谈 源 蒋金华 谢 波

1.江苏省高性能纤维复合材料重点实验室、常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司 江苏 常州 213135

2.东华大学 上海 201620

二维及三维纺织复合材料是纤维增强复合材料的高级形式,其增强结构为三维纺织预制体,具有优异的力学性能和抗损伤性能,在航空航天等高技术领域具有广阔的应用前景。编织技术是纺织结构复合材料预制件技术的重要一种,分为两维编织和三维编织,目前两维编织技术比较成熟,适用于碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等高性能纤维的编织,三维编织技术虽然已经成功用于生产,但在特种复杂编织结构方面仍存在难题。本研究旨在研究低成本、高性能、新型编织结构复合材料增强体的工程化、产业化核心技术,重点攻克高性能纤维2.5D/3D高效快速织造理论与技术,为新型编织结构复合材料及新材料的产业化规模提供支撑。

一、高性能纤维2.5D/3D高效快速织造研究内容

高性能纤维2.5D/3D高效快速织造技术主要是研究低成本、高性能、新型编织结构复合材料工程化、产业化核心技术,深入研究高性能纤维编织退绕控制技术,异型编织结构预成形体编织技术、纺织结构复合材料特种编织与装备等关键技术;形成新型编织结构复合材料的核心技术以及装备,提高三维编织工艺及设备、加速三维异型整体编织复合材料的发展和推广应用,为新型编织结构复合材料及新材料的产业化规模提供支撑。主要包括几下以方面。

1.高性能纤维可编织技术与退绕技术。针对于编织设备及倒筒设备对于使用玻纤,碳纤,或其他高性能纤维生产过程中产生大量毛丝进行设备改造,以达到减少毛丝现象的产生。研究设备倒筒起毛情况原因、编织机构纱线损伤情况,研究分析可编织性改进方法,优化改进倒筒设备机械与编织机构。

2.2.5D/3D编织结构预成形体高效编织技术。攻克高性能纤维2.5D/3D高效快速织造理论与技术,研究异型编织结构纤维取向与分布情况,纤维排列及走向规律,突破多向纤维纱线在斜向或纵向互相交织、纤维方向和分布、形成整体结构的编织基础理论,提升编织预成形体优化二维、三维编织工艺。开发出多种规则形状异型截面预制件的三维纺织技术,解决织造不同形状、尺寸、织物结构的规则异型三维纺织预制件的关键技术及产业化技术难题。构建二维及三维预型件及复合材料的各项性能测试分析及综合性能评价方法。

3.纺织结构复合材料特种编织与装备优化关键技术。优化三维异型编织技术织造的整体性和力学合理性的关键技术,提高三维异型整体机织技术的灵活性及复杂形状织物的创造性;研究纤维束排列布局的设计、工艺过程的动态规律,实现三维异型整体机织的半自动化与自动化,突破大型三维编织工艺及专用设备的研究,实现复杂形状的预成形体自动化编织。形成新型编织结构编织核心技术与快速编织装备优化技术,解决玻纤,碳纤等高性能纤维生产过程中容易起毛、效率低的难题,提高制品的加工稳定性和品质。

二、高性能纤维2.5D/3D高效快速织造技术路线

1.织物编织工艺设计及机构优化

尝试从三维管状织物入手,研究管状编织物的组织形态、外形尺寸、纱线取向等,可以通过选择纱锭的个数、纱锭在轨道盘上运动的速度、牵拉机构的运动速度、纱线的粗细来确定。管道的编织参数设计根据编织物的组织形态、外形尺寸、纱线取向以及各方面性能上的要求,可以通过选择轴向纱锭的个数,纱锭在轨道盘上运动的速度与牵拉机构的运动速度比即齿轮比,起始编织点距离轨道盘的距离即编织距离,纱线的细度来确定。

管状编织物最重要的参数为纱线的编织角α,可由转动速度n、牵拉速度v和心轴直径Dm计算得到,如下式:

通常对于复杂结构心轴,直径在不断变化,需要调节牵拉速度以达到均匀的编织角,从而保证管状织物相同的紧度。

三维管状织物的直线单元长度l与线迹单元长度s、纱线宽度d的关系为:

在两轴向编织管状结构基础上,为了增加轴向强力,还可以沿着轴向0°方向增加一个方向的轴向纱线。

拟采取的如下几种途径来达到提高整体强度的要求:(1)增加碳纤维束的数量,尽可能提高纤维体积分数,满足复合材料理论强度目标的要求;(2)增加多层层数铺层复合编织,提高织物预型件及复合材料整体性能。若设计为多层编织结构,各层之间可以还可以通过缝合进行层间连接,缝纫加固方法可有效地提高编织纤维增强复合材料管件的机械性能以及能量吸收性能。(3)除了如斜向编织方向外,增加0°方向的增强纤维束,如0°增强纤维束与30°编织束层间上下交织成为一体,不会分层,通过优化设计选择合理的不同角度纱束的配比,提高材料的强度满足最终目标强度的要求。

2.三维编织理论及技术优化

首先解决高性能纤维的倒筒难题。在上机织造之前,研究纤维缠绕到特定的纱管上倒筒技术,碳纤维经倒纱工艺后在纱管上的排列情况对后道编织的影响较大。根据项目研究经验,在倒纱过程中应关注解决以下问题:

(1)碳纤维纱线呈条带状,且模量很大,为了使纱线结构稳定,便于编织,碳纤维的退绕应采取切向退绕的方式;

(2)碳纤维断裂伸长率小,属于脆性材料,弯曲缠绕过程中易产生飞花,因此,缠绕机要保持低速缠绕,减少碳纤维复丝在缠绕过程中的损伤;

(3)倒筒时应适当控制缠绕过程中的张力,易于编织过程中纱管上的纱线顺利退绕。缠绕纱管过程中提高纱线的张力有利于碳纤维复丝在纱管上的均匀分布,但会加大纱线与导纱部件之间的摩擦,使纱线受到磨损,发生起毛飞花。

创新采用了预浸料纱线处理方法、编织可靠性研究,制备了满足编织要求的预浸纱;搭建了三维编织样机,并对编织机多项导纱机构、编织模具进行了优化设计和改进,减少了毛羽产生及复杂结构的成型。

三维编织技术是对二维编织技术的扩展,增加了纱线和纱线系统的数目,以形成更多的纱线交织,按织造工艺主要分为三类:行列式三维编织、旋转式三维编织和六角形三维编织。行列式三维编织中携纱器的移动是以整行或整列的形式进行的,虽然可以用来织造异形截面的三维编织物,但其编织速度较慢,一般为每分钟8个-10个机器循环;而且携纱器带纱较少,导致连续编织10m-20m后即需更换纱管;也不适用于变截面三维织物的织造。旋转式三维编织中携纱器均匀分布在以编织轴为圆心的圆周上,且至少有两组纱线,其中一组绕底盘中心点顺时针旋转,另一组绕底盘中心点逆时针旋转,形成封闭的路径。槽轮凹槽的数量决定了编织纱交织的形式以及编织物的结构,尤其是角轮的凹槽只有一半可以放置携纱器。六角形三维编织相较于行列式和旋转式编织更加灵活,可以依据编织物的截面形状和空间结构选择携纱器的分布和运动路径,不必重新加工机器底盘。

二维编织由于其交织规律相对简单,机械加工自动化程度较高,适用于编织一些回转体的壳结构,比如圆形管、方形管等。

深入分析比较不同类型三维编织理论机理,攻克高性能纤维2.5D/3D高效快速织造理论与技术,研究异型编织结构纤维取向与分布情况,纤维排列及走向规律,突破多向纤维纱线在斜向或纵向互相交织、纤维方向和分布、形成整体结构的编织基础理论,提升编织预成形体优化二维、三维编织工艺。

开发出多种规则形状异型截面预制件的三维纺织技术及设备改进方案,解决织造不同形状、尺寸、织物结构的规则异型三维纺织预制件的关键技术及产业化技术难题。

3.编织件整体设计与性能预测及评价

根据三维编织管状织物最终性能的目标要求,首先从理论上初步估算选材、如管状织物预型件及复合材料的性能。并构建二维及三维预型件及复合材料的各项性能测试分析及综合性能评价方法。

采用理论和实验相结合的方法,构建复合材料管件的各项性能测试分析及综合性能评价等,形成管状织物编织、复合成型、性能评估全套技术报告及规范等。

·编织结构复合材料弹性常数计算方法

通过理论分析方法,构建增强相单胞网格,提取及纤维束编织结构参数,预测复合材料弹性常数等。

图1 二维三轴向编织管结构

如图1中,矩形框所示即为选取的单胞,单胞模型的长度为L,宽度为W,编织角为γ。y轴平行于材料轴向,x轴平行于材料横向方向,z轴平行于材料厚度方向。假设纤维束横截面为透镜形。根据几何关系,建立细观模型相关参数关系如下:

定义纤维束横截面面积A,其计算公式为:

从图4可以看出,在一个矩形单胞模型内中含有两根轴向纤维束和四根编织向纤维束,则轴向纤维束a和编织向纤维束b的体积以及单胞的纤维体积含量分别为

其中,Aa 为轴向纤维束横截面面积,Ab 为编织向纤维束横截面面积,La为轴向纤维束弧长,Lb编织向纤维束弧长,Φ为纤维束的纱线填充因子,可认为编织纤维束与轴向纤维束的横截面和纱线填充因子相同。

以上给出了单胞模型提取算法,利用该算法可以快速提取出编织预制件中指定范围内的增强相单胞网格模型。

复合材料弹性常数计算方法及验证,利用单胞模型计算弹性模量Ex和泊松比μxy、μxz等。另外,根据计算的各种弹性常数,结合实验测得的结果,进行有限元分析验证比较,进一步优化材料结构和性能

·复合材料性能方法评价的构建

针对最终复合材料管件,建立拉伸、压缩、弯曲、层间剪切等各种应用状态下的测试方法,并针对管状试件,制备专门的夹具工装便于准确的夹持和测试、不损伤制件。最终形成管状等形状织物编织、复合成型、性能评估全套技术报告及规范等。

三、结语

随着装备应用环境更加苛刻及多功能化的需求,增强体构件趋向尺寸大型化、结构复杂化、整体轻量化,这就对高性能复合材料增强体的设计及制造提出了迫切需求。因此,需要我们不断进行自主创新,通过技术攻关,突破制约我国高性能纤维纺织材料产业发展的关键技术瓶颈,缩小我国同发达国家的差距,带动相关产业的技术升级和发展,提高我国三维纺织增强材料的设计、制造和开发应用水平,提升我国复合材料产业的自主创新能力。