三維編織復(fù)合材料的研究與應(yīng)用

三維編織復(fù)合材料的研究與應(yīng)用

與層合材料相比，三維編織機(jī)材料具有完整、不分層結(jié)構(gòu)，可以制造結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)我國(guó)新材料的發(fā)展具有重要意義。三維編織復(fù)合材料是自20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高性能復(fù)合材料,發(fā)展它的目的是為了克服傳統(tǒng)復(fù)合材料固有的缺點(diǎn),即受力后容易分層的問(wèn)題,正是由于這個(gè)固有的缺點(diǎn),傳統(tǒng)復(fù)合材料很難用于制作主承力的結(jié)構(gòu)件和高功能制件。三維編織復(fù)合材料是利用編織技術(shù)首先將增強(qiáng)纖維織造成三維整體織物,再和基體(包括樹(shù)脂、碳、碳化硅、金屬等)復(fù)合,從而制成復(fù)合材料制件,所以在三維編織復(fù)合材料制件中沒(méi)有“層”的問(wèn)題。一、國(guó)內(nèi)外三維編織材料的發(fā)展1.維織造技術(shù)我國(guó)開(kāi)展三維編織復(fù)合材料的研究始于20世紀(jì)80年代末期,天津工業(yè)大學(xué)(原天津紡織工學(xué)院)等單位在國(guó)家的資助下,開(kāi)展了三維編織復(fù)合材料的研究工作。這些單位的工作人員堅(jiān)持自力更生、艱苦奮斗的精神,獨(dú)立自主地開(kāi)發(fā)出多種三維編織復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù),經(jīng)過(guò)20余年的不懈努力,使我國(guó)三維編織復(fù)合材料的研究和應(yīng)用達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。其中主要成果有:(1)研制出工程應(yīng)用的三維編織裝備,主要有計(jì)算機(jī)控制的大型三維編織設(shè)備(如圖1)、多臺(tái)組合式三維編織設(shè)備,解決了織造不同織物結(jié)構(gòu)和不同形狀制件的關(guān)鍵裝備問(wèn)題。(2)開(kāi)發(fā)出多種規(guī)則形狀異型截面預(yù)制件(如:工型梁、T型梁、盒型梁等)(如圖2)的三維編織技術(shù),解決了織造不同形狀、尺寸、織物結(jié)構(gòu)的規(guī)則異型三維編織預(yù)制件的關(guān)鍵問(wèn)題。(3)開(kāi)發(fā)出三維編織計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,實(shí)現(xiàn)了三維編織工藝設(shè)計(jì)和編織過(guò)程仿真。(4)開(kāi)發(fā)出變截面三維編織技術(shù),為編織錐套體、截面突變預(yù)制件奠定了基礎(chǔ)。(5)開(kāi)發(fā)出多種復(fù)雜形狀預(yù)制件的編織新技術(shù),例如:使編織方向折轉(zhuǎn)、從而使平板和圓管連接的三維編織技術(shù)和局部編織技術(shù)等,保證了工程急需的復(fù)雜形狀預(yù)制件的編織。(6)研制出適合多種樹(shù)脂的三維編織復(fù)合材料恒壓高溫復(fù)合固化設(shè)備;研究出不同壓力和溫度下,多種樹(shù)脂對(duì)不同結(jié)構(gòu)和形狀三維織物的滲透規(guī)律與復(fù)合固化工藝;解決了樹(shù)脂基三維編織復(fù)合材料制件復(fù)合固化用模具設(shè)計(jì)難題。(7)闡明了三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)復(fù)合材料性能的影響,建立了三維編織復(fù)合材料性能分析和評(píng)價(jià)方法,為三維編織復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。(8)由于三維編織復(fù)合材料根本不分層,是完全的整體結(jié)構(gòu),所以它的比強(qiáng)度、比模量高,具有優(yōu)良的力學(xué)性能和功能性能,使采用復(fù)合材料來(lái)制作主承力結(jié)構(gòu)件和特殊的具有多種功能性能的制件成為可能?，F(xiàn)在,已經(jīng)為我國(guó)航天、航空等部門(mén)的多個(gè)新型號(hào)研制出多種急需的高性能三維編織復(fù)合材料制件。研究成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,已應(yīng)用于我國(guó)人造衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈及新型戰(zhàn)機(jī)等高技術(shù)領(lǐng)域。2.國(guó)外三維編織物的研究1985年由美國(guó)航空航天局(NASA)主持了先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)(ACT)發(fā)展計(jì)劃,歷時(shí)多年,多個(gè)公司和大學(xué)參加,目的是突破先進(jìn)紡織復(fù)合材料制造和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),提高復(fù)合材料的損傷容限和降低成本。ACT計(jì)劃的重要內(nèi)容之一是研制開(kāi)發(fā)了多種預(yù)成型技術(shù)如三維編織技術(shù)、縫合技術(shù)等,以及低成本復(fù)合成型工藝如樹(shù)脂傳遞模塑工藝(RTM)等。ACT計(jì)劃指出:采用各種紡織技術(shù)制造復(fù)合材料增強(qiáng)體,是提高材料的強(qiáng)度和抗沖擊性并且有可能實(shí)現(xiàn)一體成形的有效方法。美國(guó)的許多單位開(kāi)展了三維異型整體編織復(fù)合材料的織造工藝、織物內(nèi)部纖維幾何結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響、材料性能分析和預(yù)測(cè)、三維整體編織復(fù)合材料應(yīng)用等研究。美國(guó)的大西洋公司耗資1000多萬(wàn)美元制造了大型三維編織機(jī),直接為美國(guó)航天航空部門(mén)編織三維編織物,并為一些西方國(guó)家服務(wù),但大西洋公司的大型三維編織機(jī)處于嚴(yán)格保密狀態(tài)。在歐洲,由德國(guó)奔馳公司和亞琛大學(xué)聯(lián)合致力于開(kāi)發(fā)新一代三維編織機(jī);英、法兩國(guó)也有發(fā)展先進(jìn)紡織復(fù)合材料的計(jì)劃;日本發(fā)展先進(jìn)紡織復(fù)合材料始于20世紀(jì)80年代初期,在紡織復(fù)合材料領(lǐng)域做了系統(tǒng)的研究工作;俄羅斯、澳大利亞、韓國(guó)和印度等國(guó)在先進(jìn)紡織復(fù)合材料領(lǐng)域也開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。但此種復(fù)合材料的應(yīng)用均受到了各國(guó)政府的嚴(yán)格保護(hù)。二、三維編織布的特點(diǎn)1.法三維織造復(fù)合材料內(nèi)部紗線結(jié)構(gòu)三維編織復(fù)合材料完全克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料“分層”的缺點(diǎn),從理論上講三維編織復(fù)合材料可以達(dá)到任意厚度,而且沿厚度方向有增強(qiáng)纖維通過(guò),這就形成了不分層的整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖5所示是最基本的四步法三維編織復(fù)合材料內(nèi)部增強(qiáng)紗線走向和交織情況的示意圖。從圖中可以看出,基本四步法三維編織復(fù)合材料內(nèi)部紗線在空間的取向?yàn)?個(gè)方向,如果在不同方向加入軸紗,就可以形成三維五向、三維六向、三維七向等結(jié)構(gòu),如圖6所示。纖維不但在平面內(nèi)相互交織、交叉在一起,而且通過(guò)厚度方向,在三維空間中也相互交織、交叉在一起,形成了一個(gè)不分層的整體結(jié)構(gòu)。由于在三維編織復(fù)合材料中,增強(qiáng)纖維在三維空間中沿多個(gè)方向分布,并相互交織、交叉在一起,是一個(gè)完全整體的結(jié)構(gòu),根本不存在“層”的問(wèn)題,這就克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料存在“基體層”這個(gè)致命的缺點(diǎn),從而大大提高了復(fù)合材料的性能。2.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)材料的開(kāi)發(fā)采用三維編織技術(shù)可以直接織造出形狀復(fù)雜、不同尺寸的整體預(yù)制件,例如圓筒、錐套體、工型梁、T型梁、盒型梁等,如圖7所示。這樣可以實(shí)現(xiàn)制件的凈尺寸制造,即制成的復(fù)合材料制件不需要再加工,這就避免了由于加工而造成的纖維損傷。同時(shí),還可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化設(shè)計(jì),減少零配件數(shù)量,保證結(jié)構(gòu)的整體性,而且增強(qiáng)纖維在復(fù)合材料中呈空間多向分布,使復(fù)合材料的性能設(shè)計(jì)更具靈活性,實(shí)現(xiàn)了材料的“特定設(shè)計(jì)”。因此,不同于傳統(tǒng)復(fù)合材料的制備技術(shù),三維編織復(fù)合材料構(gòu)件的制備技術(shù)是一種材料與構(gòu)件的一體化、集成化設(shè)計(jì)制造技術(shù),即在構(gòu)件制備過(guò)程中,可以根據(jù)構(gòu)件功能要求進(jìn)行構(gòu)件外部幾何拓?fù)湫螤詈蛢?nèi)部材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的并行設(shè)計(jì),一次完成構(gòu)件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和三維形體的制造。3.進(jìn)展之一:纖維增強(qiáng)對(duì)性能的要求采用三維編織技術(shù)可以對(duì)碳纖維、碳化硅纖維、石英纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等進(jìn)行編織,這就完全滿足了當(dāng)前先進(jìn)復(fù)合材料對(duì)高性能纖維的要求。同時(shí),三維編織預(yù)制件可以增強(qiáng)樹(shù)脂、碳、陶瓷、金屬等多種基體。4.復(fù)合材料的應(yīng)用前景三維編織復(fù)合材料是一個(gè)完全整體的結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比,它具有較高的損傷容限、較高的強(qiáng)度和模量,為復(fù)合材料應(yīng)用于承力結(jié)構(gòu)件,特別是應(yīng)用于航天、航空等領(lǐng)域提供了廣闊的前景。三、在生物組織方面的應(yīng)用目前,采用三維紡織復(fù)合材料可以制作飛行器、汽車等上面的多種不同形狀的承力梁、接頭,多種形式的耐燒蝕、具備承力的圓筒型、錐筒型制件;還可以在人造生物組織方面發(fā)揮作用,制作人造骨、人造韌帶以及接骨板等。并且由于三維紡織復(fù)合材料具備其它材料所無(wú)法達(dá)到的性能,這就為許多領(lǐng)域提供了一種理想的新材料,從而促進(jìn)許多領(lǐng)域的發(fā)展?？傊?三維紡織復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用前景,是許多高新技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的一種新材料。1.力梁預(yù)制件的設(shè)計(jì)三維紡織復(fù)合材料在制作承力梁上具有明顯的特點(diǎn):首先,承力梁的預(yù)制件可以一次編織成型,形成一個(gè)整體的不分層結(jié)構(gòu);第二,紗線的取向和分布可以設(shè)計(jì),這就使得承力梁受力更加合理,圖8就是不同形狀的三維整體編織復(fù)合材料異型梁。2.在生產(chǎn)復(fù)合類別的應(yīng)用圖9是三維紡織復(fù)合材料異型接頭,在這些制件中,纖維不但連續(xù),而且形成整體異型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),同時(shí)達(dá)到所需要的形狀和尺寸。3.采用圓套制件生產(chǎn)三維紡織復(fù)合材料在制作圓錐套型制件上的應(yīng)用實(shí)例如圖10、11,分別是三維整體編織錐套體、圓錐套型碳基三維編織預(yù)制件和制件。4.人造生物材料的應(yīng)用由于三維編織復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、力學(xué)性能優(yōu)越和設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn),這使其在人造生物材料的應(yīng)用方面將發(fā)揮越來(lái)越大的作用,例如:它可以制造成如圖12所示的人造骨、圖13所示的人造韌帶,以及骨折內(nèi)固定接骨板、人造心臟瓣膜、人造血管等。四、網(wǎng)