[发明专利]2.5维编织回转体复合材料成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种2.5D(维)编织回转体复合材料成型方法，包括织物编织和复合 成型，属制造成型技术领域。

背景技术

随着复合材料在航空、航天等领域的广泛运用，对于回转体结构件的需求不断增加， 例如火箭喷管、喷气发动机的喉管、火箭头与排气管等重要机件。

对于圆管状、圆锥状和圆台状的回转体织物可以采用三维机织和三维编织的纺织方 法实现。目前，采用三维机织方法织造回转体立体织物的技术主要是法国布罗彻于1972 年发明的“全自动织造机”设备，并于1986年完成BR900型和BR2000型全自动设备 的设计和安装。其织造原理是采用酚醛泡沫塑料芯，保证其外形和圆管织物的内孔形状 一致。径向棒由酚醛和碳纤维复合制成的刚性棒，用它插入塑料芯的半径方向，并在塑 料芯圆柱面上排成单头等螺距的螺旋线。周向纱喂入径向棒形成的螺旋形通道中。几根 周向纱同时喂入通道，形成螺旋形卷绕。径向棒的周向间距相等，把塑料芯的圆周分成 若干等分，相邻两排径向棒形成一个梯形通道。轴向纱喂入梯形通道内，每次同时喂入 几根周向纱，随着梯形通道的宽度增加，喂入的周向纱根数也增加。轴向纱和周向纱交 替喂入梯形通道和螺旋形通道内，形成圆管形织物。

采用该技术已生产了上百只三维碳纤维织物产品，大量运用于法国和美国的火箭发 动机上的整体型进气喉管和排气锥形管。由于该织造技术是由法国原子能委员会资助， 主要用于航天和原子能设备中，所以该设备造价昂贵，维护困难，应用领域单一，不能 满足当前复合材料工业生产高性能、低成本复合材料的要求。

采用三维编织的方法也可以形成回转体形状的立体织物，其中四步法和两步法使用 较多。四步法圆形编织其原理为主体携纱器按周向和径向排成的主体纱阵，其中半径方 向的携纱器数称为层数，圆周方向的携纱器数称为列数。附加携纱器间隔排列在主体纱 的外围。每一携纱器上携带一根编织纱线。编织过程由行和列的四步间歇运动实现：第 一步，相邻列的携纱器以相反的方向在径向移动一个携纱器的位置；第二步，相邻层的 携纱器以相反的方向在周向移动一个携纱器的位置；第三步，各列携纱器的运动方向与 第一步的相反；第四步，各层携纱器的运动方向与第二步的相反。经过四步运动，完成 一个机器循环。在一个机器循环中获得的预成型件长度定义为花节长度，重复上述编织 步骤，纱线将相互交织而形成一定长度的圆管形预成型件。两步法是将所有纱线分成固 定不动的纱线和编织纱线两组。其中固定不动的纱线以立体织物的轴向，在编织物内基 本成为一条直线，并按编织物的横截面分布。编织纱线以一定式样在固定纱线之间运动 束紧固定纱线，形成圆管形预制件。该方法的具体步骤为：第一步，一根编织纱线从最 里层运动到最外层，左右相邻两根编织纱线从最外层运动到最里层；第二步，在第一步 从最里层运动到最外层的纱线在第二步中从最外层运动到最里层，在第一步中从最外层 运动到最里层的纱线在第二步中从最里层运动到最外层，完成一个编织循环。

三维编织技术在工艺上的突出特点是能够按照零件的形状和尺寸大小直接编织出 回转体复合材料预制件，但由于其织造受到编织机尺寸的限制，目前大多数工业编织机 仅能生产小截面(宽度小于100mm)的预制件，而且配套设备占地面积大，成本较高。

2.5D(维)编织织物具有成型速度快，可设计性强，织物整体性好，仿形精度高等 特点。使用2.5D(维)编织织物作为增强体的复合材料具有质轻、高强度、高模量以 及优异的抗破损等优点，被广泛地应用于航天、航空领域，特别是军工武器领域方面。 采用2.5D(维)编织技术织造回转体织物能够有效地弥补三维机织和三维编织技术在 织造异形结构织物中的不足，并且织造出的预制件其具有较好的综合性能和较高的性价 比，较好的满足了当前国际复材料领域对高性能复合材料制造低成本化的需求，受到了 普遍关注。

目前，回转体复合材料的主要成型方法有RTM和RFI两种方法。