一种沿横纵向变密度三维织物、其复合材料及其

本发明涉及一种沿横纵向变密度三维织物、其复合材料及其制备方法，属于纺织和复合材料。背景技术：1、纺织复合材料具有质量轻、可设计性强、力学性能突出等特点，被广泛应用于航空航天、交通运输、风力发电和体育休闲等领域。织物作为纺织复合材料的增强体，为复合材料的力学性能和轻量化设计做出了重要贡献。2、纺织复合材料中织物通常包括单向织物、二维织物和三维织物。其中单向织物和二维织物由于织物相对较薄，需通过层叠的方式制备复合材料；在外力作用下虽然具有明显的层间失效形式，但其可设计性强，例如可通过局部铺层的方式提高复合材料产品局部区域的力学性能，而在复合材料的非主承力区域无需进行增强，该方式还可以避免高性能纤维织物的浪费，降低复合材料产品的生产成本。具有一定厚度且整体性较好的三维织物可采用单层整块织物制备复合材料，解决了复合材料层合板的层间失效问题，复合材料的整体力学性能均衡。但针对复合材料的非主承力区域存在过度设计，而在复合材料的主承力区域若需要进行局部加强，往往采用增加织物铺层层数来提高其力学性能，致使复合材料产品表面厚度不均匀。3、综上可以发现，现有三维织物在制备复合材料的过程中所面临的问题如下：一方面是在不改变复合材料厚度的基础上无法满足同一复合材料不同区域力学性能的要求；另一方面在复合材料非主承力区域由于存在过度设计不利于节省高性能纤维和降低生产成本。所以，变密度织物随之产生。4、目前，变密度织物包括两大类，一类是变密度全幅衬纬织物，一类是可变密度梭织面料；其中，变密度全幅衬纬织物(例如：cn117026496a)仅可实现织物纵向方向变密度，无法实现横向或横纵向同时变密度，衬纬纱是有穿过捆绑纱线圈(力学性能会受到影响)，且变密度是通过纱线根数实现(具体位置通过纱线铺设与切割)；可变密度梭织面料是通过控制经纱和纬纱密度实现的，所实现的密度变化必须是贯穿整个织物横向长度和纵向长度的，即无法实现整块织物任意区域的变密度，且纱线需要参与编织(力学性能会受到影响)。技术实现思路1、[技术问题]2、现有的三维织物无法满足同一复合材料不同区域力学性能的要求；3、现有的变密度织物无法实现横向或横纵向同时变密度；且力学性能会受到影响。4、[技术方案]5、为了解决上述问题，本发明提供了一种沿横纵向变密度三维织物、其复合材料及其制备方法。具体的，本发明是通过设计三维织物内部的衬纬纱的编织工艺实现织物在横向、纵向或同时在横纵向密度变化，横密是通过衬纬纱织造距离，纵密是通过衬纬纱织造次数实现。本发明可以实现在同一织物上任意位置设置其密度变化，且力学性能可以根据需要通过调整编织工艺来实现。6、本发明的第一个目的是提供一种制备沿横纵向变密度三维织物的方法，所述的方法是通过设计三维织物内部的衬纬纱的编织工艺实现在横向、纵向或同时在横向和纵向密度变化；且，所有衬纬纱为完整无断头纱线；7、其中，沿横向变密度三维织物通过连续织造多组在横向跨越织针数量不同的衬纬纱形成；8、沿纵向变密度织物通过织造不同连续组数的衬纬纱形成；9、沿横向和纵向变密度织物通过连续织造多组在横向跨越织针数量不同的衬纬纱和织造不同连续组数的衬纬纱形成。10、在本发明的一种实施方式中，所述的方法是在双针床电脑横机上编织含衬纬纱的三维织物；其中，三维织物由上表面层、下表面层、间隔纱和衬纬纱组成；上表面层和下表面层为平纹组织结构；间隔纱采用集圈组织编织将上表面层和下表面层连接成三维织物；间隔纱和衬纬纱均位于三维织物内部；三维织物内部的所有衬纬纱为完整无断头纱线。11、在本发明的一种实施方式中，所述的方法中沿横向变密度三维织物的编织工艺包括如下步骤：12、首先使用一种纱线在双针床电脑横机的前针床编织一个横列作为三维织物上表面层，再在双针床电脑横机的后针床上编织一个横列作为三维织物下表面层，然后使用同一种纱线或不同种纱线从针床的左侧向右编织一定长度的衬纬纱，衬纬纱编织结束前使用一针或几针集圈组织对衬纬纱进行束缚，从而固定衬纬纱长度且可防止衬纬纱反向编织时发生松散而影响后期成圈纱线的编织；当衬纬纱从针床右侧向左侧编织时，衬纬纱编织结束前使用一针或几针集圈组织对衬纬纱进行束缚，至此实现第一组衬纬纱往复编织动作；接下来重复衬纬纱往复编织动作，且相邻两组衬纬纱的编织长度不同，实现三维织物在横向不同区域的密度变化；最后在横机的前、后针床上使用同一种纱线或不同种纱线编织集圈组织形成间隔纱，用于连接三维织物上表面层和下表面层形成三维织物，同时可对织物每个横列中的衬纬纱起到约束作用防止其互相纠缠，从而形成横向变密度三维织物的一个可变化基本组织单元；13、其中，变化参数为衬纬纱往复编织组数和每一组衬纬纱编织长度；衬纬纱往复编织组数为1-5组；14、通过变化衬纬纱编织组数和每一组衬纬纱编织长度可实现在同一三维织物上2-5个横向变密度区域。15、在本发明的一种实施方式中，所述的方法中沿纵向变密度三维织物的编织工艺包括如下步骤：16、首先使用一种纱线在双针床电脑横机的前针床编织一个横列作为三维织物上表面，再在双针床电脑横机的后针床上编织一个横列作为三维织物下表面层，然后使用一种纱线或不同种纱线从针床的左侧向右编织和三维织物幅宽相同长度的衬纬纱，衬纬纱编织结束前使用一针或几针集圈组织对衬纬纱进行束缚，当衬纬纱从针床右侧向左侧编织时，衬纬纱编织结束前使用一针或几针集圈组织对衬纬纱进行束缚，完成衬纬纱往复编织一次的动作，最后再在横机的前、后针床上使用同一种纱线或不同种纱线编织集圈组织形成间隔纱，从而形成一种含衬纬纱往复编织1组的一个基本组织单元；17、接着使用纱线在双针床电脑横机的前针床编织下一个横列作为三维织物上表面，在双针床电脑横机的后针床上编织下一个横列作为三维织物下表面层，然后使用一种纱线或不同种纱线从针床的左侧向右编织和三维织物幅宽相同长度的衬纬纱，衬纬纱编织结束前使用一针或几针集圈组织对衬纬纱进行束缚，当衬纬纱从针床右侧向左侧编织时，衬纬纱编织结束前使用一针或几针集圈组织对衬纬纱进行束缚，完成衬纬纱往复编织两次的动作，最后再在横机的前后针床上使用同一种纱线或不同种纱线编织集圈组织形成间隔纱，从而形成第二种含衬纬纱往复编织2组的一个基本组织单元；18、重复上述步骤，且相邻两组衬纬纱的往复编织次数不同，形成沿纵向变密度三维织物；19、其中，变密度区域的纵向尺寸和密度梯度变化可根据含不同衬纬纱往复编织组数基本组织单元的循环数灵活调整；20、每组基本单元中衬纬纱的往复编织次数为1-5次。21、在本发明的一种实施方式中，所述的方法中沿横向和纵向变密度三维织物的编织工艺包括如下步骤：22、在双针床电脑横机上编织三维织物时，衬纬纱的编织是同时结合沿横向变密度三维织物中衬纬纱的编织方法和沿纵向变密度三维织物中衬纬纱的编织方法；23、具体的，所述方法是通过调整一个或多个横列中衬纬纱的往复编织组数和每组衬纬纱的编织长度来实现沿横向和纵向变密度三维织物的制备。24、在本发明的一种实施方式中，所述三维织物中衬纬纱可以与上表面层、下表面层和间隔纱使用同一根纱线或非同一根纱线。25、在本发明的一种实施方式中，所述三维织物中衬纬纱为一根完整长度的纱线，贯穿整个三维织物，不需要在改变织物密度的编织过程中剪断纱线。26、在本发明的一种实施方式中，所述三维织物的所采用的纱线(上表面层、下表面层采用的纱线、间隔纱、衬纬纱)为高强涤纶、芳纶或超高分子量聚乙烯uhmwpe中的一种或多种。27、在本发明的一种实施方式中，所述三维织物中改变密度的方式是通过调整三维织物内部衬纬纱的编织工艺实现的，上表面和下表面组织结构不变，间隔纱编织方式不变，三维织物表面平整，厚度不会随着织物密度的变化而变化。28、本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的沿横纵向变密度三维织物。29、本发明的第三个目的是提供一种制备沿横纵向变密度三维织物增强复合材料的方法，所述的方法是将沿横纵向变密度三维织物和树脂进行复合得到。30、在本发明的一种实施方式中，所述的树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂中的一种或几种。31、在本发明的一种实施方式中，所述复合的方法为手糊工艺、真空辅助树脂传递模塑工艺、热压罐工艺、模压工艺等中的一种。32、本发明的第四个目的是本发明所述的方法制备得到的沿横纵向变密度三维织物增强复合材料。33、本发明的第五个目的是本发明所述的沿横纵向变密度三维织物、沿横纵向变密度三维织物增强复合材料在服用装饰、医疗卫生或安全防护等领域的应用。34、本发明的第六个目的是提供一种头盔，其采用了本发明所述的沿横纵向变密度三维织物或沿横纵向变密度三维织物增强复合材料。35、[有益效果]36、(1)本发明所述沿横纵向变密度三维织物是一种在不改变织物整体厚度基础上实现同一块织物在横向、纵向或横纵两个方向上的具有不同密度区域分布的织物，可以在不经过后整理等其他工艺操作的基础上，灵活设置实现在同一织物上具有不同梯度变化的力学性能、舒适性能区域，使得三维织物具有更加优异的性能和灵活可设计性，可以更广泛的应用于服用装饰、医疗卫生或安全防护等领域。37、(2)本发明所述沿横纵向变密度三维织物增强复合材料在不改变复合材料厚度的基础上在复合材料不同区域可以灵活设置复合材料的纤维体积含量，可以实现复合材料对不同区域力学性能的要求，解决了传统三维织物增强复合材料性能单一的问题；同时也直接省去了对三维织物增强复合材料局部区域力学增强所采取的铺层增强方式，可以直接针对复合材料使用过程中的主承力区域和非主承力区域进行一体化设计，避免了过度设计降低了复合材料生产成本。38、(3)本发明所述沿横纵向变密度三维织物内部的衬纬纱是一个整体纱线，在改变密度的编织过程中，每组衬纬纱编织结束后并未断纱，因此整个织物中的衬纬纱是一整根纱线，且贯穿整个三维织物。沿横纵向变密度三维织物增强复合材料在外部载荷作用下，一方面可以避免衬纬纱轻易发生抽拔现象，另一方面可以是应力波传递距离更远，承载能力更强，弥补了传统复合材料中因裁剪导致的短纤维易发生抽拔现象和应力波传输距离短的不足。