間結合的強度，有利于提高織物的整體性、強度及抗層間剪切性等力學性能；例如本發(fā)明織物與現有技術織物在采用相同經緯紗密度和上機參數作對比實驗時，可以看出如下差異
本發(fā)明技術觀有技術織經紗斷頭數(根/10M) 2 12造梭口清晰度基本清晰經紗起毛，梭口不清工織物手感 均勻柔和局部發(fā)硬藝紗線配置均勻不均勻復材料斷面樹脂分布均勻 層間結合處有氣泡合蜂窩孔眼外觀 光滑方正 粗糙，不規(guī)則材 邊緣清晰邊緣模糊料蜂窩孔最長邊與最短邊之差與正常邊＜2％ 30％左右之比(％) 最高50％力剪切應力(MPa)2.171.54學特性可以看出，由于本發(fā)明的機織物3的特性優(yōu)良，以其為骨架制作的復合材料的性能也就有內在的質量保證和支持。同時，為了進一步強化或提高本發(fā)明復合材料的性能，以便其有更廣泛的用途，本發(fā)明一并設計了本發(fā)明復合材料的成型模具和成型方法。本發(fā)明配套設計的成型模具，可以使復合材料的蜂窩孔成形方正，邊緣清晰，表面光滑，外觀漂亮。這種可稱為支撐成孔法工藝能達到的外在效果是現有技術中拉伸成孔法工藝遠不可比擬的，并且這種規(guī)范幾何形狀的蜂窩孔也大大提高了復合材料的內在力學質量。本發(fā)明的支撐成孔法所設計的成型模具結構簡單，加工容易，無動力消耗，其成本也低于現有拉伸成孔法工藝所要求的拉伸機。本發(fā)明配套設計的本發(fā)明復合材料成型方法與現有技術的成型方法相比，具有工藝簡捷，操作容易，適應性強的特點。
下面結合實施例及其附圖詳述本發(fā)明圖1為傳統(tǒng)鋁箔或紙板粘合法蜂窩板制造方法示意圖(供對比參考)；圖2為傳統(tǒng)瓦楞板粘合法蜂窩板制造方法示意圖(供對比參考)；
圖3為現有技術中作復合材料骨架的多層機織物3的結構示意圖(供對比參考)；圖4為本發(fā)明多層機織物3為三層時結構示意圖；圖5(a)為本發(fā)明多層機織物3為六層時結構示意圖；圖5(b)為本發(fā)明多層機織物3為六層時理想成孔后結構示意圖；圖6為本發(fā)明多層機織物3為八層時結構示意圖；圖7為本發(fā)明復合材料的成型模具截面形狀示意圖；圖8為本發(fā)明利用所述成型模具制作本發(fā)明復合材料的成型方法示意圖。
本發(fā)明的關鍵是設計一種新結構的多層機織物3，以取代現有技術并用其作復合材料的骨架。本發(fā)明改進現有技術多層機織物3的著眼點在于多層機織物3的層間連接點或交織點4。本發(fā)明的具體設計其特征是在每相臨兩層織物交織點4處的四根經紗1中，有兩根經紗1不與相應處的緯紗2交織，呈直線狀態(tài)布置；另外兩根經紗1則與相應處的兩層緯紗2交織，使該相應處的兩層織物連接在一起，進而有規(guī)律地使多層織物交織連接成為整體的多層機織物3；在未交織連接在一起的相臨兩層織物之間交錯形成層間縫5。本發(fā)明的多層機織物3每層仍采用平紋組織，但在每相臨兩層的交織點4處，有兩根經紗1局部呈直線狀態(tài)配置，不與緯紗2交織，即在織物中沒有屈曲變形，既避免了現有技術織物組織因四根經紗1同時與緯紗2交織引起的局部紗線密度過大現象，又可以最大限度地保持經紗的自身強力，同時也可以減少構件承受外力時引起的變形，構件復合時樹脂也可以均勻滲透。另一方面，本發(fā)明的多層機織物3中相鄰兩層的交織點4處，兩根經紗交織了雙層緯紗2，有助于提高層間的結合力。
本發(fā)明的多層機織物3可以是3-8層。這主要取決于復合材料的性能和厚度尺寸的實際需要。多層機織物3中的層間縫5的大小(也即復合后成孔的大小)主要取決于緯紗特數，緯紗密度及層間交織點4處的緯紗2的根數。設計層數和層間縫5大小時還應考慮到織機設備的條件，如綜框容量、梭箱個數等。
現以六層機織物3(參見圖5)為實施例作詳細說明原料采用玻璃長絲，經、緯紗1、2均為1200Tex。在織物交織點4處，設計層間交織緯紗2為3根(即成孔后蜂窩孔每邊布置3根緯紗，這一參數與所述層間縫5的大小相關)。使用的設備為H212型有梭織機，45號鋼筘，每個筘齒穿入6根經紗，機上經紗密度為270根/10cm，緯紗密度為269.2根/10cm；織造時使用六只梭子，每只梭子負責織造一層，在層間交織點4處可以任選相鄰兩層中的一只梭子織造，但該只梭子一旦確定，織造過程中不能更換，因為這與經紗的彎折路線進而經紗的長度(用量)有關。除多層機織物3的上下(A、F)兩層外，各層(B-E)使用的經紗量均相同，生產時可統(tǒng)一控制這些經紗的送經量。還需說明的是，在經紗穿筘時應采用合理的穿筘順序，否則，會使織物向一邊傾斜。
還應該指出的是在織造過程中，在梭口滿開的瞬間，織機上的經紗達到最大長度，而在綜平時，經紗應回縮到最短長度，但采用模量較高，彈性較小的玻璃纖維時，紗線收縮較少，會造成開口不清。本發(fā)明采用在每根經紗尾部懸掛重物的方法來控制經紗的張力，使織造過程中經紗始終保持均勻的張力，開口清晰。另外，玻璃長絲是電的不良導體，織造中經紗1摩擦會產生靜電，靜電聚積，使織造困難，因此車間要保持一定的相對濕度。
圖4、圖6分別給出了三層和八層本發(fā)明多層機織物3的斷面結構示意圖。其織法可與上述六層實施例相同。無論幾層，其工藝參數可根據實際情況設計，如原料還可以采用碳纖維、芳綸纖維等；使用特數范圍可為800-2500Tex；交織點4處交織的緯紗2可為3-20根等。筘號，上機經緯紗密度等均可作合理的調整。
本發(fā)明的多層機織物3主要用于作復合材料的骨架，其層數一般依賴于復合材料的厚度要求；其層間縫5的大小，取決于復合材料力學特性要求。圖4-圖6中分別以abcdef相同的符號表示了層間縫5的大小，圖5(b)還特別給出了層間縫5理想成孔后的結構示意，對六層機織物3實施例來說，就是每邊為3根緯紗直徑的正六邊形。本發(fā)明多層機織物3相鄰層間交錯形成的層間縫5，理想成孔后，即可形成標準蜂窩狀復合材料骨架(如圖5(b)和圖8所示)。當然層間縫5的成孔形狀不一定全采用正六邊形，依要求還可采用圓形等特殊幾何圖形。
為克服現有技術復合材料成孔不良等缺點，本發(fā)明提出了一種稱為支撐成孔法的復合材料成型方法。以該方法取代現有技術的拉伸成型法，可使復合材料蜂窩孔成孔規(guī)范，均勻一致，外觀漂亮，從而也改善了復合材料的內在質量。為實現這一新方法，專門設計了成型模具(參見圖7)。其特征是它包括上、下齒形模6、6＇、邊板7、成孔鋼柱8和邊孔鋼柱9；所述的成孔鋼柱8的截面為正六邊形或圓形，且該形狀應與所述的多層機織物3的層間縫5成孔后的形狀5＇相一致；上、下齒形壓模6、6＇的內齒形10及邊孔鋼柱9的截面形狀與所述成孔鋼柱8的截面形狀的1/2相一致，也即成型模具應與多層機織物3的工藝參數(如經緯紗特數、層間交織緯紗根數、上機經緯紗密度等)以及常用復合材料的幾何形狀(如厚度、寬度、成孔形狀要求等)規(guī)范化、系列化配套設計，以更切合實際應用，實現本發(fā)明的目的。這里所述的復合材料幾何形狀意味著作為產品的復合材料不一定是板材，可以依靠配套設計的成型模具制成實際需要的其它形狀。
本發(fā)明提出的支撐成孔法復合材料成型方法的基本步驟是(參見圖8)1．將所述的成型模具涂以脫模劑；2．將所述的成孔鋼柱8逐一插入所述多層機織物3的層間縫5中后，置于下齒形壓模6＇上；3．將所述邊孔鋼柱9逐一插入所述的多層機織物3的層邊縫5"內后，用所述的邊板7分別擠靠在多層機織物3的兩側，使之與下齒形壓模6＇構成一個槽形整體；4．澆注樹脂；5．合上上齒形壓模6后，加壓；6．室溫下，靜置24小時后，脫模；7．取出成型模具，得復合材料。
在所述的成型方法中，加壓應適當，其目的是擠出多余的樹脂，并促進樹脂均勻滲透。這一外在條件與本發(fā)明多層機織物3的織物結構內在特征相協(xié)調配合可保證本發(fā)明復合材料質地和外觀的均勻一致性，從而提高其內在質量。
本發(fā)明復合材料所用的樹脂可采用不飽和聚酯樹脂、過氧化環(huán)己酮固化劑、苯酸鈷促進劑按一定比例制成的均勻混合液。固化時間以24小時為宜，太短與太長都不利于復合材料的理想成型。
權利要求
1．一種以每層織物均為平紋組織的多層機織物(3)作骨架的復合材料，其特征在于所述的多層機織物(3)為在每相臨兩層織物交織點(4)處的四根經紗(1)中，有兩根經紗(1)不與相應處的緯紗(2)交織，呈直線狀態(tài)布置，另外兩根經紗(1)則與相應處的兩層緯紗(2)交織，使該相應處的兩層織物連接在一起，進而有規(guī)律地使多層織物交織連接成為整體的多層機織物(3)；在未交織連接在一起的相臨兩層織物之間交錯形成層間縫(5)。
2．根據權利要求1所述的復合材料，其特征是所述的多層機織物(3)為3-8層。
3．根據權利要求1、2所述的復合材料的成型模具，其特征是它包括上、下齒形壓模(6)、(6＇)、邊板(7)，成孔鋼柱(8)和邊孔鋼柱(9)；所述的成孔鋼柱(8)的截面為正六邊形或圓形，且該形狀應與多層機織物(3)的層間縫(5)成孔后的形狀(5＇)相一致；上、下齒形壓模(6)、(6＇)的內齒形(10)及邊孔鋼柱(9)的截面形狀與所述成孔鋼柱(8)的截面形狀的1/2相一致。
4．一種以每層織物均為平紋組織的多層機織物(3)作骨架的復合材料的成型方法，其特征是(1)在權利要求3所述成型模具上涂以脫模劑；(2)將所述的成孔鋼柱(8)逐一插入所述多層機織物(3)的層間縫(5)中后，置于下齒形壓模(6＇)上；(3)將所述的邊孔鋼柱(9)逐一插入所述的多層機織物(3)的層邊縫(5″)內后，用所述的邊板(7)分別擠靠在多層機織物(3)的兩側，使之與下齒形壓模(6＇)構成一個槽形整體；(4)澆注樹脂；(5)合上齒形壓模(6)后，加壓；(6)室溫下，靜置24小時后，脫模；(7)取出成型模具，得復合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及多層機織物復合材料制造技術。其特征是作復合材料骨架的多層機織物3層間交織點4的四根經紗1中,有兩根經紗1不與該處緯紗2交織,呈直線狀,另兩根經紗1與該處的兩層緯紗2交織,使該兩層進而使多層機織物3連接為整體,在未交織的層間處交錯形成層間縫5;采用本發(fā)明配套設計的成型模具和使用本發(fā)明的支撐成孔法的成型方法,可制成質地均勻、孔眼方正、力學性能優(yōu)良的復合材料。
文檔編號B32B5/22GK1216785SQ9811989
公開日1999年5月19日 申請日期1998年9月28日 優(yōu)先權日1998年9月28日
發(fā)明者黃故, 馬崇啟, 林國財, 吳濤 申請人:天津紡織工學院