[发明专利]三维机织结构、三维织物复合材料及工艺方法

说明书

该三维机织结构、三维织物复合材料及工艺方法，纤维束由若干股线组成，若干所述股线合股加捻，所述股线为碳纤维，所述纤维束的单纱捻度为5~60捻/m。通过纤维束加捻以及设计加捻后纤维束的排列方式，可以改善三维织物复合材料的纵横剪切模量和断裂韧性，提高三维织物复合材料在航空制件上的应用空间；纤维束加捻还可以提高纤维束的整体性能，捻度、捻转角能影响加捻后的三维织物复合材料的性能，增加纤维束与树脂之间的结合力，实现面外剪切性能的提升。

技术领域

本发明涉及一种纤维束及三维机织结构。

本发明还涉及一种三维织物复合材料及工艺方法。

背景技术

碳纤维作为高性能纤维，具有许多优异的性能，不仅体积质量低、比强度高、比模量高，而且耐热性及化学稳定性好，一般作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。目前应用最广泛的结构复合材料是纤维增强复合材料，其加工方法是将多层单层纤维布叠在一起，并用树脂基体将纤维布浸透，固化成型后得到复合材料层合板。与金属材料相比，复合材料层合板面内强度和刚度好。然而，与传统的金属材料相比，复合材料层合板抗冲击性能弱，层间力学性能差，这在很大程度上限制了复合材料层合板在汽车、飞机等关键部位的使用。

为了提高复合材料层合板的层间性能，科研人员在20世纪80年代研发出了三维纺织复合材料。并随着三维纺织技术、树脂传递模塑（RTM）、复合材料虚拟制造和考核验证技术的不断成熟，三维机织/RTM（3D Woven/RTM）产品也随之创新并在航空制件中得到广泛应用，如航空发动机叶片和包容环。

三维织物复合材料是指通过树脂灌入多层纱线立体交织构成的高厚度织物中形成的复合材料构件，具体工艺是先将不同层的纱线通过经纱连接到一起，使各组纱线在三维空间内相互交错，形成互相接结的网状结构，再将机织成型的复合材料预制件与树脂基体整体复合成型成复合材料构件，如图1所示。相比于传统的层合板复合材料，因为基体和纤维束的作用，有更为出色的稳定性、抗压性和应变性，其材料层间性能和抗冲击性能得到了一定的提升。但由于三维机织材料的整体性能是由组成的其的每一根纤维材料组成，纤维本身的质量、直径大小以及纱线之间的相对空间关系等均会影响机织材料的整体性能，在复合材料的结构设计时需要整体考量这些因素。

以发动机复合材料叶片为例，其叶片具有厚度纵横双向变化，且扭转角不断增大的结构特点，使用织物作为增强材料其在成型过程中往往需要发生较大的剪切变形，而传统的三维机织材料是由经纱1、纬纱2和Z向纤维3，这三个系统的纱线两两互相垂直组成，如图1所示，在其他方向上没有纤维，当发生剪切变形时，其G12方向（在1-2平面内）上剪切模量较低，同时纤维的断裂韧性也低，容易发生剪切破坏，因此需要通过结构设计和工艺改进提高材料的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维束、三维机织结构、三维织物复合材料及工艺方法，以解决三维织物复合材料发生剪切变形时，其G12方向上剪切模量较低，纤维的断裂韧性低，容易发生剪切破坏的问题。

为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：

本发明提供一种纤维束，所述纤维束用于编织三维织物复合材料，所述纤维束由若干股线组成，若干所述股线合股加捻，所述股线为碳纤维，所述纤维束的单纱捻度为5~60捻/m。

在本技术方案中，通过纤维加捻，纤维束的拉伸性能和断裂延伸率明显提升。

较佳地，所述股线为T800H，所述碳纤维的规格为6K，所述纤维束的单纱捻度为5捻/m。

在本技术方案中，当股线使用T800H的碳纤维时，纤维束的单纱捻度为5捻/m时，拉伸性能和断裂延伸率最佳。

较佳地，所述股线为CCF800H，所述碳纤维的规格为6K，所述纤维束的单纱捻度为20捻/m。