一种夹层式高性能纤维单向织物及其加工和应用方法
技术领域
本发明涉及纤维织物技术领域，尤其涉及一种夹层式高性能纤维单向织物及其加工和应用方法。
背景技术
随着风电叶片兆瓦数越来越高，叶片长度也越来越长，有些大叶型如果采用玻纤经编单向织物用作大梁，其强度和模量已不能满足叶片的整体设计要求，势必需要一种更高强度的材料来替换。目前复合材料上比玻纤强度模量更高的材料有芳纶，聚乙烯，碳纤维等。
目前生产碳纤维经编单向织物通常采用的方法是0°碳纤维经纱在最上层，在碳纤下层衬上1~N层玻纤细纱，经捆绑将碳纤与玻纤细纱缝制在一起形成碳纤维经编单向织物。由于碳纤维整体偏软，此编织花型一般采用经平捆绑方式，捆绑纱采用热熔性捆绑，这种方式解决了碳纤维经编单向织物偏软易变形的问题，但同时也带来一种问题，叶片大梁不是平板状，而带有一定弧度，在使用此种织物时由于较硬挺而不易随形，从而导致大梁在铺设碳纤维时容易产生鼓包，难以抹平，最终可能会造成大梁褶皱而出现致命问题；同时，经平的捆绑方式容易引起纤维的在垂直于纤维的方向上屈曲，影响复合材料的强度和模量。
鉴于上述情况，本发明人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种夹层式高性能纤维单向织物及其加工和应用方法，使其更具有实用性。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种夹层式高性能纤维单向织物，以解决背景技术中所指出的问题。同时本发明中还请求保护一种夹层式高性能纤维单向织物的加工和应用方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种夹层式高性能纤维单向织物，包括0°纤维经纱层，以及将所述0°纤维经纱层夹设于中间的顶层纤维层和底层纤维层；
所述顶层纤维层和底层纤维层均包括平行的若干根纤维纱线，所述纤维纱线与0°纤维经纱在织物厚度方向上的投影相交设置；
还包括捆绑纱线，所述捆绑纱线设置于所述 0°纤维经纱层中的相邻两束0°纤维经纱之间，用于对所述顶层纤维层和底层纤维层进行捆绑。
进一步地，所述顶层纤维层和底层纤维层中的纤维纱线相对于所述0°纤维经纱成两个方向设置。
进一步地，所述顶层纤维层和底层纤维层中的纤维纱线相对于所述0°纤维经纱成对称设置。
进一步地，所述顶层纤维层和底层纤维层中的纤维纱线成90°设置。
进一步地，所述顶层纤维层和底层纤维层中的纤维纱线在织物厚度方向上的投影错位设置。
进一步地，所述0°纤维经纱层、顶层纤维层和底层纤维层三者各自的纤维种类均选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维或尼龙纤维中的任意一种。
进一步地，所述顶层纤维层或底层纤维层中相邻两束纱线之间的距离相等。
进一步地，所述捆绑纱线的成环距离等于所述顶层纤维层和底层纤维层中相邻两束纱线之间的距离。
进一步地，所述捆绑纱线的成环距离小于所述顶层纤维层和底层纤维层中相邻两束纱线之间的距离，且相邻两束纱线之间的距离等于成环距离的整数倍。
一种夹层式高性能纤维单向织物的加工方法，包括以下步骤：
S1：铺设0°纤维经纱层；
S2：在所述0°纤维经纱层的顶部和底部按照设定间距进行纬向纱线的铺设，形成顶层纤维层和底层纤维层；
S3：对铺设完成的所述0°纤维经纱层、顶层纤维层和底层纤维层进行捆绑，其中捆绑区域位于所述 0°纤维经纱层中的相邻两束0°纤维经纱之间。
进一步地，所述0°纤维经纱层、顶层纤维层和底层纤维层一次性捆绑编织，或者，顶层纤维层或底层纤维层先与0°纤维经纱层进行捆绑编织，在于另外一层级进行捆绑编织。
一种夹层式高性能纤维单向织物的应用方法，用于风电叶片、轨道交通设备和汽车结构中。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中的夹层式高性能纤维单向织物整体结构性更稳定，门幅上只有微小的收缩率，不会造成织物两边重，中间轻的现象，且织物结构整体软硬度适中，易于在大梁模具上随形，且由于纤维纱线不受到拉扯而发生屈曲，使得复合材料性能将更优异。本发明中的夹层式高性能纤维单向织物的加工方法具有同样的技术效果，通过本发明中织物的应用，可提高相应结构的多项性能指标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为0°纤维经纱层、顶层纤维层和底层纤维层的分布示意图；
图2为夹层式高性能纤维单向织物的俯视图；
图3为图2中A处的局部放大图；
图4为顶层纤维层和底层纤维层中的纤维纱线关于0°纤维经纱对称设置的示意图；
图5为顶层纤维层和底层纤维层中的纤维纱线关于0°纤维经纱非对称设置的示意图；
图6为纤维纱线成90°设置，且顶层纤维层和底层纤维层在织物厚度方向上的投影重合设置的示意图；
图7为纤维纱线成90°设置，且顶层纤维层和底层纤维层在织物厚度方向上的投影错位设置的示意图；
图8为捆绑纱线的成环距离等于顶层纤维层和底层纤维层中相邻两束纱线之间的距离的示意图；
图9为图8中B处的局部放大图；
图10为捆绑纱线的成环距离等于顶层纤维层和底层纤维层中相邻两束纱线之间距离的1/2倍的示意图；
图11为图10中C处的局部放大图；
图12为夹层式高性能纤维单向织物的加工方法的流程图；
附图标记：0°纤维经纱层1、顶层纤维层2、底层纤维层3、捆绑纱线4。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“斜”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，其中的描述“横向”、“纵向”为本领域技术人员对织物编织过程中公认的方向性说明。
如图1~3所示，一种夹层式高性能纤维单向织物，包括0°纤维经纱层1，以及将0°纤维经纱层1夹设于中间的顶层纤维层2和底层纤维层3；顶层纤维层2和底层纤维层3均包括平行的若干根纤维纱线，纤维纱线与0°纤维经纱在织物厚度方向上的投影相交设置，即纤维纱线角度为0°＜α≤90°或-90°≤α＜0°；还包括捆绑纱线4，捆绑纱线4设置于 0°纤维经纱层1中的相邻两束0°纤维经纱之间，用于对顶层纤维层2和底层纤维层3进行捆绑。
本发明中的夹层式高性能纤维单向织物在使用的过程中，顶层纤维层2和底层纤维层3本身不存在参与捆绑的形变形式，而仅在捆绑纱线4捆绑的过程中，被捆绑纱线4拉扯而向相邻两0°纤维经纱之间弯曲，此种弯曲的形变量较小，至多不会超出0°纤维经纱层1的厚度范围，因此此种编织方式生产出来的织物整体结构性更稳定，门幅上只有微小的收缩率，不会造成织物两边重，中间轻的现象；同时，顶层纤维层2和底层纤维层3为近似直线型结构，当织物的门幅固定式，此种形式下顶层纤维层2和底层纤维层3中的纱线使用量最小，因此织物结构整体软硬度适中，易于在大梁模具上随形，编制完成后，0°纤维经纱层1的每束纱线均被捆绑在顶层纤维层2和底层纤维层3和两侧的捆绑纱线4形成的环状结构内，因此结构更加稳定，在铺设过程中不会产生因不能随形而产生的褶皱，在上述结构中，由于0°纤维经纱不受到拉扯而发生屈曲，使得复合材料性能将更优异。
作为上述实施例的优选，顶层纤维层2和底层纤维层3中的纤维纱线相对于0°纤维经纱层1中的0°纤维经纱成两个方向设置。如图2和图3中所展示的结构形式，此种形式下可使得织物形成双纬向，细节放大如图3所示，通过双纬向而增加顶层纤维层2和底层纤维层3中的纤维纱线在0°纤维经纱上的覆盖范围，此种范围指两个方向的纤维纱线形成的网状结构的覆盖范围，而并非指单根纤维纱线与0°纤维经纱的接触范围，因此，在增强结构强度的基础场，并不影响材料的硬度。其中，顶层纤维层2和底层纤维层3中的纤维纱线相对于0°纤维经纱层1中的0°纤维经纱成对称设置。如图5所示，展示了不对称的形式，此种结构形式也可实现本发明中的技术目的，但是由于双纬向的不对称性，必然使得织物在宏观上存在不对称性，为了进一步的对结构进行优化，本优选方案中选择对称设置的形式。
作为上述实施例的优选，顶层纤维层2和底层纤维层3中的纤维纱线成90°设置。如图6和7所示，展示了本优选方案中的两种实施方式，此种单纬向的结构形式可进一步的提高织物的柔软性，从而保证更好的形状适应性，可通过控制相连两束纤维纱线间间距的方式对柔软性和结构整体性进行细微的控制，其中，图6中的顶层纤维层2和底层纤维层3在织物厚度方向上的投影重合设置，此种形式下为了保证0°纤维经纱获得有效的支撑捆绑，需要适当增加纤维纱线的设置密度，作为一种优化的方式，如图7所示，可将顶层纤维层2和底层纤维层3在织物厚度方向上的投影错位设置，从而即便在纤维纱线的设置密度降低的情况下，仍可保证0°纤维经纱纱线获得有效的支撑。
作为上述实施例的优选，顶层纤维层2或底层纤维层3中相邻两束纱线之间的距离相等，此种距离控制的目的，同样在于保证织物的结构对称性。
作为上述实施例的优选，0°纤维经纱层1、顶层纤维层2和底层纤维层3三者各自的纤维种类均选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维或尼龙纤维中的任意一种。在具体实施过程中，0°纤维经纱层1可选择碳纤维，而顶层纤维层2和底层纤维层3均可选择玻纤，此种匹配方式可作为一种较佳的实施方式而适应目前的市场需求。
其中，捆绑纱线4的成环距离等于顶层纤维层2和底层纤维层3中相邻两束纱线之间的距离。如图8和9所示，展示了此种形式，通过上述方式的实施在保证捆绑效果和织物结构稳定性的同时，降低捆绑工艺的时间，同时减少捆绑纱线4的用量，可进一步的提高织物的形状适应性。
或者，捆绑纱线4的成环距离小于顶层纤维层2和底层纤维层3中相邻两束纱线之间的距离，且相邻两束纱线之间的距离等于成环距离的整数倍。如图10和11所示，此种形式仍然能够保证有效的捆绑，可在相连两束纱线之间间距较大时使用，通过增加成环数量也可提高捆绑纱线4位置处的结构强度，从而在整个织物范围内形成近似框架支撑结构的形式，可在一定程度上保证织物的形状稳定性。
一种夹层式高性能纤维单向织物的加工方法，包括以下步骤：
S1：铺设0°纤维经纱层1；
S2：在0°纤维经纱层1的顶部和底部按照设定间距进行纬向纱线的铺设，形成顶层纤维层2和底层纤维层3；
S3：对铺设完成的0°纤维经纱层1、顶层纤维层2和底层纤维层3进行捆绑，其中捆绑区域位于 0°纤维经纱层1中的相邻两束0°纤维经纱之间。
此种加工方式可形成上述实施例中的夹层式高性能纤维单向织物，且具有与上述同样的技术效果。
进一步地，0°纤维经纱层1、顶层纤维层2和底层纤维层3一次性捆绑编织，或者，顶层纤维层2或底层纤维层3先与0°纤维经纱层1进行捆绑编织，再与另外一层级进行捆绑编织，上述两种捆绑编织方式的不同，会使得相邻两束0°纤维经纱之间的捆绑纱线4的数量的不同，此种不同会使得织物的柔软性不同，可根据实际需要进行选择，但上述工艺方式均在本发明的保护范围内。
一种夹层式高性能纤维单向织物的应用方法，用于风电叶片、轨道交通设备和汽车结构中，从而有效的改善上述各结构的加工方式和使用性能，适于推广。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
