网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板及其制备方法。本发明专利技术的车厢底板包括有编织纱线系统，编织纱线系统按四步法三维编织运动规律相互编织。其特征在于还包括贯穿制件x、y、z三个方向的七组纱线系统，且不同组纱线系统之间按照不同的交织规律相互连锁编织形成致密的三维整体网络结构。本发明专利技术的制备步骤包括：1）预制件设计；2）挂线、缠绕；3）编织织造（含16步编织步骤）；4）打紧成型；5）复合固化。本发明专利技术的复合材料车厢底板整体性更好，纤维体积含量显著增加，力学性能更加优越合理，尤其面内性能得到显著提高，此外，具有较好的多功能特性。应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合材料车厢底板及其制造方法，特别涉及一种网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板及其制造方法，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中，属于工程材料制备领域。
技术介绍
最近，江雷等(中国专利:201110209112. 4、中国专利:201110242739、中国专利201110242755. 9)提出了带有仿机翼的空气动力悬浮列车，该列车的机车和每节车厢的顶部分别安装有仿制飞机的机翼结构的仿机翼。通过与列车相对运动的气流作用于仿机翼结构而产生上抬力，从而减少列车对铁轨的压力。由于车厢部分占据了现代带有仿机翼的空气动力悬浮列车车体的主要重量，因此，急需解决车厢结构的轻量化问题。采用先进轻质复合材料制备带有仿机翼的空气动力悬浮列车的车厢底板是关键技术之一。三维整体编织技术是20世纪80年代发展起来的一种新型纺织技术，采用该技术研制的三维编织复合材料，克服了传统层合复合材料易分层的致命缺点，保持了复合材料构件承载变形的整体性，且具有比强度高、抗冲击、耐烧蚀、性能可设计和易于一次成型复杂构型等优点。目前，三维整体编织技术以四步法三维编织工艺为主，四步法编织工艺可包括有两个纱线系统，即编织纱线系统和轴纱系统(第五组分)。当制件横截面为矩形或矩形组合，如“工”型梁、“I”型梁、“L”型梁、盒型梁等，编织纱线按方型行X列的方式排列成制件的截面形状进行编织，这种编织方法称为方型编织；当制件横截面为圆形或圆环形，编织纱线则按圆型环向行X径向列的方式排列成制件的截面形状进行编织，这种编织方法称为圆型编织。在编织过程中，机器按行列交替方式运动，四步构成一个机器循环，编织纱线按照一定的设计规律运动，轴纱则沿编织轴向不动，不参与编织，这样形成一个不分层的三维四向(不含轴纱)或三维五向(含轴纱)编织结构。最近，为提高编织复合材料的面内力学性能，发展了三维六向和三维七向编织结构，这类结构是以三维五向编织结构为基础，在垂直于编织成型方向的面内加入互相垂直的横向纬纱系统(第六组分)和纵向纬纱系统(第七组分)织造而成。虽然三维六向和三维七向编织结构复合材料的面内力学性能有所提高，但由于增加的纬纱数量有限，使得面内方向的纤维体积含量增加有限，因此，面内力学性能的提高受到限制；此外，由于横向纬纱和纵向纬纱只是均匀的夹在编织纱线之间，均没有参与编织，面内剪切性能低，抗弯、抗扭和抗冲击性能也较差；因此，需要对现有编织结构复合材料的面内抗剪切性能、抗弯、抗扭、抗冲击等性能做进一步改善，以满足高速列车等领域对材料性能的特殊需要。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题是提出一种，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车。该车厢底板结构具有贯穿制件x、y、z三个方向的八组纱线系统，且不同组纱线系统之间按照不同的交织结构相互连锁编织形成致密的三维整体网络结构。该制备方法以三维整体编织和三维整体机织技术为基础，工艺简单稳定，可操作性强，生产成本低，实用性广。本专利技术解决所述复合材料技术问题的技术方案如下本专利技术设计的一种网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，该车厢底板采用三维整体编织工艺技术和三维整体机织工艺相结合，按照16步编织织造步骤完成。其特征在于该车厢底板结构不同于以往的三维四向、三维五向、三维六向、三维七向编织结构，包括贯穿制件X、I、z三个方向的八组纱线系统，八组纱线系统之间按照不同的交织结构相互连锁编织形成致密的三维整体网络结构。本专利技术的进一步特征是所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中。 本专利技术的特征还在于所述复合材料车厢底板外形尺寸的长度为0-28米，宽度为0-3. 5米，厚度为0-0. 05米。本专利技术的特征还在于所述的八组纱线系统，分别为编织纱线系统、轴纱系统、横向填充纬纱系统、纵向填充纬纱系统、+45度填充纬纱系统、-45度填充纬纱系统、横向交织纬纱系统、纵向交织纬纱系统。本专利技术的特征还在于不同纱线系统之间具有不同的纱线交织规律。编织纱线系统和轴纱系统由三维编织机机器底盘的携纱器所携带，按照四步法编织携纱器的运动规律进行交织，其中，编织纱线系统携纱器在面内沿“Z”字形轨迹运动，轴纱系统携纱器在面内沿水平方向作往返直线运动；横向填充纬纱系统沿面内横向行方向均匀的夹持在不同行编织纱线之间；纵向填充纬纱系统沿面内纵向列方向均匀的夹持在不同列编织纱线之间；+45度填充纬纱系统沿面内+45度方向均匀的夹持在不同+45度行编织纱线之间；_45度填充纬纱系统沿面内-45度方向均匀的夹持在不同-45度列编织纱线之间；横向交织纬纱系统按照设计规律，在面内沿横向行向与编织纱线连锁交织。纵向交织纬纱系统按照设计规律，在面内沿纵向列向与编织纱线连锁交织。所述的设计规律是指横向/纵向交织纬纱与编织纱线的交织规律按照制件所要求的不同织物组织结构进行设计。本专利技术的特征还在于该复合材料车厢底板既具有三维编织结构，又具有三维机织结构。编织纱线系统和轴纱系统按照四步法三维编织运动规律交织，形成三维编织结构，而横向/纵向交织纬纱系统与编织纱线系统按照不同织物组织结构进行交织，形成三维机织结构。本专利技术的特征还在于轴向纱线系统的加入位置、轴纱系统与编织纱线系统的数量比例可以进行任意设置。同时，在一个编织循环中，分别加入了两组横向和两组纵向填充纬纱系统、分别加入了两组+45度和两组-45度填充纬纱系统以及分别加入了两组横向和两组纵向交织纬纱系统。所述的一个编织循环为下述的制备方法中，八组纱线系统完成十六步编织织造步骤，构成一个编织循环。本专利技术的特征还在于横向/纵向交织纬纱与编织纱线系统交织的织物组织结构，可以是平纹、斜纹、缎纹、经平绒、纬平绒、变化组织等中的一种。由于横向/纵向交织纬纱与编织纱线系统交织的织物组织结构变化，将演变出不同种类的三维整体多向连锁编织结构，如三维整体多向斜交连锁贯穿编织结构，三维整体多向正交分层连锁编织结构，三维整体多向正交贯穿连锁编织结构，等。本专利技术的特征还在于在一个编织循环中，横向交织纬纱与编织纱线交织的织物组织结构和纵向交织纬纱与编织纱线交织的织物组织结构可以相同，也可以不同。本专利技术的特征还在于所述的复合材料车厢底板结构中的纱线具有多种取向，纱线的形态也各不相同。编织纱线在空中沿对角线四个方向取向，分别分布于两组相交的平行平面内，编织纱线保持为直线形态。轴纱沿编织成型方向取向，横向填充纬纱沿面内横向行方向取向，纵向填充纬纱沿面内纵向列方向取向，+45度填充纬纱系统沿面内+45度行方向取向，-45度填充纬纱系统沿面内-45度列方向取向，并且该五组系统的纱线均保持为顺直形态；横向/纵向交织纬纱与编织纱线具有屈曲交织的特征，不同织物组织交织结构的横向/纵向交织纬纱在预型件中的屈曲形态不同；连锁编织方式决定了横向/纵向交织纬纱的取向。对于三维多向正交贯穿连锁编织结构，横向/纵向交织纬纱取向基本为沿面内横向行或面内纵向列方向；对于三维多向斜交连锁贯穿编织结构，横向/纵向交织纬纱的·取向则与面内横向行或面内纵向列方向呈一定的角度。本专利技术的特征还在于所述的复合材料车厢底板沿轴向为周期结构；所述的复合材料车厢底板沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，该车厢底板以三维整体编织工艺和三维整体机织工艺技术为基础，按照16步编织织造步骤完成。其特征在于：该车厢底板结构不同于以往的三维四向、三维五向、三维六向、三维七向编织结构，包括贯穿复合材料x、y、z三个方向的八组纱线系统：编织纱线系统、轴纱系统、横向填充纬纱系统、纵向填充纬纱系统、+45度填充纬纱系统、？45度填充纬纱系统、横向交织纬纱系统、纵向交织纬纱系统，八组纱线系统之间按照不同的交织规律相互连锁编织形成致密的三维整体网络结构。

【技术特征摘要】
1.一种网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，该车厢底板以三维整体编织工艺和三维整体机织工艺技术为基础，按照16步编织织造步骤完成。其特征在于该车厢底板结构不同于以往的三维四向、三维五向、三维六向、三维七向编织结构，包括贯穿复合材料X、I、z三个方向的八组纱线系统编织纱线系统、轴纱系统、横向填充纬纱系统、纵向填充纬纱系统、+45度填充纬纱系统、-45度填充纬纱系统、横向交织纬纱系统、纵向交织纬纱系统，八组纱线系统之间按照不同的交织规律相互连锁编织形成致密的三维整体网络结构。2.根据权利要求I所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，其特征在于不同纱线系统之间具有不同的纱线交织规律。编织纱线系统和轴纱系统由三维编织机机器底盘的携纱器所携带，按照四步法编织携纱器的运动规律进行交织，其中，编织纱线系统携纱器在面内沿“Z”字形轨迹运动，轴纱系统携纱器在面内沿水平方向作往返直线运动；横向填充纬纱系统沿面内横向行方向均匀的夹持在不同行编织纱线之间；纵向填充纬纱系统沿面内纵向列方向均匀的夹持在不同列编织纱线之间；+45度填充纬纱系统沿面内+45度方向均匀的夹持在不同+45度行编织纱线之间；_45度填充纬纱系统沿面内-45度方向均匀的夹持在不同-45度列编织纱线之间；横向交织纬纱系统按照设计规律，在面内沿横向行向与编织纱线连锁交织。纵向交织纬纱系统按照设计规律，在面内沿纵向列向与编织纱线连锁交织。所述的设计规律是指横向/纵向交织纬纱与编织纱线的交织规律按照制件所要求的不同织物组织结构进行设计。3.根据权利要求I所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，其特征在于该复合材料车厢底板既具有三维编织结构，又具有三维机织结构。编织纱线系统和轴纱系统按照四步法三维编织运动规律交织，形成三维编织结构，而横向/纵向交织纬纱系统与编织纱线系统按照不同织物组织结构进行交织，形成三维机织结构。所述复合材料车厢底板的编织角范围为0° -50°之间；所述复合材料车厢底板的纤维体积含量比现有的编织结构复合材料显著增加，可以达到70%以上。4.根据权利要求I所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，其特征在于轴向纱线系统的加入位置、轴纱系统与编织纱线系统的数量比例可以进行任意设置。同时，在一个编织循环中，分别加入了两组横向和两组纵向填充纬纱系统、分别加入了两组+45度和两组-45度填充纬纱系统以及分别加入了两组横向和两组纵向交织纬纱系统。所述的一个编织循环为权利要求书10所述的制备方法中，八组纱线系统完成十六步编织织造步骤，构成一个编织循环。5.根据权利要求I所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，其特征在于横向/纵向交织纬纱与编织纱线系统交织的织物组织结构，可以是平纹、斜纹、缎纹、经平绒、纬平绒、变化组织等中的一种。由于横向/纵向交织纬纱与编织纱线系统交织的织物组织结构变化，将演变出不同种类的三维整体多向连锁编织结构，如三维整体多向斜交连锁贯穿编织结构，三维整体多向正交分层连锁编织结构，三维整体多向正交贯穿连锁编织结构，等。在一个编织循环中，横向交织纬纱与编织纱线交织的织物组织结构和纵向交织纬纱与编织纱线交织的织物组织结构可以相同，也可以不同。6.根据权利要求I所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，其特征在于所述复合材料车厢底板结构中的纱线具有多种取向，纱线的形态也各不相同。编织纱线在空中沿对角线四个方向取向，分别分布于两组相交的平行平面内，编织纱线保持为直线形态。轴纱沿编织成型方向取向，横向填充纬纱沿面内横向行方向取向，纵向填充纬纱沿面内纵向列方向取向，+45度填充纬纱系统沿面内+45度行方向取向，-45度填充纬纱系统沿面内-45度列方向取向，并且该五组系统的纱线均保持为顺直形态；横向/纵向交织纬纱与编织纱线具有屈曲交织的特征，不同织物组织交织结构的横向/纵向交织纬纱在预型件中的屈曲形态不同；连锁编织方式决定了横向/纵向交织纬纱的取向。对于三维多向正交贯穿连锁编织结构，横向/纵向交织纬纱取向基本为沿面内横向行或面内纵向列方向；对于三维多向斜交连锁贯穿编织结构，横向/纵向交织纬纱的取向则与面内横向行或面内纵向列方向呈一定的角度。7.根据权利要求I所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，其特征在于所述的复合材料车厢底板沿轴向为周期结构，沿面内宽度方向和面内厚度方向既可形成对称结构，也可形成非对称结构。所述复合材料车厢底板的横截面形状为方形，横截断面结构沿制件轴向发生变化。8.根据权利要求I所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，其特征在于所述的八组纱线系统可以全部是同组分高性能纤维组成的纱线束；也可以是不同组分高性能纤维组成的纱线束的混编；所述的高性能纤维是指碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维等中的一种；还可以部分是防震材料束、隔热材料束、防滑材料束、耐磨材料束、光纤束、压电材料束、磁致伸缩束，隐身材料束、以实现多功能化。树脂基体材料采用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂或不饱和树脂中的一种。9.根据权利要求I所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，其特征在于所述整体复合材料车厢底板外形尺寸的长度为0-28米，宽度为0-3. 5米，厚度为0-0. 05米。所述整体复合材料车厢底板采用树脂传递模塑工艺注入树脂，并采用大型热压罐进...

【专利技术属性】
技术研发人员：李典森，江雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：