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復合材料縫合技術的研究及應用進展


  復合材料縫合技術是指采用縫合線使多層織物結合成準三維立體織物或使分離的數片織物連接成整體結構的一種復合材料預制體制備技術。該技術起源于20世紀中后期,由于其可以提高復合材料層間損傷容限,大大改善復合材料抗沖擊性能而備受關注,并在近些年來得到了廣泛應用。

  本文系統介紹了復合材料縫合技術的特點,主要縫合方式和工藝參數及其最優的適用范圍,總結了縫合技術影響復合材料拉伸、壓縮、彎曲、層剪及沖擊后壓縮等重要力學性能的主要研究成果,最后對復合材料縫合技術的國內外重大研究及應用進展進行了闡述并提出了展望。

  一、縫合技術的特點

  相對于傳統的復合材料紡織、編織及鋪疊工藝來說,縫合技術主要具備以下特點:

  ①可設計性強,縫合預制體的鋪層方向,鋪層距離和纖維結構等均可以進行優化組合,同時縫合方式和縫合區域也可以按需調整;

  ②縫合對原有纖維分布影響較小,而且通過縫合參數的合理設定可以獲得一定程度的整體結構,并達到合理的均勻應力狀態;

  ③縫線可以承受大部分載荷,而且減少了周圍樹脂的應力集中,可以顯著提高復合材料層間性能;

  ④可高度自動化,目前已開發出用于提高縫合一致性和縫合效率的高度自動化縫合設備;

  ⑤裝配工藝優異,縫合作為一種連接技術,與復合材料其他連接技術(粘接、鉚接等)相比,縫合復合材料整體性強,不易產生局部應力集中。

       二、主要縫合方式及工藝參數

  在結構應用上主要采用3種縫合方式,即改進的鎖式縫合、鏈式縫合及簇絨法(Tufting)縫合(詳見圖1所示)。鎖式縫合屬于雙面縫合,改進的鎖式縫合中,縫線被縫針從預制體一側帶入,與底線結套后再由縫針帶出進行下一個循環,上線與底線的結套處位于預制體表面,最大限度的減少了預制體厚度方向上的縫線及纖維彎曲及應力集中效應,具體如圖1(a)所示。

  鎖式縫合一般要求預制體具有較小的曲率變化,目前廣泛應用于大尺寸壁板邊緣縫合及加強筋與蒙皮的連接縫合,縫合厚度可達20mm。鏈式縫合屬于單面縫合,彎月形的縫針與擺線鉤針位于同一邊,隨著縫針沿縫線方向移動,彎針反復穿透預制體并使繞套相連,具體如圖1(b)所示。鏈式縫合通常適用于曲率較大且較薄的預制體縫合,縫合厚度一般不超過10mm。

  Tufting縫合也是單面縫合的一種,縫線跟隨縫針從預制體一側穿透到另一側,縫針退出時將縫線留在預制體內以完成縫合,具體如圖1(c)所示。Tufting縫合可以縫合較厚的預制體,但由于單純的Tufting縫合僅靠縫線與預制體內部纖維的摩擦力來留住縫線,因此一般需要輔以其他的定位方式來保證縫線留在預制體內部,提高縫合質量。

  主要的縫合參數包括縫線種類,縫線直徑,縫合密度及縫合方向等,這些工藝參數可以直接影響預制體固化后的性能。選擇縫合線時主要考慮縫線的強度、耐磨性、耐溫性及其與相應樹脂體系的匹配性,常見的縫線種類有碳纖維、玻璃纖維、凱芙拉纖維及滌綸。耐高溫的凱芙拉纖維,如凱夫拉(Kevlar29),質輕、耐磨、韌性高,目前廣泛應用與航空領域。

  直徑大的縫線可以更好地提高復合材料的層間損傷容限,但同時也會加大預制體內部的纖維彎曲、損傷以及制件內部縫線處的樹脂堆積,從而導致制件拉伸、壓縮強度的降低,因此應根據預制體結構,合理選擇縫線直徑。

  縫合密度主要包括縫線的針距和行距2個參數,縫合密度越大,預制體內部的纖維損傷及纖維屈曲現象越嚴重,預制體體內部的富脂區域也越多,對制件面內性能影響也越大;反之,縫合密度越低,制件層間性能改善也越小。因此,應合理設計縫合密度,以提高復合材料制件整體性能。中航復合材料有限責任公司的趙龍等研究表明,縫合密度為5~6針/cm2時,材料的綜合性能最佳。預制體通常采用的縫合方向為0°、45°和90°,復合材料的拉伸強度受縫合方向的影響較大,其中,0°縫合的制件強度降低最少,而45°和90°縫合相當。

  三、縫合對復合材料力學性能的影響

  縫合會造成預制體內部纖維的屈曲和損傷,并在縫線處易形成富脂區,從而形成應力集中點,這是縫合導致材料面內性能下降的主要原因;但縫合會大大提高復合材料的層間損傷容抗,并且縫線的存在還會阻止裂紋的擴展等,因此縫合對復合材料力學性能的影響存在一定的復合效應。

  大量的研究表明,縫合會導致材料拉伸強度的降低,而且由于縫合本身的特性,材料的破壞模式與傳統的復合材料層合板有較大的不同,并且隨著縫合密度與縫線直徑的增大,拉伸強度會逐漸降低。但魏玉卿等和吳剛等研究發現,縫合密度≤5~6針/cm2時,材料的拉伸破壞模式主要為纖維的斷裂,縫合復合材料的拉伸強度損失率不大。

  縫合對材料壓縮強度的影響并不是簡單的增減關系,受層合板鋪層設計以及縫合參數的影響,縫合復合材料層合板的壓縮強度有時提高有時降低。程小全等研究發現縫合使0°單向層合板的壓縮性能降低較多,約達24%,但卻對90°層合板的壓縮性能影響極小。吳剛等研究了鋪層為[45/0/~45/90]4S和[90/45/90/~45/0/~45/90/45/90]2S縫合層合板的壓縮性能,發現縫合對其壓縮性能降低不大,而且改變縫合參數,其壓縮性能還有提高的趨勢,0°方向的縫合對層合板壓縮性能影響最小。

  許多學者發現縫合雖然使復合材料層合板的彎曲性能有所下降,但下降程度一般不會超過20%,而且縫合密度對材料彎曲性能的影響不大。但劉莉在其研究中發現適當優化縫合密度可以提高材料的彎曲性能,比如縫合密度為4針/cm2的材料,其彎曲強度比縫合前彎曲強度提高27.8%。孫其永還對縫合三維編織復合材料的彎曲性能進行了系統研究,得出編織角為20°,搭接長度為70mm,中密度縫合的縫合連接三維編織復合材料試件的彎曲性能比較優異的結論。

  復合材料縫合層合板的剪切強度隨著縫合密度的增加呈現先升高后下降的趨勢,這是由于縫合密度過大時,纖維損傷和縫線處富脂導致應力集中明顯,使得層合板的剪切強度反而有所降低。縫合密度最優值的焦點取決于層合板的鋪層順序以及縫合參數。縫合能夠顯著提高層合板的GIC值,增加縫合密度,縫線強度,降低縫線的楊氏模量,增加試件的厚度及軸向剛度,均可提高試件的GIIC值。縫合能夠明顯降低復合材料層合板的沖擊損傷,提高層合板的沖擊后壓縮強度(CAI),許多試驗表明,合理設計縫合參數可以使層合板的CAI提高40%以上,甚至可達到400%。

  四、縫合技術的應用現狀

  縫合技術已有近30年的應用歷史,它可以對復合材料結構件進行厚度方向的增強,主要用于改善復合材料結構件的損傷容限。目前,縫合設備已經從第1代人工控制的工業縫紉機,第2代計算機控制的平面縫合設備發展到了第3代多臺計算機控制的多針頭縫合設備,可實現多種結構的二維及三維縫合。近幾年來,液體成型工藝的迅速發展,更為縫合技術的廣泛應用奠定了良好的基礎。無論是固體火箭發動機噴管喉襯、擴張段、延伸錐、剎車盤、螺釘、飛機機翼等都采用了復合材料縫合技術。

  美國國家航空航天局(NASA)的ACT計劃研制了13.5m×2.7m的縫合/RFI半翼展機翼壁板,如圖2所示,并且成功進行了200座飛機半翼展盒段地面試驗。同時,波音公司還研制了用于大尺寸復雜結構件(如機身曲板)縫合的第3代縫合設備。此外,美國的空軍萊特試驗室和美國海軍航空兵總司令部還聯合制定了ALAFS計劃,該計劃確定了翼身整體設計、機翼結構布局、內部管路設置、機身油箱設計、梁的布置、內部筋條布置和上下大梁連續性設計等7大關鍵技術,縫合復合材料的RTM及RFI成型技術將是實現該計劃的主要技術方案。

  目前國內,特別是中航復合材料有限責任公司已經成功將縫合/RTM、縫合/ RFI、縫合/ VARI技術成功應用于各類復合材料結構件,大大提高了復材結構件的層間強度、沖擊阻抗以及整體性,并降低了結構件的裝配成本。圖3-6給出了國內研制的一些典型縫合/LCM結構件。

  五、結語

  復合材料縫合技術很好的解決了傳統復合材料層間性能低,沖擊損傷容限小的問題。目前國內液體成型技術已經日趨成熟,伴隨著第3代縫合設備的進一步優化以及復合材料制造成本的降低,復合材料縫合技術不僅可以在航空航天領域受到重視,還將在船舶,汽車等領域得到推廣,為各類結構及功能件的輕量化作出巨大貢獻。

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