碳纖維符合材料三維編織物的縫合連接技術(shù)研究

三維編織復(fù)合材料是一種整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,是20世紀(jì)80年代隨三維整體編織技術(shù)的出現(xiàn)而產(chǎn)生的。它不但克服了傳統(tǒng)的層板復(fù)合材料分層、開裂敏感和損傷擴(kuò)展快,厚度方向強度低，抗沖擊損傷性能差等缺點，而且擁有良好的可設(shè)計性、可制作整體異型制件等優(yōu)點。因此，在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域中受到極大關(guān)注[1]。
隨著三維編織復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴(kuò)大，實際應(yīng)用對其提出了新的問題。單一的三維編織技術(shù)往往不能滿足復(fù)雜形狀預(yù)制件一次編織成型，必須通過連接才能滿足工程設(shè)計和整體性的要求。因此連接設(shè)計在三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中也是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。三維編織復(fù)合材料的連接包含兩個方面的內(nèi)容，一是預(yù)制件的縫合連接；二是成型復(fù)合材料的膠接。到目前為止，很多學(xué)者對第二個方面的內(nèi)容進(jìn)行了研究。Kinloch[2]研究了影響結(jié)構(gòu)膠接接頭性能的大部分因素，認(rèn)為膠接劑的應(yīng)力-應(yīng)變特性是影響接頭強度的最重要的材料性能。Har-tsmith[3,4]已經(jīng)對膠接接頭，特別對先進(jìn)纖維復(fù)合材料與金屬材料的膠接接頭進(jìn)行了全面的設(shè)計研究。縫合技術(shù)作為一種三維編織預(yù)制件的連接方法，有效地解決了三維編織制作復(fù)雜形狀異型件存在的局限性。但對于縫合連接處的工藝設(shè)計和連接強度問題，國內(nèi)外相關(guān)研究資料還很少。本文主要就縫合連接技術(shù)，縫合連接形式以及縫合連接破壞模式進(jìn)行探討，以期為進(jìn)一步開發(fā)和利用縫合與三維編織相結(jié)合的異型復(fù)合材料起到積極作用。 本文來自123

1 三維編織技術(shù)
三維編織技術(shù)是二維編織的拓展。它通過攜紗器精確地沿著預(yù)先確定的軌跡在平面上移動，使許多同一方向排列的纖維相互交織構(gòu)成網(wǎng)狀的整體結(jié)構(gòu)，最后打緊交織面而形成不同形狀的預(yù)制件。二步法和四步法編織代表了該領(lǐng)域的主流。每種方法有方形編織和圓形編織兩種形式。
四步法編織既可以只有編織紗系統(tǒng)，也可以有編織紗和軸紗兩個紗線系統(tǒng)。編織紗的攜紗器沿行向和列向交替運動，形成“z”字形運動軌跡，并沿斜向穿過內(nèi)部區(qū)域，運動到邊界后停頓一步后，改變運動方向返回到內(nèi)部區(qū)域。所有的攜紗器遍歷所有的邊界，經(jīng)過若干步后回到初始位置。軸紗均勻地加在編織紗中間，每根軸紗周圍都被編織紗交織包繞。由于紗線的一個運動循環(huán)分為四步，故稱四步法。而二步法編織必須有編織紗和軸紗兩個紗線系統(tǒng)。在編織過程中，軸紗靜止不動，編織紗按一定規(guī)律在軸紗間相互交錯運動，并把軸紗綁緊形成三維編織預(yù)制件。其紗線在機器上的排列形式經(jīng)過兩個運動步驟后，恢復(fù)到初始狀態(tài)。 123456

三維編織預(yù)制件和復(fù)合材料除了有著傳統(tǒng)復(fù)合材料所固有的優(yōu)點外，例如重量輕、強度高等，還有著以下幾個獨特的優(yōu)點[5]：①三維編織預(yù)制件從理論上講可以達(dá)到任意的厚度，并且厚度方向有增強纖維通過；②采用三維編織技術(shù)可以直接編織成不同形狀的異型整體件；③三維編織預(yù)制件的紗線結(jié)構(gòu)具有可設(shè)計性；④采用三維編織技術(shù)完全可以實現(xiàn)對高性能纖維的編織。

2 縫合技術(shù)及工藝參數(shù)
縫合技術(shù)發(fā)展至今已有悠久的歷史，但它在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用才不過幾十年，并且多被應(yīng)用在縫合層合板復(fù)合材料上。它是提高結(jié)構(gòu)損傷容限和層間斷裂韌性的有效途徑。縫合工藝使用碳、玻璃、Kevlar做成的縫合線在工業(yè)縫紉機上對織物進(jìn)行厚度方向的縫合。縫線僅占復(fù)合材料纖維體積含量的百分之幾。目前芳綸纖維由于其特殊的耐磨性、良好的抗沖擊韌性和較低的纖維密度，在縫合過程中得到廣泛應(yīng)用。鎖式縫合和鏈?zhǔn)娇p合[6,7]是縫合線跡的兩種基本型式，如圖1所示。鎖式縫合會在面紗與底紗之間形成兩個縫合線圈，在織物中間相交，產(chǎn)生應(yīng)力集中；點改進(jìn)的鎖式縫合可以穿過織物厚度，提高分層韌性和損傷容限，因此使用較多；鏈?zhǔn)娇p合類似于針織，縫合線多次撓曲，操作復(fù)雜，使用較少。

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縫合工藝參數(shù)決定復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)性能以及連接工藝過程所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。主要的縫合工藝參數(shù)有縫線的股數(shù)、縫合密度、縫合方向及縫合針等。
(1)縫線的股數(shù)
Kevlar纖維紗線加捻合股制成縫合線，加捻的目的是使其成為圓形截面和更緊密地結(jié)合，這樣易于穿過針眼和有良好的耐磨損性，然而加捻成股后，纖維的強度下降約35％[8]。
(2)縫合密度
縫合過程中，縫針會對各個方向的纖維造成一定程度的損傷。縫合密度越大，縫針穿過的次數(shù)越多，纖維受損傷的程度就越嚴(yán)重；縫合密度越小，厚度方向的纖維數(shù)量也就越少，阻止厚度方向破壞的力也就越小。因此必須選擇適當(dāng)?shù)目p合密度。CNWPEM.COM
(3)縫合方向
常采用的縫合角度有0°、45°、90°等。
(4)縫合針
縫合過程中如果針尖太鋒利，纖維很容易被縫針切斷，使性能降低；反之，如果針尖太鈍，針尖進(jìn)入纖維的阻力太大，不利于縫合效率的提高。只有選擇適當(dāng)?shù)目p針，才會既可最小限度地?fù)p傷纖維又可最大限度地提高縫合效率。

3 縫合連接三維編織技術(shù)



當(dāng)連接件比較薄時，可采用單搭接連接，在圖2所示的搭接端頭DB和CA處，由于沒有纖維通過，只是靠樹脂與整體膠接在一起，所以拉伸時承力很小，主要為BF或AE（即一半厚度的構(gòu)件）承力，端頭處是整個構(gòu)件中最薄弱的部分，強度最低。對于中等厚度板，采用雙搭接縫合連接比較適宜。這樣可以使搭接端頭分布在盡可能多的截面上，從而提高搭接端頭處的強度。對于形狀異常復(fù)雜的制品，可采用增加搭接層數(shù)的辦法，這樣有利于不同結(jié)構(gòu)與形狀的變化，如預(yù)留孔、預(yù)留凹槽等，同時每層厚度也可通過減少紗線等改變編織工藝達(dá)到變化幾何形狀的目的。當(dāng)連接件很厚時，宜選用斜面搭接縫合連接，其搭接角度在6~8°范圍[10]可獲得很高的連接效率。但是，由于所需角度非常小，工藝上很難實現(xiàn)。因此，對厚的連接件通常采用階梯形搭接縫合連接，這種形式可以通過編織過程中的減紗工藝來得到。階梯形搭接縫合連接具有雙搭接縫合連接和斜面搭接縫合連接兩種連接的特性，通過增加臺階數(shù)，使之接近于斜面搭接連接角(一般6~8°)，同樣可獲得較高的連接效率。

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選用何種搭接方式主要是根據(jù)制件的幾何形狀的變化的復(fù)雜性開設(shè)不同形狀的窗口、預(yù)留不同形狀的凹糟、預(yù)埋各種金屬件等具體情況來決定,并且要使縫合連接工藝盡可能簡單、成本盡可能低、連接強度盡可能大。
3.2 縫合連接基本破壞模式
實驗表明，縫合連接在拉伸載荷作用下，出現(xiàn)的主要破壞模式可能有以下四種，見圖4：①接頭端部(如圖所示CE面或DF面)的拉伸破壞；②縫合區(qū)域(如圖所示AB面)剪切破壞；③接頭兩端(如圖所示CE面與DF面)同時拉伸破壞；④剝離破壞(如圖中所示搭接區(qū)域的界面發(fā)生破壞)。



除這四種基本破壞模式外，還可能會發(fā)生組合破壞。縫合連接發(fā)生何種模式破壞，與縫合連接形式、連接件的厚度、搭接長度、縫合工藝參數(shù)、編織物的結(jié)構(gòu)及載荷性質(zhì)有關(guān)。在連接幾何參數(shù)中，縫合連接件的厚度起著極為重要的作用。當(dāng)連接件很薄，連接強度足夠時，連接件發(fā)生拉伸破壞；當(dāng)連接件較厚，偏心力矩尚小時，易在連接區(qū)域發(fā)生剪切破壞；當(dāng)連接件厚度到一定程度，搭接長度不夠時，在偏心力矩作用下，將發(fā)生剝離破壞。剝離破壞將使縫合連接的承載能力顯著下降，應(yīng)力求避免。

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4 結(jié)語
縫合技術(shù)作為一種復(fù)合材料預(yù)制件的有效連接方法，與三維編織的結(jié)合可以很好地滿足實際應(yīng)用中對復(fù)雜形狀預(yù)制件的要求，從而進(jìn)一步拓寬三維編織復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。為了最大程度的發(fā)揮縫合連接三維編織技術(shù)的優(yōu)勢，我們還需要進(jìn)一步研究和探討搭接長度以及縫合工藝參數(shù)對連接強度的影響，確立能夠指導(dǎo)設(shè)計和實際生產(chǎn)的工藝方法及技術(shù)參數(shù)。相信隨著研究的深入，縫合連接三維編織復(fù)合材料的性能會越來越完善，應(yīng)用也會越來越廣。

來源：孫其永 李嘉祿 焦亞男
單位：天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所