[发明专利]一种预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法

说明书

本发明公开了一种预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法，其特征在于该预制体为皮芯结构，芯层由芯纱和四步法编织的带轴纱的圆型三维编织结构组成；皮层为编织纱排列在轴纱同侧的斜交三向结构。将芯层最外层编织纱充当斜交三向的轴纱，实现皮芯结构的整体编织。该预制体经过四步循环后得到一个预制体花节长度，根据需要编织成目标长度的预制体。该预制体的制造方法可以灵活设计编织纱的走向、皮芯层厚度和斜交三向花节长度，解决了预置螺纹的三维编织预制体整体编织和加工螺纹时对纤维造成损伤的难题，有利于提高预制体的整体力学性能，同时该方法具有操作简单和制造稳定等优点，可以满足高性能低成本复合材料的制造需求。

技术领域

本发明涉及复合材料紧固件制备技术，具体是一种预置螺纹的三维编织预制体的制造方法。该预制体用于制备复合材料紧固件，可以使螺纹部分纤维连续，提高复合材料紧固件的连接强度。

背景技术

目前，国内外各种型号的飞机使用大量紧固件，这些紧固件包括铆钉和螺栓等，其重量占飞机总重的 5%到6%，紧固件连接的工作量占飞机机体制造工作量的20%左右，飞机紧固件的成本占飞机成本的 3%到5%。在选择紧固件材料时，除了要满足力学方面的要求以外，还需考虑许多因素，如最大和最小工作温度，环境的腐蚀性，不同材料间的电偶腐蚀，疲劳和冲击载荷等。目前，航空航天用紧固件材料主要有：轻质金属（如铝合金，钛合金）、石墨、复合材料（如碳/碳复合材料，陶瓷基复合材料）等。复合材料是继天然材料、加工材料和合成材料之后发展起来的新一代材料，它既可以保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特征，它可以根据需要进行设计，从而最合理地达到使用要求的性能。

复合材料紧固件的增强结构相一般使用短纤维和连续纤维，二维铺层结构以及三维针刺结构。采用短纤维和连续纤维增强的复合材料紧固件，不宜用于承力较大的场合，这是因为纤维间缺乏有效的缠结，纤维取向不确定，纤维预制件的结构整体性只能由纤维间的摩擦力来决定；二维铺层结构虽然解决了层内断裂问题，但由于层与层之间缺乏有效的纤维增强，层间的强度受到基体强度的制约，易分层和产生裂纹，抗剪切能力较差，各向同性也较差；针刺技术依靠刺针上的倒向钩刺抓住纤网层中的部分纤维将它们带到 Z 向，使层与层之间的纤维互相缠结、约束，形成平面和层间均有一定强度的准三维网状结构增强体，克服了二维叠层材料层间缺乏连接的缺点，具有孔隙分布均匀、易致密成型、较高的面内和层间强度等特点，但这种增强体纤维之间的结合力较小，纤维体积含量不高，并且难以精确控制纤维的取向，采用针刺结构作为增强相的复合材料紧固件，其螺纹部分的纤维体积含量较低，难以控制纤维取向，经机加工后，多为不连续纤维，故连接强度也不高。所以，本发明提出了一种预置螺纹的三维编织预制体的制造方法，即采用四步法三维圆型编织结构和斜交三向结构的有机耦合整体编织，使螺纹部分纤维整体连续，同时提高了复合材料的纤维体积分数，从而提高了复合材料整体力学性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明解决的是，提供一种预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法。该方法设计预置螺纹的三维编织预制体为皮芯结构，芯层由芯纱和带轴纱的圆型三维编织结构组成；皮层为编织纱排列在轴纱同侧的斜交三向结构。将芯层最外层编织纱充当斜交三向的轴纱，实现皮芯结构的整体连接编织。该方法显著提高了预置螺纹的三维编织预制体的结构稳定性，满足了复合材料紧固件的多种高性能需求。

本发明解决所述问题的技术方案是，提供一种预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法，其特征在于该织造方法包括如下步骤：

（1）排列悬挂纱线：根据螺纹型号尺寸，选择合适的纱线种类和规格，确定纱线排列的列数和层数。纱线系统包括芯纱、四步法编织纱、四步法轴纱、斜交三向编织纱和斜交三向轴纱；将芯纱、四步法编织纱、四步法轴纱、斜交三向编织纱和斜交三向轴纱一端在三维编织机的挂纱装置中的末端固定连接，另一端连接相应的携纱器按照一定的规律排列在编织机底盘上，纱线平行于预制体的成型方向。