三維編織復合材料的研究與應用

三維編織復合材料的研究與應用

與層合材料相比，三維編織機材料具有完整、不分層結構，可以制造結構和功能結構。因此，對我國新材料的發(fā)展具有重要意義。三維編織復合材料是自20世紀80年代發(fā)展起來的一種新型高性能復合材料,發(fā)展它的目的是為了克服傳統(tǒng)復合材料固有的缺點,即受力后容易分層的問題,正是由于這個固有的缺點,傳統(tǒng)復合材料很難用于制作主承力的結構件和高功能制件。三維編織復合材料是利用編織技術首先將增強纖維織造成三維整體織物,再和基體(包括樹脂、碳、碳化硅、金屬等)復合,從而制成復合材料制件,所以在三維編織復合材料制件中沒有“層”的問題。一、國內(nèi)外三維編織材料的發(fā)展1.維織造技術我國開展三維編織復合材料的研究始于20世紀80年代末期,天津工業(yè)大學(原天津紡織工學院)等單位在國家的資助下,開展了三維編織復合材料的研究工作。這些單位的工作人員堅持自力更生、艱苦奮斗的精神,獨立自主地開發(fā)出多種三維編織復合材料的關鍵技術,經(jīng)過20余年的不懈努力,使我國三維編織復合材料的研究和應用達到了國際先進水平。其中主要成果有:(1)研制出工程應用的三維編織裝備,主要有計算機控制的大型三維編織設備(如圖1)、多臺組合式三維編織設備,解決了織造不同織物結構和不同形狀制件的關鍵裝備問題。(2)開發(fā)出多種規(guī)則形狀異型截面預制件(如:工型梁、T型梁、盒型梁等)(如圖2)的三維編織技術,解決了織造不同形狀、尺寸、織物結構的規(guī)則異型三維編織預制件的關鍵問題。(3)開發(fā)出三維編織計算機輔助設計軟件,實現(xiàn)了三維編織工藝設計和編織過程仿真。(4)開發(fā)出變截面三維編織技術,為編織錐套體、截面突變預制件奠定了基礎。(5)開發(fā)出多種復雜形狀預制件的編織新技術,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和局部編織技術等,保證了工程急需的復雜形狀預制件的編織。(6)研制出適合多種樹脂的三維編織復合材料恒壓高溫復合固化設備;研究出不同壓力和溫度下,多種樹脂對不同結構和形狀三維織物的滲透規(guī)律與復合固化工藝;解決了樹脂基三維編織復合材料制件復合固化用模具設計難題。(7)闡明了三維編織復合材料的細觀結構及其對復合材料性能的影響,建立了三維編織復合材料性能分析和評價方法,為三維編織復合材料的設計和應用奠定了理論基礎。(8)由于三維編織復合材料根本不分層,是完全的整體結構,所以它的比強度、比模量高,具有優(yōu)良的力學性能和功能性能,使采用復合材料來制作主承力結構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)為我國航天、航空等部門的多個新型號研制出多種急需的高性能三維編織復合材料制件。研究成果填補了國內(nèi)空白,達到了國際先進水平,已應用于我國人造衛(wèi)星、運載火箭、導彈及新型戰(zhàn)機等高技術領域。2.國外三維編織物的研究1985年由美國航空航天局(NASA)主持了先進復合材料技術(ACT)發(fā)展計劃,歷時多年,多個公司和大學參加,目的是突破先進紡織復合材料制造和應用的關鍵技術,提高復合材料的損傷容限和降低成本。ACT計劃的重要內(nèi)容之一是研制開發(fā)了多種預成型技術如三維編織技術、縫合技術等,以及低成本復合成型工藝如樹脂傳遞模塑工藝(RTM)等。ACT計劃指出:采用各種紡織技術制造復合材料增強體,是提高材料的強度和抗沖擊性并且有可能實現(xiàn)一體成形的有效方法。美國的許多單位開展了三維異型整體編織復合材料的織造工藝、織物內(nèi)部纖維幾何結構及其對性能的影響、材料性能分析和預測、三維整體編織復合材料應用等研究。美國的大西洋公司耗資1000多萬美元制造了大型三維編織機,直接為美國航天航空部門編織三維編織物,并為一些西方國家服務,但大西洋公司的大型三維編織機處于嚴格保密狀態(tài)。在歐洲,由德國奔馳公司和亞琛大學聯(lián)合致力于開發(fā)新一代三維編織機;英、法兩國也有發(fā)展先進紡織復合材料的計劃;日本發(fā)展先進紡織復合材料始于20世紀80年代初期,在紡織復合材料領域做了系統(tǒng)的研究工作;俄羅斯、澳大利亞、韓國和印度等國在先進紡織復合材料領域也開展了大量的基礎和應用研究。但此種復合材料的應用均受到了各國政府的嚴格保護。二、三維編織布的特點1.法三維織造復合材料內(nèi)部紗線結構三維編織復合材料完全克服了傳統(tǒng)復合材料“分層”的缺點,從理論上講三維編織復合材料可以達到任意厚度,而且沿厚度方向有增強纖維通過,這就形成了不分層的整體網(wǎng)狀結構。圖5所示是最基本的四步法三維編織復合材料內(nèi)部增強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合材料內(nèi)部紗線在空間的取向為4個方向,如果在不同方向加入軸紗,就可以形成三維五向、三維六向、三維七向等結構,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,形成了一個不分層的整體結構。由于在三維編織復合材料中,增強纖維在三維空間中沿多個方向分布,并相互交織、交叉在一起,是一個完全整體的結構,根本不存在“層”的問題,這就克服了傳統(tǒng)復合材料存在“基體層”這個致命的缺點,從而大大提高了復合材料的性能。2.復合材料結構材料的開發(fā)采用三維編織技術可以直接織造出形狀復雜、不同尺寸的整體預制件,例如圓筒、錐套體、工型梁、T型梁、盒型梁等,如圖7所示。這樣可以實現(xiàn)制件的凈尺寸制造,即制成的復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,還可以實現(xiàn)結構的整體化設計,減少零配件數(shù)量,保證結構的整體性,而且增強纖維在復合材料中呈空間多向分布,使復合材料的性能設計更具靈活性,實現(xiàn)了材料的“特定設計”。因此,不同于傳統(tǒng)復合材料的制備技術,三維編織復合材料構件的制備技術是一種材料與構件的一體化、集成化設計制造技術,即在構件制備過程中,可以根據(jù)構件功能要求進行構件外部幾何拓撲形狀和內(nèi)部材料細觀結構的并行設計,一次完成構件內(nèi)部組織結構和三維形體的制造。3.進展之一:纖維增強對性能的要求采用三維編織技術可以對碳纖維、碳化硅纖維、石英纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等進行編織,這就完全滿足了當前先進復合材料對高性能纖維的要求。同時,三維編織預制件可以增強樹脂、碳、陶瓷、金屬等多種基體。4.復合材料的應用前景三維編織復合材料是一個完全整體的結構,與傳統(tǒng)復合材料相比,它具有較高的損傷容限、較高的強度和模量,為復合材料應用于承力結構件,特別是應用于航天、航空等領域提供了廣闊的前景。三、在生物組織方面的應用目前,采用三維紡織復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合材料具備其它材料所無法達到的性能,這就為許多領域提供了一種理想的新材料,從而促進許多領域的發(fā)展?？傊?三維紡織復合材料具有廣泛的應用前景,是許多高新技術領域中不可缺少的一種新材料。1.力梁預制件的設計三維紡織復合材料在制作承力梁上具有明顯的特點:首先,承力梁的預制件可以一次編織成型,形成一個整體的不分層結構;第二,紗線的取向和分布可以設計,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合材料異型梁。2.在生產(chǎn)復合類別的應用圖9是三維紡織復合材料異型接頭,在這些制件中,纖維不但連續(xù),而且形成整體異型的網(wǎng)狀結構,同時達到所需要的形狀和尺寸。3.采用圓套制件生產(chǎn)三維紡織復合材料在制作圓錐套型制件上的應用實例如圖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制件和制件。4.人造生物材料的應用由于三維編織復合材料具有質(zhì)量輕、力學性能優(yōu)越和設計靈活等特點,這使其在人造生物材料的應用方面將發(fā)揮越來越大的作用,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)