具有开孔结构的纤维织物及具有开孔结构的纤维复合材料制件的制备方法

摘要

本发明公开了一种具有开孔结构的纤维织物及具有开孔结构的纤维复合材料制件的制备方法。该纤维织物的纤维轨迹是椭圆曲线族，由开孔部位至纤维织物边缘以渐进的方式改变长轴和短轴的大小。与现有技术相比，本发明提供的纤维织物具有纤维连续、纤维方向参数化、曲率半径可控、能够有效减小应力集中、适用于批量生产的优点。使用该纤维织物制备的具有开孔结构的纤维复合材料制件具有低成本、高强度、制作方便简单、几乎无纤维材料浪费等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种具有开孔结构的纤维织物以及具有开孔结构的纤维复合材料制件的制备方法。 

背景技术

纤维复合材料因其具有高比强度、高比刚度、优良的减震性、耐疲劳性、抗腐蚀性等优点，已广泛应用于航空航天、体育用品、汽车、风力发电等领域。出于材料连接、减轻重量和视窗等要求，纤维复合材料制件上常常需要开孔(开口)。而纤维复合材料上开孔(开口)必然会使孔(口)边缘产生应力集中，极大的降低了纤维复合材料的力学性能。 

现有增强开孔部位的方法有： 

(1)补强法：先对纤维复合材料制件开孔，打断纤维，再采用补强片对开孔部位进行加强；或者在制备纤维复合材料制件时将补强片铺放在开孔部位，然后一体固化成型，再对成型后的纤维复合材料制件开孔，但是同样需要打断纤维复合材料本体纤维。 

(2)增强织物成型法：增强织物成型法充分利用了纤维力学性能各向异性的特点，避免打断纤维，采用纤维丝带直接制备开孔结构织物，再成型开孔纤维复合材料制件。 

补强法需要在原纤维复合材料制件开孔部位额外增加一层或数层补强片，增加制件重量并且需要额外补强工艺。相对于补强法，增强织物成型法在不需要额外的补强工艺的前提下大大降低了开孔纤维复合材料在孔部位的应力集中因子，提高了强度，减重效果显著。 

增强织物成型法中，用纤维丝带制备具有开孔结构的纤维织物时纤维轨迹的形式主要包括如下几种： 

(1)纤维轨迹与主应力方向一致 

该形式的纤维轨迹易导致纤维不连续和曲率半径过小，产生应力集中。 

(2)在开孔部位预埋螺钉挤压纤维，使纤维轨迹呈曲线形状 

该形式的纤维轨迹仅适用于在拉力条件下的开孔层合板。 

(3)在近孔部位纤维轨迹为圆形曲线，在远孔部位纤维轨迹为直线 

该形式的纤维轨迹在近孔部位和远孔部位的交界处由于纤维方向产生大角度改变，容易产生应力集中，大大降低了纤维复合材料制件的强度。 

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有技术中利用增强织物成型法制备具有开孔结构的纤维复合材料制件时，由于纤维轨迹的铺设形式而导致的纤维不连续，曲率半径过小，易产生应力集中等不足，提供一种具有开孔结构的纤维织物，该纤维织物具有纤维连续、纤维方向参数化、曲率半径可控、能够有效减小应力集 中、适用于批量生产的优点，使用该纤维织物制得的具有开孔结构的纤维复合材料制件具有低成本、高强度、制作方便简单、几乎无纤维材料浪费等优点。 

本发明实现上述技术目的所采取的技术方案为：一种具有开孔结构的纤维织物，该纤维织物是单层或多层以一定轨迹铺放的纤维在缝合线和/或粘合剂作用下形成的织物，该纤维轨迹由如下椭圆曲线族方程表示： 

$\frac{x^2}{{(r+\mathrm{vt})}^2}+\frac{y^2}{{(r+t)}^2}=1$

其中， 

r为具有开孔结构的纤维织物的孔半径； 

t为椭圆曲线族扩展系数； 

v为优化设计参数，可以是任意常数或是t的任意函数，表示椭圆曲线族从孔边缘至纤维织物边缘处，长轴相对于短轴长度变化的快慢。 

所述的纤维是纤维预浸带或干态纤维束中的一种或两种的混杂物。其中，纤维预浸带是指浸渍基体树脂的纤维，此时，基体树脂同时具有粘合剂作用。所述的基体树脂选自不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯类树脂中的一种。 

所述的纤维束种类包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或几种。 

使用本发明的纤维织物制备具有开孔结构的纤维复合材料制件的方法包括如下步骤(该纤维复合材料是由基体树脂材料与纤维材料形成的复合材料)： 

步骤1：将纤维按照如下椭圆曲线族方程表示的轨迹铺放，采用缝合线和/或粘合剂固定纤维形成单层具有开孔结构的纤维织物，重复铺放数层制备纤维复合材料制件用纤维预成型体，使各层长轴对齐： 

$\frac{x^2}{{(r+\mathrm{vt})}^2}+\frac{y^2}{{(r+t)}^2}=1$

其中，r为具有开孔结构的纤维复合材料制件的孔半径；t为椭圆曲线族扩展系数；v为优化设计参数，是任意常数或t的任意函数，表示椭圆曲线族从孔边缘至纤维织物边缘处，长轴相对于短轴长度变化的快慢； 

步骤2：使用复合材料成型工艺将步骤1得到的纤维预成型体固化成型，得到具有开孔结构的纤维复合材料制件。 

所述的复合材料成型工艺选自复合材料液体模塑成型工艺和热压罐成型工艺中的一种。其中，复合材料液体模塑成型工艺包括但不限于树脂传递模塑成型工艺、真空辅助注射成型工艺和树脂膜渗透成型工艺。当所述的纤维是纤维预浸带时，复合材料成型工艺采用热压罐工艺。 

与现有技术相比，本发明提供的具有开孔结构的纤维织物具有如下优点： 

(1)纤维轨迹为一系列椭圆(包括圆)，由孔部位至纤维织物边缘以渐进的方式改变长轴和短轴的大小，通过渐进的变化，有效地避免了各纤维之间产生大角度变化，减少应力集中；同时，该纤维轨迹能够保证纤维的连续性，曲率半径 可控。 

(2)纤维轨迹参数化，可设计性强，有利于批量化生产，降低成本。 

(3)纤维织物的长、宽和孔半径可以根据具有开孔结构的纤维复合材料制件的需要确定。所述椭圆曲线族方程轨迹可以绕中心孔旋转一定度数形成相应的织物以适应开孔层合板不同工况条件下的要求。 

(4)经过优化设计，采用本发明的纤维织物制备的具有开孔结构的纤维复合材料制件在多种工况下均能够大幅降低最大应力，提高强度，减轻重量。 

另外，使用本发明的纤维织物制备具有开孔结构的纤维复合材料制件时除了具有上述优点之外，还具有如下优点： 

(1)制备工艺简单，对开孔部位无需额外的补强工艺； 

(2)制备过程中几乎无纤维材料的浪费，大大减少了纤维用量，节约了成本，当具有大面积开孔结构的制件而言，其纤维的节约量尤其明显。 

附图说明

图1是本发明实施例1至4以及对比实施例1和对比实施例2中具有开孔结构的碳纤维复合材料层合板的形状及其所受拉伸载荷方向示意图； 

图2是本发明对比实施例1和对比实施例2的补强片示意图； 

图3是本发明实施例1中纤维织物的圆形曲线族纤维轨迹示意图； 

图4是本发明实施例2中纤维织物的椭圆曲线族纤维轨迹示意图； 

图5是本发明实施例3中纤维织物的椭圆曲线族纤维轨迹示意图； 

图6是本发明实施例4中纤维织物的椭圆曲线族纤维轨迹示意图。 

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。 

对比实施例1： 

本实施例中，首先采用现有技术制备如图1所示的具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板，然后采用现有技术中的补强片对该开孔部位进行加强。 

原材料：碳纤维采用Toray 12K T700碳纤维，环氧树脂是由环氧树脂E-20和环氧树脂E-54以质量比为1∶1混合形成的树脂。 

开孔结构：碳纤维/环氧树脂复合材料层合板中心开孔，孔半径为0.015m的圆形孔。 

具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的制备方法如下： 

步骤1：将Toray 12K T700碳纤维浸入预浸树脂中制备碳纤维预浸带，其中，预浸树脂配方为：(1)树脂：环氧树脂E-20和环氧树脂E-54质量比为1∶1；(2)固化剂：二甲基二苯甲烷、二甲基二苯砜和咪唑质量比为8∶20∶1； 

步骤2：将步骤1得到的碳纤维预浸带铺准各向同性铺层(-45°/90°/+45°/0°)s，然后使用热压罐工艺升温至90℃固化1.5小时，然后升温至120℃固化2小时后自然降温，得到成型后的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板； 

步骤3：在步骤2得到的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的中心钻孔，孔半径为0.015m，得到具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板。 

采用现有技术对上述制得的具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的开孔部位进行补强，具体方法如下： 

步骤1：采用Toray 12K T700碳纤维布预浸料制备如图2所述的补强片预成型体； 

步骤2：通过热压罐成型工艺将步骤1制得的补强片预成型体制备成补强片； 

步骤3：将步骤2得到的补强片铺放在已制得的开孔结构碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的开孔部位，在开口边缘用金属铆钉材料连接补强片和碳纤维/环氧树脂复合材料层合板。 

对比实施例2： 

本实施例中，首先采用现有技术制备如图1所示的具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板，然后采用现有技术中的补强片对该开孔部位进行加强。 

原材料：碳纤维采用Toray 12K T700碳纤维，不饱和聚酯树脂体系是由不饱和聚酯树脂、引发剂(过氧化甲乙酮)和促进剂(辛酸钴)按照100∶1.5∶0.5比例混合而成。 

开孔结构：碳纤维/不饱和聚酯复合材料层合板中心开孔，孔半径为0.015m的圆形孔。 

具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯复合材料层合板的制备方法如下： 

步骤1：将Toray 12K T700碳纤维单向布按图1尺寸铺为准各向同性铺层(-45°/90°/+45°/0°)s预成型体； 

步骤2：按比例配制不饱和聚酯树脂体系，配方为不饱和聚酯树脂、引发剂(过氧化甲乙酮)和促进剂(辛酸钴)按照100∶1.5∶0.5比例混合而成； 

步骤3：通过真空辅助树脂注射成型工艺将步骤2得到的不饱和聚酯树脂体系注入步骤1得到的碳纤维预成型体中，然后升温至90℃固化2小时后在40℃下固化2小时，60℃下固化2小时，80℃下固化4小时然后自然降温，得到碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板； 

步骤4：在步骤3得到的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板的中心钻孔，孔半径为0.015m，得到具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板。 

采用现有技术对上述制得的具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板的开孔部位进行补强，具体方法如下： 

步骤1：采用Toray 12K T700碳纤维布制备如图2所述补强片的预成型体； 

步骤2：按比例配制不饱和聚酯树脂体系，配方为不饱和聚酯树脂、引发剂(过氧化甲乙酮)和促进剂(辛酸钴)按照100∶1.5∶0.5比例混合而成； 

步骤3：通过真空辅助树脂注射成型工艺将步骤1制得的补强片预成型体制备成补强片； 

步骤4：将步骤3得到的补强片铺放在已制得的开孔结构碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板的开孔部位，在开口边缘用金属铆钉材料连接补强片和碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板。 

实施例1： 

本实施中，具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的原材料以及开孔结构与对比实施例1完全相同。所不同的是，在具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板中，碳纤维预浸带在粘合剂作用下形成的具有开孔结构的碳纤维织物具有一定形状的纤维轨迹，该纤维轨迹由如下椭圆曲线族方程(1)表示： 

$\frac{x^2}{{(r+\mathrm{vt})}^2}+\frac{y^2}{{(r+t)}^2}=1---\left(1\right)$

其中，r为具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的孔半径0.015m，v为常数1，即纤维轨迹是如下方程(2)所表示的圆形曲线族： 

$\frac{x^2}{{(0.015+t)}^2}+\frac{y^2}{{(0.015+t)}^2}=1---\left(2\right)$

该纤维织物长为0.2m，宽为0.1m，是由预浸环氧树脂体系的Toray 12K T700碳纤维制得的纤维织物(环氧树脂体系可相当于粘合剂)，其中环氧树脂是由环氧树脂E-20和环氧树脂E-54以质量比为1∶1混合形成的树脂。 

图3是方程(2)所示的碳纤维织物的圆形曲线族纤维轨迹铺放示意图。图中虚线分别为椭圆轨迹的长轴和短轴，实线为碳纤维织物中部分纤维轨迹。 

上述开孔结构碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的制备方法如下： 

步骤1：将Toray 12K T700碳纤维浸入预浸树脂中制备碳纤维预浸带，其中，预浸树脂配方为：(1)树脂：环氧树脂E-20和环氧树脂E-54质量比为1∶1；(2)固化剂：二甲基二苯甲烷、二甲基二苯砜和咪唑质量比为8∶20∶1； 

步骤2：将步骤1得到的碳纤维预浸带按照图3所示纤维轨迹铺放，形成预浸料织物，重复铺放八层，使八层预浸料织物长轴对齐； 

步骤3：使用热压罐工艺升温至90℃固化1.5小时，然后升温至120℃固化2小时后自然降温，得到具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板。 

对上述制得的具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行拉伸测试，其拉伸载荷方向如图1所示。测试结果表明，相对于对比实施例1中制得的未经补强和补强后的开孔结构碳纤维/环氧树脂复合材料层合板，其拉伸失效载荷分别提高了37％和20％。 

同时，由上述制备方法可以看出，相对于对比实施例1，本实施例一方面简化了制备工艺简单，对开孔部位无需额外的补强工艺，另一方面由于在制备过程中几乎无碳纤维的浪费，大大减少了碳纤维用量，节约了成本，当开孔部位面积大时碳纤维的节约量尤其明显。 

实施例2： 

本实施中，具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的原材料以及开孔结构与对比实施例1完全相同。所不同的是，在具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板中，干态碳纤维采用缝合线固定形成的具有开孔结构的碳纤维织物具有一定形状的纤维轨迹，该纤维轨迹由如下椭圆曲线族方程(3)表示： 

$\frac{x^2}{{(r+\mathrm{vt})}^2}+\frac{y^2}{{(r+t)}^2}=1---\left(3\right)$

其中，r为具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的孔半径0.015m，v为常数2，即纤维轨迹是如下方程(4)所表示的椭圆形曲线族： 

$\frac{x^2}{{(0.015+2t)}^2}+\frac{y^2}{{(0.015+t)}^2}=1---\left(4\right)$

图4是方程(4)所示的碳纤维织物的椭圆形曲线族纤维轨迹铺放示意图。图中虚线分别为椭圆轨迹的长轴和短轴，实线为碳纤维织物中部分纤维轨迹。 

上述开孔结构碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的制备方法如下： 

步骤1：将Toray 12K T700干态碳纤维按照图4所示纤维轨迹铺放，并采用缝合线固定，然后预浸树脂形成预浸料织物，其中，预浸树脂配方为：(1)树脂：环氧树脂E-20和环氧树脂E-54质量比为1∶1；(2)固化剂：二甲基二苯甲烷、二甲基二苯砜和咪唑质量比为8∶20∶1； 

步骤2：将步骤1得到的碳纤维预浸料织物重复铺放八层，使八层预浸料织物长轴对齐； 

步骤3：使用热压罐工艺升温至90℃固化1.5小时，然后升温至120℃固化2小时后自然降温，得到具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板。 

对上述制得的具有开孔结构的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行拉伸测试，其拉伸载荷方向如图1所示。测试结果表明，相对于对比实施例1中制得的未经补强的和补强后的开孔结构碳纤维/环氧树脂复合材料层合板，其拉伸失效载荷分别提高了52％和32％。 

同时，由上述制备方法可以看出，相对于对比实施例1，本实施例一方面简化了制备工艺简单，对开孔部位无需额外的补强工艺，另一方面由于在制备过程中几乎无碳纤维的浪费，大大减少了碳纤维用量，节约了成本，当开孔部位面积大时碳纤维的节约量尤其明显。 

实施例3： 

本实施中，具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板的原材料以及开孔结构与对比实施例2完全相同。所不同的是，在具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板中，干态碳纤维采用缝合线固定形成的具有开孔结构的碳纤维织物具有一定形状的纤维轨迹，该纤维轨迹由上述椭圆曲线族方程(4)整体旋转15°之后的椭圆曲线。 

图5是该碳纤维织物的椭圆形曲线族纤维轨迹铺放示意图。图中虚线分别为 椭圆轨迹的长轴和短轴，实线为碳纤维织物中部分纤维轨迹。 

上述开孔结构碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板的制备方法如下： 

步骤1：将Toray 12K T700干态碳纤维按照图5所示纤维轨迹铺放，并采用缝合线固定形成碳纤维织物； 

步骤2：将步骤1得到的碳纤维织物重复铺放八层，使八层碳纤维织物长轴对齐； 

步骤3：按比例配制不饱和聚酯树脂，配方为不饱和聚酯树脂、引发剂(过氧化甲乙酮)和促进剂(辛酸钴)按照质量比100∶1.5∶0.5比例混合而成；步骤4：通过真空辅助树脂注射成型工艺将步骤3得到的不饱和聚酯树脂体系注入步骤2得到的碳纤维织物中，然后升温至90℃固化2小时后在40℃下固化2小时，60℃下固化2小时，80℃下固化4小时然后自然降温，得到具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板。 

对上述制得的具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板进行拉伸测试，其拉伸载荷方向如图1所示。测试结果表明，相对于对比实施例2中制得的未经补强的和补强后的开孔结构碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板，其拉伸失效载荷分别提高了43％和24％。 

同时，由上述制备方法可以看出，相对于对比实施例2，本实施例一方面简化了制备工艺简单，对开孔部位无需额外的补强工艺，另一方面由于在制备过程中几乎无碳纤维的浪费，大大减少了碳纤维用量，节约了成本，当开孔部位面积大时碳纤维的节约量尤其明显。 

实施例4： 

本实施中，具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板的原材料以及开孔结构与对比实施例2完全相同。所不同的是，在具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板中，干态碳纤维采用缝合线固定形成的具有开孔结构的碳纤维织物具有一定形状的纤维轨迹，该纤维轨迹由如下椭圆曲线族方程(5)表示： 

$\frac{x^2}{{(r+\mathrm{vt})}^2}+\frac{y^2}{{(r+t)}^2}=1---\left(5\right)$

其中，r为具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板的孔半径0.015m，v为t的函数，其函数方程如下所示： 

v＝f(t)＝2sin(8πt)                (6) 

即纤维轨迹是如下方程(7)所表示的椭圆形曲线族： 

$\frac{x^2}{{(0.015+2\sin \left(8\mathrm{\pi t}\right)t)}^2}+\frac{y^2}{{(0.015+t)}^2}=1---\left(7\right)$

图6是方程(7)所示的碳纤维织物的椭圆形曲线族纤维轨迹铺放示意图。图中虚线分别为椭圆轨迹的长轴和短轴，实线为碳纤维织物中部分纤维轨迹。上述开孔结构碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板的制备方法如下： 

步骤1：将Toray 12K T700干态碳纤维按照图6所示纤维轨迹铺放，并采用缝合线固定得到碳纤维织物； 

步骤2：将步骤1得到的碳纤维织物重复铺放八层，使八层碳纤维织物长轴对齐； 

步骤3：按比例配制不饱和聚酯树脂，配方为不饱和聚酯树脂、引发剂(过氧化甲乙酮)和促进剂(辛酸钴)按照质量比100∶1.5∶0.5比例混合而成； 

步骤4：通过真空辅助树脂注射成型工艺将步骤3得到的不饱和聚酯树脂体系注入步骤2得到的碳纤维织物中，然后升温至90℃固化2小时后在40℃下固化2小时，60℃下固化2小时，80℃下固化4小时然后自然降温，得到具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板。 

对上述制得的具有开孔结构的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板进行拉伸测试，其拉伸载荷方向如图1所示。测试结果表明，相对于对比实施例2中制得的未经补强的和补强后的开孔结构碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板，其拉伸失效载荷提高了47％和27％。 

同时，由上述制备方法可以看出，相对于对比实施例2，本实施例一方面简化了制备工艺简单，对开孔部位无需额外的补强工艺，另一方面由于在制备过程中几乎无碳纤维的浪费，大大减少了碳纤维用量，节约了成本，当开孔部位面积大时碳纤维的节约量尤其明显。 

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。