具有高抗屈曲能力的纤维织物及具有高抗屈曲能力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高抗屈曲能力的纤维织物，该纤维织物的纤维轨迹是一系列沿一定方向(y轴)平移得到的正弦曲线或余弦曲线，其函数方程表示式为：yn＝asibx+Kn或者yn＝acosbx+Kn，其中，a、b均为正实数，n为正整数，Kn为正实数并且Kn≠Kn+1。与现有技术中的平行顺直的纤维轨迹相比，该纤维织物具有纤维方向参数化、可设计性强、能够显著提高抗屈曲能力、适合于批量化生产等优点，使用该纤维织物制备的纤维复合材料制件具有优良的抗屈曲能力，且制备方便简单，几乎无纤维材料的浪费，大大降低了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种具有高抗屈曲性能的纤维织物及具有高抗屈曲能力的纤维复合材料制件的制备方法。 

背景技术

高性能纤维复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，在航天航空、交通运输、新能源、海洋工程、建筑等高顶尖及民用领域发挥着不可替代的作用。现代航空结构中采用了大量的纤维复合材料层合板，机身上板框中的格板、纵向构件与框之间的蒙皮、翼面上的肋腹板、长桁与肋之间的蒙皮，都可作为纤维复合材料平板来处理。当其承受压缩、剪切时，可能发生屈曲甚至因此而引起破坏，为了保证结构的使用安全，应对其屈曲载荷及承载能力进行优化设计。 

传统的纤维复合材料制件采用平行顺直的纤维铺放形成的纤维织物制备，而且为了简化设计和施工的工作量，工程中经常采用0°、±45°、90°铺层方向，该纤维复合材料制件在承受面内压缩、剪切作用时，容易发生屈曲破坏。通过合理的铺层设计，传统的具有平行顺直纤维轨迹的纤维复合材料制件具备一定的抗屈曲能力，但是该纤维复合材料制件中纤维的承载能力尚未完全发挥出来，抗屈曲能力并没有得到最大限度优化。 

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有技术中存在的不足，提供一种具有高抗屈曲能力的纤维织物，使用该纤维织物能够有效提高纤维复合材料制件的抗屈曲能力。 

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种具有高抗屈曲能力的纤维织物，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，该纤维轨迹是一系列沿一定方向(y轴)平移得到的正弦曲线或余弦曲线，其函数方程表示式为：y_n＝asinbx+K_n或y_n＝acosbx+K_n， 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n≠K_n+1。 

当纤维织物为规则的矩形结构时，可以选择上述函数方程表示式中x轴沿纤维织物长度方向，y轴沿纤维织物宽度方向，纤维轨迹是一系列沿纤维织物宽度方向(y轴)平移得到的正弦曲线或余弦曲线；或者，x轴沿纤维织物宽度方向，y轴沿纤维织物长度方向，纤维轨迹是一系列沿纤维织物长度方向(y轴)平移得到的正弦曲线或余弦曲线。 

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，干态纤维是指未浸基体树脂的纤维束；纤维预浸带是指浸渍基体树脂的纤维束，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高抗屈曲能力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：根据纤维复合材料制件的形状尺寸设计纤维织物的呈正弦曲线或余弦曲线的纤维轨迹，即 

首先，选定x轴与y轴的方向，设计纤维轨迹是一系列沿y轴方向平移得到的正弦曲线或余弦曲线，其函数方程表示式为： 

y_n＝asinbx+K_n或者y_n＝acosbx+K_n， 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n≠K_n+1； 

然后，选取合适的a，b以及K_n值，得到选定的正弦函数或余弦函数； 

步骤2：将预浸或未浸基体树脂的纤维丝束按照步骤1选定的正弦函数或余弦函数方程所表示的曲线轨迹进行铺放，采用缝合线和/或粘合剂固定纤维，形成单层纤维织物； 

步骤3：重复步骤1与2，得到多层所述的纤维织物，将多层纤维织物层叠铺放，制备纤维复合材料制件用纤维预成型体； 

步骤4：使用复合材料成型工艺将步骤3得到的纤维预成型体固化成型，得到高抗屈曲能力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、真空辅助树脂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，本发明提供的具有高抗屈曲能力的纤维织物具有如下优点： 

(1)纤维轨迹为一系列沿给定方向(y轴)平移得到的正弦曲线或余弦曲线，相对于现有技术中的平行顺直的纤维轨迹，该纤维轨迹能够有效地提高纤维织物的抗屈曲能力。 

(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、宽可以根据纤维复合材料制件的需要确定。纤维织物的正弦曲线或余弦曲线纤维轨迹可以根据实际纤维复合材料制件的形状尺寸选择，适应制件不同工况条件下的要求。 

(4)正弦曲线或余弦曲线纤维轨迹的x轴与y轴可以根据实际需要选定，采用多层具有优化设计的正弦曲线或余弦族曲线纤维轨迹的纤维织物制备的纤维复合材料制件，在多种工况下均能够大幅提高抗屈曲能力。 

(5)使用灵活，不论采用单层或多层本发明的纤维织物，还是将其夹杂在普通纤维织物间，均能够有效提高整个纤维织物的抗屈曲能力。 

另外，使用本发明的纤维织物制备具有高抗屈曲能力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)制备工艺方便简单； 

(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。 

附图说明

图1是对比实施例1与2以及本发明实施例1与2中的碳纤维复合材料层合板的平面形状及其屈曲载荷测试示意图； 

图2是本发明实施例1与2中第一层碳纤维织物的正弦(余弦)曲线族纤维轨迹示意图； 

图3是本发明实施例1与2中第二层碳纤维织物的正弦(余弦)曲线族纤维轨迹示意图； 

图4是本发明实施例1与2中第三层碳纤维织物的正弦(余弦)曲线族纤维轨迹示意图； 

图5是本发明实施例1与2中第四层碳纤维织物的正弦(余弦)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所示的尺寸为400mm×200mm的矩形碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板。 

原材料：碳纤维采用Toray 12K T700碳纤维单向布，不饱和聚酯树脂体系为不饱和聚酯树脂、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。 

制备方法如下： 

步骤1：采用Toray 12K T700碳纤维单向布按图1所述尺寸铺放制备准各向同性铺层(-45°/45°/90°/0°)_s纤维预成型体； 

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)按照质量比100∶1.5∶0.5比例混合； 

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 

将上述制得的碳纤维/不饱和树脂复合材料层合板按照图1所示的屈曲载荷测试示意图进行屈曲载荷测试。其中，AB边部分夹持，只保留沿X轴方向的自由度；AD边和BC边约束Y轴方向的平动和绕Y轴的转动；CD边完全夹持，约束所有的自由度，施加X方向的轴向压缩载荷，测试碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板的屈曲载荷。 

实施例1： 

本实施中，碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的形状大小以及原材料与对比实施例1完全相同。所不同的是，在碳纤维/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碳纤维织物具有一定形状的纤维轨迹，该纤维轨迹由是一系列沿一定方向(y轴)平移得到的正弦曲线，其函数方程表示式为： 

y_n＝asinbx+K_n              (1) 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n≠K_n+1。 

上述碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的制备方法如下： 

步骤1：根据该尺寸为400mm×200mm的矩形碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的形状尺寸，设计单层纤维织物尺寸为400mm×200mm的矩形，其纤维轨迹呈正弦曲线族。 

本实施例中，首先制备分别具有以下四种正弦曲线族纤维轨迹的单层纤维织物，即第一层碳纤维织物、第二层碳纤维织物、第三层碳纤维织物以及第四层碳纤维织物。 

1)制备第一层碳纤维织物 

首先，选定x轴沿单层纤维织物长度方向，y轴沿单层纤维织物宽度方向，纤维轨迹是一系列沿单层纤维织物宽度方向(y轴)平移(平移宽度为纤维丝束宽度)得到的正弦曲线，其函数方程表示式为： 

y_n＝asinbx+K_n    (1) 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n+1-K_n＝纤维丝束宽度，x定义域为[-200mm，200mm]，选取合适的b值使bx定义域为[-π/2，π/2]； 

然后，将Toray 12K T700干态碳纤维按照上述选定的正弦函数方程(1)所表示的正弦曲线族轨迹进行铺放，采用缝合线固定形成第一层碳纤维织物，其正弦曲线族纤维轨迹如图2所示。 

2)制备第二层碳纤维织物 

首先，选定x轴沿单层纤维织物长度方向，y轴沿单层纤维织物宽度方向，纤维轨迹是一系列沿单层纤维织物宽度方向(y轴)平移(平移宽度为纤维丝束宽度)得到的正弦曲线，其函数方程表示式为： 

y_n＝asinbx+K_n    (2) 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n+1-K_n＝纤维丝束宽度，x定义域为[200mm，600mm]，选取合适的b值使bx定义域为[π/2，3π/2]； 

然后，将Toray 12K T700干态碳纤维按照上述选定的正弦函数方程(2)所表示的正弦曲线族轨迹进行铺放，采用缝合线固定形成第二层碳纤维织物，其正弦曲线族纤维轨迹如图3所示。 

3)制备第三层纤维织物 

首先，选定x轴沿单层纤维织物宽度方向，y轴沿单层纤维织物长度方向，纤维轨迹是一系列沿单层纤维织物长度方向(y轴)平移(平移宽度为纤维丝束宽度)得到的正弦曲线，其函数方程表示式为： 

y_n＝asinbx+K_n    (3) 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n+1-K_n＝纤维丝束宽度，x定义域为[-100mm，100mm]，选取合适的b值使bx定义域为[-π/2，π/2]； 

然后，将Toray 12K T700干态碳纤维按照上述选定的正弦函数方程(3)所表示的正弦曲线族轨迹进行铺放，采用缝合线固定形成第三层碳纤维织物，其正弦曲线族纤维轨迹如图4所示。 

4)制备第四层纤维织物 

首先，选定x轴沿单层纤维织物宽度方向，y轴沿单层纤维织物长度方向，纤维轨迹是一系列沿单层纤维织物长度方向(y轴)平移(平移宽度为纤维丝束宽度)得到的正弦曲线，其函数方程表示式为： 

y_n＝asinbx+K_n    (4) 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n+1-K_n＝纤维丝束宽度，x定义域为[100mm，300mm]，选取合适的b值使bx定义域为[π/2，3π/2]； 

然后，将Toray 12K T700干态碳纤维按照上述选定的正弦函数方程(4)所表示的正弦曲线族轨迹进行铺放，采用缝合线固定形成第四层碳纤维织物，其正弦曲线族纤维轨迹如图5所示。 

步骤2：采用步骤1得到的第一层碳纤维织物、第二层碳纤维织物、第三层碳纤维织物以及第四层碳纤维织物层叠铺放制备铺层(1/2/3/4)_s，使各层的长度和宽度分别对齐，其中1、2、3、4分别表示第一层、第二层、第三层和第四层碳纤维织物，形成纤维复合材料制件用的含8层碳纤维织物的纤维预成型体； 

步骤3：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)按照质量比100∶1.5∶0.5比例混合； 

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。 

将上述制得的碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板按照图1所示的屈曲载荷测试示意图进行屈曲载荷测试。其中，AB边部分夹持，只保留沿X轴方向的自由度；AD边和BC边约束Y轴方向的平动和绕Y轴的转动；CD边完全夹持，约束所有的自由度，施加X方向的轴向压缩载荷，测试碳纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层合板的屈曲载荷。 

该屈曲载荷相对于对比实施例1测得的屈曲载荷提高了19％。 

对比实施例2： 

本实施例中，首先采用现有技术制备如图1所示的尺寸为400mm×200mm的矩形碳纤维/环氧树脂复合材料层合板。 

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。 

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：使用步骤1得到的碳纤维预浸带通过平行顺直轨迹铺放制备准各向同性铺层(-45°/45°/90°/0°)_s，然后使用热压罐工艺经90℃/1.5h+120℃/2h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。 

将上述制得的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板按照图1所示的屈曲载荷测试示意图进行屈曲载荷测试。其中，AB边部分夹持，只保留沿X轴方向的自由度；AD边和BC边约束Y轴方向的平动和绕Y轴的转动；CD边完全夹持，约束所有的自由度，施加X方向的轴向压缩载荷，测试碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的屈曲载荷。 

实施例2： 

本实施中，碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的形状大小以与对比实施例2完全相同。所不同的是，在碳纤维/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碳纤维织物具有一定形状的纤维轨迹，该纤维轨迹由是一系列沿一定方向(y轴)平移得到的余弦曲线，其函数方程表示式为： 

y_n＝acosbx+K_n           (1) 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n≠K_n+1。 

上述碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的制备方法如下： 

步骤1：配制预浸环氧树脂，预浸环氧树脂配方为：(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Toray 12K T700碳纤维浸入预浸环氧树脂中制备碳纤维预浸带； 

步骤3：根据该尺寸为400mm×200mm的矩形碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的形状尺寸，设计单层纤维织物尺寸为400mm×200mm的矩形，其纤维轨迹呈余弦曲线族。 

分别制备具有以下四种余弦曲线族纤维轨迹的单层纤维织物，即第一层碳纤维织物、第二层碳纤维织物、第三层碳纤维织物以及第四层碳纤维织物。 

1)制备第一层碳纤维织物 

首先，选定x轴沿单层纤维织物长度方向，y轴沿单层纤维织物宽度方向，纤维轨迹是一系列沿单层纤维织物宽度方向(y轴)平移(平移宽度为纤维丝束宽度)得到的余弦曲线，其函数方程表示式为： 

y_n＝acosbx+K_n    (1) 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n+1-K_n＝纤维丝束宽度，x定义域为[-400mm，0mm]，选取合适的b值使bx定义域为[-π，0]，余弦曲线族纤维轨迹如图2所示； 

然后，将碳纤维预浸带按照上述选定的余弦函数方程(1)所表示的余弦曲线族轨迹进行铺放，得到第一层碳纤维织物。 

2)制备第二层碳纤维织物 

首先，选定x轴沿单层纤维织物长度方向，y轴沿单层纤维织物宽度方向，纤维轨迹是一系列沿单层纤维织物宽度方向(y轴)平移(平移宽度为纤维丝束宽度)得到的余弦曲线，其函数方程表示式为： 

y_n＝acosbx+K_n    (2) 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n+1-K_n＝纤维丝束宽度，x定义域为[0mm，400mm]，选取合适的b值使bx定义域为[0，π]，余弦曲线族纤维轨迹如图3所示； 

然后，将碳纤维预浸带按照上述选定的余弦函数方程(2)所表示的余弦曲线族轨迹进行铺放，得到第二层碳纤维织物。 

3)制备第三层碳纤维织物 

首先，选定x轴沿单层纤维织物宽度方向，y轴沿单层纤维织物长度方向，纤维轨迹是一系列沿单层纤维织物长度方向(y轴)平移(平移宽度为纤维丝束宽度)得到的余弦曲线，其函数方程表示式为： 

y_n＝acosbx+K_n    (3) 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n+1-K_n＝纤维丝束宽度，x定义域为[-200mm，0mm]，选取合适的b值使bx定义域为[-π，0]，余弦曲线族纤维轨迹如图4所示； 

然后，将碳纤维预浸带按照上述选定的余弦函数方程(2)所表示的余弦曲线族轨迹进行铺放，得到第三层碳纤维织物。 

4)制备第四层碳纤维织物 

首先，选定x轴沿单层纤维织物宽度方向，y轴沿单层纤维织物长度方向，纤维轨迹是一系列沿单层纤维织物长度方向(y轴)平移(平移宽度为纤维丝束宽度)得到的余弦曲线，其函数方程表示式为： 

y_n＝acosbx+K_n    (4) 

其中a、b均为正实数，n为正整数，K_n为正实数并且K_n+1-K_n＝纤维丝束宽度，x定义域为[0mm，200mm]，选取合适的b值使bx定义域为[0，π]； 

然后将碳纤维预浸带按照上述选定的余弦函数方程(4)所表示的余弦曲线族轨迹进行铺放，得到第四层碳纤维织物。 

步骤4：将步骤3得到的第一层碳纤维织物、第二层碳纤维织物、第三层碳纤维织物以及第四层碳纤维织物层叠铺放制备铺层(1/2/3/4)_s，使各层的长度和宽度分别对齐，其中1、2、3、4分别表示第一层、第二层、第三层和第四层碳纤维织 物，形成纤维复合材料制件用的含8层碳纤维织物的纤维预成型体； 

步骤5：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，得到碳纤维/环氧树脂复合材料层合板。 

将上述制得的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板按照图1所示的屈曲载荷测试示意图进行屈曲载荷测试。其中，AB边部分夹持，只保留沿X轴方向的自由度；AD边和BC边约束Y轴方向的平动和绕Y轴的转动；CD边完全夹持，约束所有的自由度，施加X方向的轴向压缩载荷，测试碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的屈曲载荷。 

该屈曲载荷相对于对比实施例2测得的屈曲载荷提高了21％。 

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，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。