一种变密度的三维织物及其织造方法
阅读说明：本技术 一种变密度的三维织物及其织造方法 (Variable-density three-dimensional fabric and weaving method thereof ) 是由 王群 朱梦蝶 李小欢 刘延友 胡方田 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种变密度的三维织物及其织造方法,所述三维织物的密度沿厚度方向、宽度方向或长度方向中的一种方向变化或两种以上方向同时变化,变密度的三维织物通过层连结构连接,不同密度区域界面层间相互连接、纱线连续,整体连续织造成型。本发明的变密度的三维织物具有组织结构多样、织物尺寸控制范围大、可设计性强、结构紧密、整体性好、织造过程简单、适于连续化织造等优点,用该织物复合增强的变密度材料具有低热胀系数、高耐热性、高比强度、高比模量、抗冲击、耐磨损和抗老化等优点,可广泛应用于汽车、航空、航天、机械制造、石油等领域。(The invention discloses a variable-density three-dimensional fabric and a weaving method thereof, wherein the density of the three-dimensional fabric changes along one direction or more than two directions of the thickness direction, the width direction or the length direction, the variable-density three-dimensional fabric is connected through a layer connecting structure, the interface layers of different density areas are connected with each other, the yarns are continuous, and the three-dimensional fabric is integrally and continuously woven and formed. The variable-density three-dimensional fabric has the advantages of various organizational structures, large fabric size control range, strong designability, compact structure, good integrity, simple weaving process, suitability for continuous weaving and the like, and the variable-density material compositely reinforced by the fabric has the advantages of low thermal expansion coefficient, high heat resistance, high specific strength, high specific modulus, impact resistance, wear resistance, ageing resistance and the like, and can be widely applied to the fields of automobiles, aviation, aerospace, mechanical manufacturing, petroleum and the like.)
技术领域
本发明涉及立体织物织造技术领域，具体涉及一种三变密度的三维织物及其织造方法。
背景技术
变密度材料是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续变化的一种新型复合材料，其力学性能和功能沿某一方向连续变化，是应现代航天航空工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。变密度材料具有低热胀系数、高耐热性，具有增强材料结构的表面性能，在动力结构方面的高比强度、高比模量、抗冲击、耐磨损和抗老化等优点，倍受人们青睐，未来在汽车、航空航天、机械制造、石油等领域均可得到广泛应用。
变密度复合材料具有良好的整体性和层间性能，而变密度织物作为复合材料的增强体，是变密度复合材料的关键。目前，变密度织物主要是通过三维编织工艺、细编穿刺工艺、机织工艺、针刺工艺来实现。
中国专利CN 107956024A介绍了一种梯度结构三维织物及其制备方法，各层经纱、纬纱通过捆绑纱捆绑为一体，同一截面上的不同层的纬纱直径从上至下逐层递减，使同一层上相邻纬纱之间的空隙呈梯度变化。这种织物存在连接方式单一、结构单一、密度变化形式单一，织物的成型依靠捆绑纱将经纬纱捆绑为一体，织物层间连接性能较弱，且在厚度方向上存在大量梯度孔隙，织物整体性较差，强度及力学性能较低，不利于其满足各个不同领域上的广泛应用需求。
中国专利CN 110284256A介绍了一种沿厚度方向变密度织物的三维编织方法，以三维四步编织法为基础，将编织纱分为里层编织纱和加密外层编织纱，让里层编织纱和加密外层编织纱按顺序交换位置，使加密层的纤维部分与非加密部分编织在一起，通过里外层换纱的方式，使各层纱之间连接紧密，实现沿厚度方向变密度织物的编织。这种织物存在连接方式单一、结构单一、密度变化形式单一，无法实现连续化织造，织物均匀性较差，且三维编织的致密结构限制了其在各个不同领域的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是针对目前变密度三维织物连接方式单一、结构单一、密度变化形式单一、无法实现连续化织造、难以满足各个不同领域的广泛应用需求的问题，提供一种变密度的三维织物及其织造方法。
本发明采用的第一技术方案是：所述三维织物的密度沿厚度方向、宽度方向或长度方向中的一种方向变化或两种以上方向同时变化，变密度的三维织物通过层连结构连接，不同密度区域界面层间相互连接、纱线连续，整体连续织造成型。
本发明采用的第二技术方案是在第一技术方案上的改进，本发明采用的第二技术方案是：所述层连结构为正交三向、浅交弯联、浅交直联、深交弯联、深交直联、斜纹、缎纹或空芯夹层结构中的一种或两种以上。
本发明采用的第三技术方案是在第一或第二技术方案上的改进，本发明采用的第三技术方案是：所述三维织物使用一种或两种以上高性能纤维混合织造而成。
本发明采用的第四技术方案是在第一、第二或第三技术方案上的改进，本发明采用的第四技术方案是：所述三维织物使用一种细度或两种以上细度的纱线织造而成。
本发明采用的第五技术方案是在第一、第二或第三技术方案上的改进，本发明采用的第五技术方案是：所述三维织物使用一种或两种以上股数配比的纱线织造而成。
本发明采用的第六技术方案是在第一、第二或第三技术方案上的改进，本发明采用的第六技术方案是：所述三维织物的经纱密度为一种或两种以上。
本发明采用的第七技术方案是在第一、第二或第三技术方案上的改进，本发明采用的第七技术方案是：所述三维织物的纬纱密度为一种或两种以上。
本发明采用的第八技术方案是在第一、第二或第三技术方案上的改进，本发明采用的第八技术方案是：所述三维织物的密度变化范围为0.08g/cm3-1.5g/cm3。
本发明采用的第九技术方案是在第一至八技术方案上的改进，本发明的第九技术方案是：变密度的三维织物的织造方法包括各密度区域单独织造的步骤，及各不同密度区域界面连接处织造的步骤。
本发明采用的第十技术方案是在第九技术方案上的改进，本发明采用的第十技术方案是：具体包括依次连接的以下步骤：
(1)根据织物不同密度区域的组织结构、不同密度区域界面连接结构、纱线种类、纱线细度、纱线股数配比、经纱密度、纬纱密度的要求，进行织物经纱层列数的排列，形成X层、Y列经纱；
(2)将每层每根经纱穿过对应的经纱张力控制装置以控制经纱的张力；
(3)根据经纱层列数的排列将经纱分别穿进相应的综丝及筘齿中；
(4)逐根调整经纱张力，使其满足织造要求；
(5)根据织物的组织结构要求，依次按照第一密度区、第一密度区与第二密度区界面连接处、第二密度区、第二密度区与第三密度区界面连接处、第三密度区……第N-1密度区与第N密度区界面连接处、第N密度区的顺序，提综装置根据经纱交织规律开始自下而上或自上而下循环运动，带动相应的经纱自下而上或自上而下循环运动，每次运动形成等高度开口；
(6)每次形成开口后，由引纬装置引入一根纬纱，完成引纬后，打纬装置向织物织口水平移动，将纬纱打进织口，完成打纬；
(7)打纬完成后，根据织物的纬密要求将织物向成型方向牵引一定距离，完成牵引后，进行下一个运动循环，直至完成整个织物的织造。
本发明的有益效果：本发明所得变密度的三维织物，通过织物结构变化、纱线种类变化、纱线细度变化、纱线股数配比变化、经纱密度变化、纬纱密度变化均可实现三维织物沿厚度方向、沿宽度方向、沿长度方向的密度变化，整体连续织造成型，织物层间连接，具有组织结构多样、织物尺寸控制范围大、可设计性强、结构紧密、整体性好、织造过程操作简单、适于连续化织造等优点。用该类型织物复合增强的变密度材料具有低热胀系数、高耐热性、高比强度、高比模量、抗冲击、耐磨损和抗老化等优点，可广泛应用于汽车、航空、航天、机械制造、石油等领域。
附图说明
图1为本发明第一实施例的沿厚度方向变密度的三维织物的结构示意图。
图2为本发明第一实施例的第一密度区上面板层的经纱运动规律示意图。
图3为本发明第一实施例的第一密度区中间芯层的经纱运动规律示意图。
图4为本发明第一实施例的第一密度区下面板层的经纱运动规律示意图。
图5为本发明第一实施例的第一密度区上面板层与中间芯层交织的经纱运动规律示意图。
图6为本发明第一实施例的第一密度区下面板层的经纱运动规律示意图。
图7为本发明第一实施例的第一密度区上面板层的经纱运动规律示意图。
图8为本发明第一实施例的第一密度区下面板层与中间芯层交织的经纱运动规律示意图。
图9为本发明第一实施例的第一密度区与第二密度区的界面连接处及第二密度区的经纱运动规律示意图。
图10为本发明的第一实施例的第二密度区与第三密度区的界面连接处及第三密度区的经纱运动规律示意图。
图11为本发明第二实施例的沿厚度方向和宽度方向同时变密度的三维织物的结构示意图。
图12为本发明第二实施例的厚度方向第一密度区的经纱运动规律示意图。
图13为本发明第二实施例的厚度方向第一密度区与厚度方向第二密度区的界面连接处及厚度方向第二密度区的经纱运动规律示意图。
图14、图15为本发明第二实施例的厚度方向第二密度区与厚度方向第三密度区的界面连接处及厚度方向第三密度区的经纱运动规律示意图。
图16为本发明第三实施例的沿厚度方向和长度方向同时变密度的三维织物的结构示意图。
图17为本发明第三实施例的厚度方向第一密度区的经纱运动规律示意图。
图18为本发明第三实施例的厚度方向第一密度区与厚度方向第二密度区的界面连接处及厚度方向第二密度区的经纱运动规律示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
参阅图1，本实施例提供一种沿厚度方向变密度的三维织物，本实施例通过组织结构变化和纬纱密度变化实现织物沿厚度方向三个区域的密度变化，第一密度区11的组织结构为空心夹层，第二密度区13的组织结构为浅交弯联，第三密度区15的组织结构为正交三向，第一密度区与第二密度区的界面连接处12采用浅交弯联结构连接，第二密度区与第三密度区的界面连接处14采用浅交弯联结构连接，纱线连续。
在本实施例中，变密度三维织物选用500tex玻璃纤维织造。
实施例1的变密度的三维织物的工艺参数如表1所示。
表1实施例1的变密度三维织物工艺参数
参阅图2～图10，本实施例的变密度的三维织物的织造方法包括以下步骤：
1、根据织物尺寸、各不同密度区域组织结构、密度的要求，进行各密度区域经纱层列数的排列；
2、将每层每根经纱穿过经纱张力控制装置以控制经纱的张力；
3、按照经纱层列数的排列，将每层经纱的第一根经纱逐根穿入第一列综丝中，然后穿入同一个筘齿；每层经纱的第二根经纱逐根穿入第二列综丝中，然后穿入同一个筘齿，以此规律将各层经纱逐根穿入相应的综丝中，然后穿入相应的筘齿；
4、逐根调整经纱张力，保证其满足织造要求；
5、根据设定的织物组织结构的要求，提综装置开始自下而上或自上而下循环运动，带动相应的经纱自下而上或自上而下循环运动，每次运动形成等高度开口，具体运动步骤依次如下：
5.1、第一密度区11的空芯夹层结构的单独织造，各层经纱运动规律如图2～图8所示；
5.2、第一密度区与第二密度区的界面连接处12的织造以及第二密度区13的浅交弯联结构的织造，各层经纱运动规律如图9所示；
5.3、第二密度区与第三密度区界面连接处14的织造以及第三密度区15的正交三向结构的织造，各层经纱运动规律如图10所示。
6、每次形成开口后，由引纬装置引入一根纬纱，完成引纬后，打纬装置向织物织口水平移动，将纬纱打进织口，完成打纬；
7、打纬完成后，根据设定的织物的纬密将织物向成型方向牵引一定距离，完成牵引后，进行下一个运动循环，直至完成整个织物的织造。
实施例2
参阅图11，本实施例提供了一种沿厚度方向和宽度方向同时变密度的三维织物，通过结构变化、经纱密度变化、纱线细度变化、纱线种类变化实现织物沿厚度方向三个区域及沿宽度方向三个区域的密度变化，厚度方向第一密度区21的组织结构为正交三向，厚度方向第二密度区23的组织结构为浅交弯联，厚度方向第三密度区25的组织结构为浅交直联，厚度方向第一密度区与第二密度区的界面连接处22采用浅交弯联结构连接，厚度方向第二密度区与第三密度区的界面连接处24采用浅交直联结构连接，宽度方向第一密度区使用190tex石英纤维，宽度方向第二密度区使用220tex石英纤维，宽度方向第三密度区使用330tex玻璃纤维，各结构界面连接处层间连接、纱线连续。
在本实施例中，变密度三维织物选用190tex石英纤维、220tex石英纤维及330tex玻璃纤维织造。
实施例2的变密度三维织物的工艺参数如表2所示。
表2实施例2的变密度三维织物工艺参数
参阅图12～图15本实施例的变密度三维织物的织造方法包括以下步骤：
1、根据织物尺寸、各不同密度区域组织结构、密度的要求，进行各密度区域经纱层列数的排列；
2、将每层每根经纱穿过经纱张力控制装置以控制经纱的张力；
3、按照经纱层列数的排列，将每层经纱的第一根经纱逐根穿入第一列综丝中，然后穿入同一个筘齿；每层经纱的第二根经纱逐根穿入第二列综丝中，然后穿入同一个筘齿，以此规律将各层经纱逐根穿入相应的综丝中，然后穿入相应的筘齿；
4、逐根调整经纱张力，保证其满足织造要求；
5、根据设定的织物组织结构的要求，提综装置开始自下而上或自上而下循环运动，带动相应的经纱自下而上或自上而下循环运动，每次运动形成等高度开口，具体运动步骤依次如下：
5.1、厚度方向第一密度区21的正交三向结构的单独织造，各层经纱运动规律如图12所示；
5.2、厚度方向第一密度区与厚度方向第二密度区的界面连接处22的织造以及厚度方向第二密度区23的浅交弯联结构的织造，各层经纱运动规律如图13所示；
5.3、厚度方向第二密度区与厚度方向第三密度区界面连接处24的织造以及厚度方向第三密度区25的浅交直联结构的织造，各层经纱运动规律如图14、图15所示。
6、每次形成开口后，由引纬装置引入一根纬纱，完成引纬后，打纬装置向织物织口水平移动，将纬纱打进织口，完成打纬；
7、打纬完成后，根据设定的织物的纬密将织物向成型方向牵引一定距离，完成牵引后，进行下一个运动循环，直至完成整个织物的织造。
实施例3
参阅图16，本实施例提供了一种沿厚度方向及沿长度方向同时变密度的三维织物，通过组织结构变化、纬纱密度变化、纱线股数配比变化实现织物沿厚度方向两个区域及沿长度方向两个区域的密度变化，厚度方向第一密度区31的组织结构为正交三向，厚度方向第二密度区33的组织结构为浅交弯联，第一密度区与第二密度区的界面连接处32采用浅交弯联结构连接，长度方向第一密度区选用纱线股数配比为1：1，长度方向第二密度区选用纱线股数配比为1：2，各不同结构界面连接处层间连接、纱线连续。
在本实施例中，变密度三维织物选用330tex玻璃纤维织造。
实施例3的变密度三维织物的工艺参数如表3所示。
表3实施例3的变密度三维织物工艺参数
参阅图17～图18，本实施例的变密度三维织物的织造方法包括以下步骤：
1、根据织物尺寸、各不同密度区域组织结构、密度的要求，进行各密度区域经纱层列数的排列；
2、将每层每根经纱穿过经纱张力控制装置以控制经纱的张力；
3、按照经纱层列数的排列，将每层经纱的第一根经纱逐根穿入第一列综丝中，然后穿入同一个筘齿；每层经纱的第二根经纱逐根穿入第二列综丝中，然后穿入同一个筘齿，以此规律将各层经纱逐根穿入相应的综丝中，然后穿入相应的筘齿；
4、逐根调整经纱张力，保证其满足织造要求；
5、根据设定的织物组织结构的要求，提综装置开始自下而上或自上而下循环运动，带动相应的经纱自下而上或自上而下循环运动，每次运动形成等高度开口，具体运动步骤依次如下：
5.1、厚度方向第一密度区31的正交三向结构的单独织造，各层经纱运动规律如图17所示；
5.2、厚度方向第一密度区与厚度方向第二密度区的界面连接处32的织造以及厚度方向第二密度区33的浅交弯联结构的织造，各层经纱运动规律如图18所示；
6、每次形成开口后，由引纬装置引入一根纬纱，完成引纬后，打纬装置向织物织口水平移动，将纬纱打进织口，完成打纬；
7、打纬完成后，根据设定的织物的纬密将织物向成型方向牵引一定距离，完成牵引后，进行下一个运动循环，直至完成整个织物的织造。
通过上述实施例可以看出，需根据织物尺寸、各不同密度区域织物密度的要求，通过调整各密度区域的织物结构、纱线种类、纱线细度、纱线股数配比、经密、纬密等方式来实现织物的密度变化，根据各密度区域的结构参数进行经纱层列数的排列，按照各密度区域组织结构的要求进行经纱的规律运动，依次开口引纬织造就可以得到满足要求的变密度的三维织物。本发明所获得的变密度的三维织物，整体连续织造成型，织物层间连接，具有组织结构多样、织物尺寸控制范围大、可设计性强、结构紧密、整体性好、织造过程操作简单、适于连续化织造等优点。用该类型织物复合增强的变密度材料具有低热胀系数、高耐热性、高比强度、高比模量、抗冲击、耐磨损和抗老化等优点，可广泛应用于汽车、航空、航天、机械制造、石油等领域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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