多层机织物复合材料及成型模具和方法 本申请为分案申请。原申请案发明名称为“多层机织物及其复合材料、成型模具和方法”，申请日为970627，申请号为：97112582.1。
本发明涉及以多层机织物为骨架构成的复合材料制造技术，国际专利分类拟为D03D11/00。
蜂窝板是一种多孔板材，由于孔的截面呈正六边形，类似天然蜂窝而得名。该材料具有重量轻，耐压性好等特点，可以作飞机的填充材料，建筑物的夹层材料，也可作流体的输送管道。《增强复合材料手册》(Stuart M.Lee,Handbook Of Composite Reinforcement,VCH Publishers Inc,New York,NewYork,USA,1993,P177)中介绍了传统蜂窝板的结构和制作方法：一种是铝箔或纸板粘合法。该方法首先将铝箔或纸板层叠，在相应处涂以粘合剂，再沿纵向拉伸定型，便可得到蜂窝状板材(参见图1)。采用该方法制作的蜂窝状板材，缺陷是孔的形状不能保持方正、外形不美观、耐压和整体性能较差，且容易从粘合处开裂。另一种是瓦楞板粘合法。该方法为克服前述方法不能使孔眼方正、外形不美观的缺点，采用了先将铝箔或纸板经过挤压，制成瓦楞板，再用粘合剂粘合制成蜂窝板的方法(参见图2)。这种蜂窝板外观整齐，孔眼方正，但耐压和整体性仍较差，且也易从粘合处开裂。这两种方法制作的蜂窝板，材料单一，粘接成形，其强度、耐压性、整体性和耐层间剪切性等方面均不够理想，也不能称为复合材料。
欧州专利EP88105206.2号介绍了一种利用机织工艺、用纱线先织出整体的蜂窝骨架，再与树脂复合制作复合材料蜂窝板的新方法。该方法利用机织工艺使经纱1、纬纱2交织成机织物3(参见图3)后，利用牵拄使孔张开，然后浸入树脂溶液，取出晾干，即可得到蜂窝状复合材料。这种成型方式可以使复合材料的结构整体性提高，强度增加，从而改善了承载能力，扩大了材料的应用范围。这种材料虽改善了蜂窝板的性能，但该方法仍存在着以下缺点：1．该多层织物3是由单层的织物在局部连接而成，每层均采用平纹组织。在两层地结合处，使用了重平组织，使织物3的密度不匀；2．在多层织物3的层间结合处，经纱成对与纬纱交织，经纬纱交织比较剧烈，经纱密度较大，在与树脂复合时由于纱线密度的变化，会造成树脂的不均匀渗透，从而影响最终产品的性能；3．该机织物在层间结合处使用了单层纬纱，因而层间结合处的强度较低；4．因该方法采用牵拉法成孔，其孔的形状不能保证匀整一致，因此也影响复合材料的性能和外观。
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种质地均匀、孔形规范、力学性能优良的多层机织物复合材料，以及该复合材料的成型模具和成型方法。
本发明是如下实现的：
1．设计一种特殊的多层机织物3作骨架来制造复合材料。该多层机织物3每层仍采用平纹组织，其特征是：在每相临两层织物交织点4处的四根经纱1中，有两根经纱1不与相应处的纬纱2交织，呈直线状态布置。另外两根经纱1则与相应处的两层纬纱2交织，使该相应处的两层织物连接在一起，进而有规律地使多层织物交织连接成为整体的多层机织物3；在未交织连接在一起的相临两层织物之间交错形成层间缝5。
2．以第1点提供的多层机织物3为依据，相应设计制造所述复合材料成型模具。其特征是它包括上、下齿形压模6、6＇，边板7，成孔钢柱8和边孔钢柱9；所述的成孔钢柱8的截面为正六边形或圆形，且该形状应与所述的多层机织物3的层间缝5成孔后的形状5＇相一致；上、下齿形压模6、6＇的内齿形10及边孔钢柱9的截面形状与所述成孔钢柱8的截面形状的1/2相一致。
3．利用第2点所设计的成型模具，按照下述成型方法，制造所述复合材料。
(1)将第2点所述的成型模具涂以脱模剂；
(2)将所述的成孔钢柱8逐一插入所述多层机织物3的层间缝5中后，置于下齿形压模6＇上；
(3)将所述的边孔钢柱9逐一插入所述的多层机织物3的层边缝5"内后，用所述的边板7分别挤靠在多层机织物3的两侧，使之与下齿形压模6＇构成一个槽形整体；
(4)浇注树脂；
(5)合上上齿形压模6后，加压；
(6)室温下，静置24小时后，脱模；
(7)取出成型模具，得复合材料。本发明复合材料的骨架多层机织物3在其相邻两层织物的交织点4处设计了独特的交织方法，改变了现有技术重平组织的结构，明显改善了织物的密度不匀，有利于减少摩擦，使织造工艺顺利进行及其在制作复合材料时的树脂均匀渗透；其交织点4处包括两层纬纱，大大提高了层间结合的强度，有利于提高织物的整体性、强度及抗层间剪切性等力学性能；例如：本发明织物与现有技术织物在采用相同经纬纱密度和上机参数作对比实验时，可以看出如下差异：
本发明技术 观有技术
织经纱断头数(根/10M) 2 12
造梭口清晰度 基本清晰 经纱起毛，梭口不清
工织物手感 均匀柔和 局部发硬
艺纱线配置 均匀 不均匀
复材料断面 树脂分布均匀 层间结合处有气泡
合蜂窝孔眼外观 光滑方正 粗糙，不规则
材 边缘清晰 边缘模糊
料蜂窝孔最长边与最
短边之差与正常边 ＜2％ 30％左右
之比(％) 最高50％
力剪切应力(MPa) 2.17 1.54
学
特
性
可以看出，由于本发明的机织物3的特性优良，以其为骨架制作的复合材料的性能也就有内在的质量保证和支持。同时，为了进一步强化或提高本发明复合材料的性能，以便其有更广泛的用途，本发明一并设计了本发明复合材料的成型模具和成型方法。本发明配套设计的成型模具，可以使复合材料的蜂窝孔成形方正，边缘清晰，表面光滑，外观漂亮。这种可称为支撑成孔法工艺能达到的外在效果是现有技术中拉伸成孔法工艺远不可比拟的，并且这种规范几何形状的蜂窝孔也大大提高了复合材料的内在力学质量。本发明的支撑成孔法所设计的成型模具结构简单，加工容易，无动力消耗，其成本也低于现有拉伸成孔法工艺所要求的拉伸机。本发明配套设计的本发明复合材料成型方法与现有技术的成型方法相比，具有工艺简捷，操作容易，适应性强的特点。
下面结合实施例及其附图详述本发明：
图1为传统铝箔或纸板粘合法蜂窝板制造方法示意图(供对比参考)；
图2为传统瓦楞板粘合法蜂窝板制造方法示意图(供对比参考)；
图3为现有技术中作复合材料骨架的多层机织物3的结构示意图(供对比参考)；
图4为本发明多层机织物3为三层时结构示意图；
图5(a)为本发明多层机织物3为六层时结构示意图；
图5(b)为本发明多层机织物3为六层时理想成孔后结构示意图；
图6为本发明多层机织物3为八层时结构示意图；
图7为本发明复合材料的成型模具截面形状示意图；
图8为本发明利用所述成型模具制作本发明复合材料的成型方法示意图。
本发明的关键是设计一种新结构的多层机织物3，以取代现有技术并用其作复合材料的骨架。本发明改进现有技术多层机织物3的着眼点在于多层机织物3的层间连接点或交织点4。本发明的具体设计其特征是：在每相临两层织物交织点4处的四根经纱1中，有两根经纱1不与相应处的纬纱2交织，呈直线状态布置；另外两根经纱1则与相应处的两层纬纱2交织，使该相应处的两层织物连接在一起，进而有规律地使多层织物交织连接成为整体的多层机织物3；在未交织连接在一起的相临两层织物之间交错形成层间缝5。本发明的多层机织物3每层仍采用平纹组织，但在每相临两层的交织点4处，有两根经纱1局部呈直线状态配置，不与纬纱2交织，即在织物中没有屈曲变形，既避免了现有技术织物组织因四根经纱1同时与纬纱2交织引起的局部纱线密度过大现象，又可以最大限度地保持经纱的自身强力，同时也可以减少构件承受外力时引起的变形，构件复合时树脂也可以均匀渗透。另一方面，本发明的多层机织物3中相邻两层的交织点4处，两根经纱交织了双层纬纱2，有助于提高层间的结合力。
本发明的多层机织物3可以是3-8层。这主要取决于复合材料的性能和厚度尺寸的实际需要。多层机织物3中的层间缝5的大小(也即复合后成孔的大小)主要取决于纬纱特数，纬纱密度及层间交织点4处的纬纱2的根数。设计层数和层间缝5大小时还应考虑到织机设备的条件，如综框容量、梭箱个数等。
现以六层机织物3(参见图5)为实施例作详细说明：原料采用玻璃长丝，经、纬纱1、2均为1200Tex。在织物交织点4处，设计层间交织纬纱2为3根(即成孔后蜂窝孔每边布置3根纬纱，这一参数与所述层间缝5的大小相关)。使用的设备为H212型有梭织机，45号钢筘，每个筘齿穿入6根经纱，机上经纱密度为270根/10cm，纬纱密度为269.2根/10cm；织造时使用六只梭子，每只梭子负责织造一层，在层间交织点4处可以任选相邻两层中的一只梭子织造，但该只梭子一旦确定，织造过程中不能更换，因为这与经纱的弯折路线进而经纱的长度(用量)有关。除多层机织物3的上下(A、F)两层外，各层(B-E)使用的经纱量均相同，生产时可统一控制这些经纱的送经量。还需说明的是，在经纱穿筘时应采用合理的穿筘顺序，否则，会使织物向一边倾斜。
还应该指出的是：在织造过程中，在梭口满开的瞬间，织机上的经纱达到最大长度，而在综平时，经纱应回缩到最短长度，但采用模量较高，弹性较小的玻璃纤维时，纱线收缩较少，会造成开口不清。本发明采用在每根经纱尾部悬挂重物的方法来控制经纱的张力，使织造过程中经纱始终保持均匀的张力，开口清晰。另外，玻璃长丝是电的不良导体，织造中经纱1摩擦会产生静电，静电聚积，使织造困难，因此车间要保持一定的相对湿度。
图4、图6分别给出了三层和八层本发明多层机织物3的断面结构示意图。其织法可与上述六层实施例相同。无论几层，其工艺参数可根据实际情况设计，如原料还可以采用碳纤维、芳纶纤维等；使用特数范围可为：800-2500Tex；交织点4处交织的纬纱2可为3-20根等。筘号，上机经纬纱密度等均可作合理的调整。
本发明的多层机织物3主要用于作复合材料的骨架，其层数一般依赖于复合材料的厚度要求；其层间缝5的大小，取决于复合材料力学特性要求。图4-图6中分别以abcdef相同的符号表示了层间缝5的大小，图5(b)还特别给出了层间缝5理想成孔后的结构示意，对六层机织物3实施例来说，就是每边为3根纬纱直径的正六边形。本发明多层机织物3相邻层间交错形成的层间缝5，理想成孔后，即可形成标准蜂窝状复合材料骨架(如图5(b)和图8所示)。当然层间缝5的成孔形状不一定全采用正六边形，依要求还可采用圆形等特殊几何图形。
为克服现有技术复合材料成孔不良等缺点，本发明提出了一种称为支撑成孔法的复合材料成型方法。以该方法取代现有技术的拉伸成型法，可使复合材料蜂窝孔成孔规范，均匀一致，外观漂亮，从而也改善了复合材料的内在质量。为实现这一新方法，专门设计了成型模具(参见图7)。其特征是它包括上、下齿形模6、6＇、边板7、成孔钢柱8和边孔钢柱9；所述的成孔钢柱8的截面为正六边形或圆形，且该形状应与所述的多层机织物3的层间缝5成孔后的形状5＇相一致；上、下齿形压模6、6＇的内齿形10及边孔钢柱9的截面形状与所述成孔钢柱8的截面形状的1/2相一致，也即成型模具应与多层机织物3的工艺参数(如经纬纱特数、层间交织纬纱根数、上机经纬纱密度等)以及常用复合材料的几何形状(如厚度、宽度、成孔形状要求等)规范化、系列化配套设计，以更切合实际应用，实现本发明的目的。这里所述的复合材料几何形状意味着作为产品的复合材料不一定是板材，可以依靠配套设计的成型模具制成实际需要的其它形状。
本发明提出的支撑成孔法复合材料成型方法的基本步骤是(参见图8)：
1．将所述的成型模具涂以脱模剂；
2．将所述的成孔钢柱8逐一插入所述多层机织物3的层间缝5中后，置于下齿形压模6＇上；
3．将所述边孔钢柱9逐一插入所述的多层机织物3的层边缝5"内后，用所述的边板7分别挤靠在多层机织物3的两侧，使之与下齿形压模6＇构成一个槽形整体；
4．浇注树脂；
5．合上上齿形压模6后，加压；
6．室温下，静置24小时后，脱模；
7．取出成型模具，得复合材料。
在所述的成型方法中，加压应适当，其目的是挤出多余的树脂，并促进树脂均匀渗透。这一外在条件与本发明多层机织物3的织物结构内在特征相协调配合可保证本发明复合材料质地和外观的均匀一致性，从而提高其内在质量。
本发明复合材料所用的树脂可采用不饱和聚酯树脂、过氧化环己酮固化剂、苯酸钴促进剂按一定比例制成的均匀混合液。固化时间以24小时为宜，太短与太长都不利于复合材料的理想成型。