编织3D纤维增强结构及其制造方法技术

公开了一种具有改善的剪切应力和刚度的编织的三维(3D)纤维增强结构及其制造方法。该结构由具有离轴纤维增强材料的丝束制成。丝束可以代替标准3D编织过程中使用的经向丝束或纬向丝束。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】编织3D纤维增强结构及其制造方法
本申请涉及承载结构及其制造方法。特别地，承载结构由三维(3D)编织织物制成。
技术介绍
在承载结构(汽车、飞机、桥梁等)中，通常，载荷情况和几何约束会产生载荷路径，该载荷路径使材料承受显著的剪切应力。例如，飞机机身将承受扭转飞行载荷，该扭转飞行载荷导致机身外壳中产生剪切应力。这样，用于这种结构的材料具有足够的剪切刚度和强度是重要的特征。用于提高剪切刚度和强度的常见结构是由单向(单轴)或双轴编织层构成的层叠复合材料。本身具有较弱的剪切特性的这些层以各种角度放置，以创建具有显著改善的剪切特性的层叠件。最常见的是，将薄层按0°、45°或90°的角度以不同比例放置，以满足结构设计要求，但是其他角度也是可行的。图1示出了双轴编织的3D编织复合材料。也就是说，丝束和纤维沿经线方向(0°)和纬线方向(90°)。三维双轴编织复合材料具有多个层，如图1A所示。缺乏成其他角度的偏置纤维加上丝束固有的较弱的剪切特性导致宏观剪切刚度和强度较弱，这一特性在纯剪切载荷或以45°加载时就显现出来了。对于某些应用，面内剪切刚度和强度是一个弱点。图1B示出了在0°(经线)、45°(偏置)和90°(纬线)加载时具有中模量碳纤维增强材料的3D编织复合材料的拉伸强度(应力-应变)的比较。其中COV是变化系数，IM7是中模量碳纤维增强材料。面内剪切模量(G12)的典型值为约5.5GPa。一些研究人员已尝试通过以0°和90°之外的角度编织偏置丝束来解决3D双轴编织复合材料在面内剪切强度和刚度方面的弱点，这可能会显著增加编织系统和过程的复杂性。参见，例如Labanieh等人的“Conceptionandcharacterizationofmultiaxis3dwovenpreform(多轴3d编织预成型件的概念和特征)”，2013年，TexComp会议，比利时鲁汶。
技术实现思路
本公开涉及三维(3D)编织结构以及制造该结构的方法。该结构包括在特定方向上的多个第一纱线和在另一个方向上的多个第二纱线，所述多个第二纱线与多个第一纱线交织。至少一些第二纱线包括至少一根偏置增强纱线。在一个实施例中，至少一些第二纱线是具有至少三层的层叠结构，所述至少三层包括至少一个第二纱线偏置层，所述至少一个第二纱线偏置层中的每一层的纤维相对于第二纱线层中的不是第二纱线偏置层的纤维成0°或90°之外的角度。该层叠结构可以包括在第一方向上的第二纱线第一纤维层和在第二方向上的第二纱线第二纤维层。所述至少一个第二纱线偏置纤维层设置在第二纱线第一层和第二纱线第二层之间，并且第二纱线第一偏置层中的纤维相对于第一方向成第一角度。该层叠结构还可以具有第二纱线第二偏置纤维层，该第二纱线第二偏置纤维层设置在第二纱线第一层和第二纱线第二层之间，其中第二纱线第二偏置层中的n根纤维相对于第一方向成第二角度。该结构还可以包括至少一些第一纱线，所述至少一些第一纱线是具有至少三层的层叠结构，所述至少三层包括至少一个第一纱线偏置层，所述至少一个第一纱线偏置层中的每一层的纤维相对于第一纱线层中的不是第一纱线偏置层的纤维成0°或90°之外的角度。该层叠结构还可以包括在第三方向上的第一纱线第一纤维层和在第四方向上的第一纱线第二纤维层。所述至少一个第一纱线偏置纤维层设置在第一纱线第一层和第一纱线第二层之间，并且第一纱线第一偏置层中的纤维相对于第一方向成另一第一角度。在另一个实施例中，至少一些第二纱线是编织丝束，并且可以包括至少一些第一纱线成为编织丝束。在又一个实施例中，至少一些第二纱线是多轴带，并且可以包括至少一些第一纱线成为多轴带。附图说明提供了附图以帮助对本专利技术的进一步理解，这些附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。本文呈现的附图示出了本专利技术的不同实施例，并且与说明书一起用于解释本专利技术的原理。在附图中：图1A示出了现有技术的层式3D编织。图1B示出了在没有偏置纤维增强的双轴3D编织复合材料中的典型拉伸应力-应变关系。图2示出了多向、多层丝束的结构。图3是三种样品结构的弹性常数的图形比较。图4是3D编织预成型件的照片，该预成型件由包含离轴纤维增强材料的编织纱线构成。图5和图6是由图4的预成型件形成的复合材料的照片。图7A和图7B示出了包含纤维的离轴取向的纱线的示例。图8示出了包括多轴丝束的样品的拉伸模量和强度结果的概要。图9示出了由多轴纤维增强材料构成的3D编织复合材料的面内拉伸应力-应变性能。图10示出了由多轴增强材料和单轴增强材料构成的3D编织复合材料的面内45°拉伸响应之间的比较。具体实施方式在本公开中，术语“包括有”和“包括”可以表示“包含有”和“包含”，或者可以具有美国专利法中对术语“包括有”或“包括”共同的含义。如果在权利要求中使用，则术语“基本上由……组成”或“基本上由……构成”具有美国专利法赋予它们的含义。在以下公开内容中或根据以下公开内容(并且在本专利技术的范围内)描述本专利技术的其他方面或者本专利技术的其他方面是显而易见的。在以下描述中，术语“线”、“纤维”和“纱线”能够互换使用。如本文所用，“线”、“纤维”和“纱线”可以指代单丝、复丝纱线、加捻纱线、变形纱线、涂层纱线、双组分纱线以及由本领域技术人员已知的任何材料的拉伸断裂纤维制成的纱线。“丝束”包括多根纤维，并且在本文中可互换地称为丝束、复丝丝束、多纤维丝束和编织丝束的结构并且包括这些结构。纤维可以由碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷，芳族聚酰胺、聚酯、金属、聚乙烯玻璃和/或其他具有所需物理、热学、化学或其他特性的材料制成。术语“折叠的”在本文中广泛地用于表示“形成”，其包括展开、弯曲以及用于操纵编织织物的形状的其他这类的术语。术语“偏置”与“离轴”能够互换使用，并且是指相对于所述基准成0°和90°之外的角度。为了更好地理解本专利技术、通过其使用所实现的其优点和目的，参考所附的描述性内容进行说明，其中在附图中示出了本专利技术的非限制性实施例，并且在附图中对应的部件由相同的附图标记标识。本专利技术公开内容描述了一种产品和制造该产品的方法，以通过使用具有改善的剪切特性的丝束来改善编织结构的面内剪切特性，该产品可以使用现有的3D编织设备和工艺来编织。尽管如上所述，双轴编织织物可以采用层叠偏置层来改善面内剪切特性，但是本公开内容通过编织本身构造成具有离轴(偏置)增强材料的丝束来提供面内剪切特性的改进。即，丝束包含在相对于丝束轴向方向的各个方向上的纤维增强材料。丝束可以是多层的(诸如层叠带、多轴带)或多轴的(诸如编织物)，其是单层的，并且不包含单向层。本文公开的丝束可以用于在织物的任何或所有方向上一些或所有丝束。例如，丝束可以用于在编织织物的经线方向和纬线方向中的任一方向或两个方向上的一些或全部丝束。在另一个示例中，所述丝束可以在经线方向或纬线方向上的一些或全部丝束中使用，而单轴丝束在其余的纬线方向或经线方向上使用。可以想到，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维(3D)编织结构，包括：/n在特定方向上的多个第一纱线；/n在另一方向上的多个第二纱线，所述多个第二纱线与所述多个第一纱线交织，/n其中，至少一些第二纱线包括至少一根偏置增强纱线。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170616 US 62/520,840;20170815 US 62/545,6561.一种三维(3D)编织结构，包括：
在特定方向上的多个第一纱线；
在另一方向上的多个第二纱线，所述多个第二纱线与所述多个第一纱线交织，
其中，至少一些第二纱线包括至少一根偏置增强纱线。


2.根据权利要求1所述的编织结构，其中，所述至少一些第二纱线是具有至少三层的层叠结构，所述至少三层包括至少一个第二纱线偏置层，所述至少一个第二纱线偏置层中的每一层的纤维相对于第二纱线层中的不是第二纱线偏置层的的纤维成0°或90°之外的角度。


3.根据权利要求2所述的编织结构，其中，所述层叠结构包括：
在第一方向上的第二纱线第一纤维层；
在第二方向上的第二纱线第二纤维层；并且
其中，所述至少一个第二纱线偏置纤维层设置在所述第二纱线第一层和所述第二纱线第二层之间，
其中，第二纱线第一偏置层中的纤维相对于所述第一方向成第一角度。


4.根据权利要求3所述的编织结构，其中，所述第一方向与所述第二方向相同。


5.根据权利要求3所述的编织结构，包括：
设置在所述第二纱线第一层和所述第二纱线第二层之间的第二纱线第二偏置纤维层，
其中，所述第二纱线第二偏置层中的纤维相对于所述第一方向成第二角度。


6.根据权利要求5所述的编织结构，其中，所述第一角度在30度和60度之间，并且所述第二角度在-30度和-60度之间。


7.根据权利要求6所述的编织结构，其中，所述第一角度是45度，并且所述第二角度是-45度。


8.根据权利要求6所述的编织结构，其中，所述第一角度是30度，并且所述第二角度是-60度。


9.根据权利要求3所述的编织结构，其中，所述至少一些第二纱线包括在所述第二纱线第一层的外表面上的第二纱线第一面纱和在所述第二纱线第二层的外表面上的第二纱线第二面纱。


10.根据权利要求3所述的编织结构，其中，至少一些第一纱线是具有至少三层的层叠结构，所述至少三层包括至少一个第一纱线偏置层，所述至少一个第一纱线偏置层中的每一层的纤维相对于第一纱线层中的不是第一纱线偏置层的纤维成0°或90°之外的角度。


11.根据权利要求10所述的编织结构，其中，所述层叠结构包括：
在第三方向上的第一纱线第一纤维层；
在第四方向上的第一纱线第二纤维层；并且
所述至少一个第一纱线偏置纤维层设置在所述第一纱线第一层和所述第一纱线第二层之间，
其中第一纱线第一偏置层中的纤维相对于所述第一方向成另一第一角度。


12.根据权利要求11所述的编织结构，其中，所述第三方向与所述第四方向相同。


13.根据权利要求12所述的编织结构，其中，所述3D编织结构形成为具有选自由Pi、H、T、O和I构成的组中的横截面形状的预成型件。


14.根据权利要求1所述的编织结构，其中，所述3D编织结构形成为具有选自由Pi、H、T、O和I构成的组中的横截面形状的预成型件。


15.根据权利要求1所述的编织结构，其中，至少一些第二纱线是编织丝束。


16.根据权利要求15所述的编织结构，其中，至少一些第一纱线是编织丝束。


17.根据权利要求1所述的编织结构，其中，至少一些第二纱线是多轴带。


18.根据权利要求17所述的编织结构，其中，至少一些第一纱线是...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·拜拉克塔尔，
申请(专利权)人：奥尔巴尼工程复合材料公司，
类型：发明
国别省市：美国;US