Tufting縫合復(fù)合材料預(yù)制體的成型與研究進展

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025）

復(fù)合材料預(yù)制體是指由連續(xù)長絲纖維或短切纖維通過紡織、編織或樹脂等有機物復(fù)合等方法制成的具有特定結(jié)構(gòu)的纖維預(yù)成形體[1]。預(yù)制體是復(fù)合材料的骨架，預(yù)制體的結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的致密化過程和各項性能均有重要的影響。

預(yù)制體成型方式?jīng)Q定著預(yù)制體的結(jié)構(gòu)，按照復(fù)合材料預(yù)制體的成型方式，預(yù)制體可以分為2D鋪層預(yù)制體、2.5D針刺預(yù)制體、3D編織預(yù)制體、和縫合預(yù)制體等。2D鋪成結(jié)構(gòu)預(yù)制體z向無增強纖維，復(fù)合材料層與層之間靠基體連接，層間抗剪切能力差，易產(chǎn)生裂紋分層；針刺預(yù)制體制備過程自動化程度高，但針刺只能在復(fù)合材料z向引入短切纖維，而且針刺過程中，刺針上的倒鉤會損傷面內(nèi)纖維，降低復(fù)合材料的面內(nèi)力學(xué)性能；預(yù)制體編織技術(shù)雖然可以在復(fù)合材料厚度方向引入連續(xù)纖維，但自動化程度低，預(yù)制體制備周期長；縫合技術(shù)是采用縫合線使二維織物構(gòu)成準(zhǔn)三維立體織物或使分離的數(shù)塊織物連接成整體結(jié)構(gòu)的技術(shù)[2]。一方面，縫合技術(shù)能夠?qū)⒕哂胁煌Y(jié)構(gòu)的纖維預(yù)制體連接在一起，形成整體結(jié)構(gòu)；另一方面，縫合可以有效地引入z向連續(xù)纖維，提高材料的層間性能。縫合設(shè)備目前已實現(xiàn)自動化運行，預(yù)制體制備效率高。

縫合技術(shù)的最初應(yīng)用是在1980年，通過縫紉技術(shù)來縫合層合板預(yù)浸料達(dá)到提高材料損傷容限的目的[3]。之后在美國波音公司與蘭利研究中心聯(lián)合開展的先進復(fù)合材料技術(shù)項目的支持下，自動化結(jié)構(gòu)縫合連接技術(shù)得到大力發(fā)展[4]。早期的自動化縫合采用雙邊縫合結(jié)構(gòu)，縫合設(shè)備規(guī)模大，縫合技術(shù)并沒有得到廣泛應(yīng)用。為了克服傳統(tǒng)縫合技術(shù)的限制，Alitin Nathechnik生產(chǎn)了新型的單邊Tufting縫合設(shè)備[5]。Tufting縫合設(shè)備將縫合過程集成于縫合機頭內(nèi)，并將縫合機頭與具有多自由度的高精度機器人連結(jié)，從而使得縫合預(yù)制體的形狀與尺寸不再受設(shè)備的限制。Tufting縫合能夠靈活地向復(fù)合材料z向引入連續(xù)增強纖維，使得復(fù)合材料具有優(yōu)良的層間力學(xué)性能，是一種簡單、低成本的三維預(yù)制體成型技術(shù)。

1 Tufting縫合預(yù)制體的制備

縫合可以分為雙邊縫合與單邊縫合。鎖式縫合、改進的鎖式縫合和鏈?zhǔn)娇p合屬于雙邊縫合。雙邊縫合原理類似于家用縫紉機，是從預(yù)制體兩邊通過底線和面線的配合進行縫合，面線由縫針帶入后被底線固定，縫合線上存在張力。單邊縫合技術(shù)包括兩針的ITA（Institute of Textiles, University RWTH Aachen）縫合[6]、OSS?（One-Sided Stitching, Alitin Nathechnik GmbH） 縫合[7]、彎針（Blind Stitching, KSL）縫合[8]與Tufting（singlesided tufting, German Aerospace Center and KSL）縫合[9]，依次為圖 1 中（a）、（b）、（c）、（d）。單邊縫合技術(shù)除了縫合結(jié)構(gòu)不同外，能縫合的預(yù)制體厚度方面也存在著差異。ITA最大可縫厚度最小僅為8mm，彎針縫合、OSS和Tufting縫合最大可縫厚度分別為10mm，20mm和40mm。

Tufting縫合屬于單邊無底線縫合，相比于傳統(tǒng)的雙邊縫合，Tufting縫合可只從預(yù)制體的一邊進行縫合，縫合過程受預(yù)制體或芯模形狀的影響小，對規(guī)則的平面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形面、回轉(zhuǎn)體等均可進行縫合。預(yù)制體表面沿縫合軌跡留有面線，在底部留有縫合環(huán)，但無底線穿過縫合環(huán)鎖定縫合線，縫合線上幾乎不存在張力?？p合時，先將鋪好的干纖維布或預(yù)制體固定在支撐材料上，之后通過機器人控制面板調(diào)用縫合程序，使縫合機器人控制縫合機頭在預(yù)制體上表面沿一定的軌跡進行縫合。縫合針將縫合線沿鋪纖維層厚度方向插入鋪層干纖維布或預(yù)制體，縫合線通過與鋪層纖維或支撐材料之間的摩擦力被固定在預(yù)制體內(nèi)部，縫合線可以完全穿透或部分穿過鋪層預(yù)制體，也可與預(yù)制體表面垂直或成一定的角度[10]。壓腳可以起到固定上一針縫合線與壓實預(yù)制體的作用。圖1（e）為Tufting縫合預(yù)制體結(jié)構(gòu)單元示意圖?？p合可以在預(yù)制體厚度方向上引入連續(xù)準(zhǔn)直纖維，見圖2，但對面內(nèi)纖維有擠開作用，在縫合線周圍存在孔隙。

Tufting原本是一種傳統(tǒng)的地毯制造技術(shù)，現(xiàn)如今作為一種材料厚度方向增強技術(shù)，在輕工與復(fù)合材料領(lǐng)域開始被應(yīng)用[11]。Tufting縫合設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)是一種商業(yè)化制造的產(chǎn)品，通過專用的機器人語言編程并與硬件交互，可以實現(xiàn)直線、圓弧或圓周的縫合。針、壓的腳和傳動軸由3個獨立的伺服電機分別控制，通過齒輪與齒條之間的配合來運動，縫合精度高[10]。針、壓腳和傳動軸末端配備了接近開關(guān)，通過機電配合，向控制中心反饋縫合的位置信息，輔助控制針、壓腳和傳動軸在一定的范圍內(nèi)運動。雖然通過編程可以在一定精度范圍內(nèi)控制縫合過程，但機頭內(nèi)的針和壓腳卻是通過齒輪與齒條間的機械配合實現(xiàn)運動的，因此在大范圍使用Tufting縫合時，存在理論預(yù)測與實際位置之間的偏差。

2 Tufting縫合過程可控參數(shù)

圖2 Tufting縫合預(yù)制體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of tufting preform

縫合復(fù)合材料的性能與大量的過程參數(shù)有關(guān)，涉及了縫合線張力、纖維體積含量、縫合針的類型、縫合線的類型（直徑、剛度、強度）、鋪層預(yù)制體的性能以及縫合過程的工藝參數(shù)（速度、花樣）等。由于參數(shù)眾多，本文僅就縫合針、縫合線與鋪層纖維、支撐材料、縫合密度4個方面進行概述。

2.1 縫合針

縫合針對于Tufting縫合過程來說至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的縫紉針不同，Tufting縫合針眼是傾斜的，這有利于退針時拔出縫合針（圖3）?？p合針眼后存在一個C型的通道，當(dāng)縫合針刺入鋪層纖維或預(yù)制體時，縫線由線軸拉出，穿過摩擦力極小的金屬通道，當(dāng)縫合針退針時，縫合針眼前端存在的凸出結(jié)構(gòu)使針眼前端的纖維與鋪層纖維之間緊密接觸，讓縫合線與周圍纖維的摩擦力遠(yuǎn)大于C型通道內(nèi)，從而通過摩擦力將纖維保留在鋪層預(yù)制體內(nèi)部。縫合針表面光滑，下針時與面內(nèi)間的纖維摩擦力很小，能夠輕易地將面內(nèi)纖維擠開而不是刺斷，對面內(nèi)纖維的損傷較少?？p合針可與預(yù)制體表面垂直縫合，也可以與預(yù)制體表面成一定的角度（45°～135°）進行縫合。

2.2 縫合線與鋪層纖維

縫合線不但需要滿足復(fù)合材料所要求的性能，而且要便于縫合工藝的實施。在縫合過程中，縫合線與喂線裝置之間存在著機械摩擦，使得縫合線起毛，在機器或縫合針狹窄處形成堵塞，導(dǎo)致喂線不暢，縫合線難以留在預(yù)制體中。除此之外，縫合線會在縫合針眼端處彎折，碳纖維等脆性纖維縫合線易于在此處發(fā)生斷裂。

縫合線加捻可以提高縫合線的耐磨損性能。加捻可以起到壓緊紗線的作用，并且加捻后的縫合線能夠有效地抵抗纖維因彎折、剮擦而造成的損傷。加捻后由于纖維彎曲，纖維強度和模量都會有明顯下降（表1）。縫合線上漿也可以緩解縫合線與喂線裝置之間的摩擦起毛現(xiàn)象[12]。

鋪層纖維的選取對于復(fù)合材料層面內(nèi)力學(xué)性能具有較大的影響。當(dāng)鋪層纖維松散排列時，面內(nèi)纖維在縫針插入時，易被縫針擠開，縫合基本不會引起面內(nèi)纖維的損傷；當(dāng)鋪層纖維緊密排列時，則會引起明顯的纖維損傷。縫合材料的厚度應(yīng)當(dāng)在2～35 mm之間。

一般來說，針織織物不適用于Tufting縫合技術(shù)，因為其內(nèi)部連鎖排列的紗線會阻礙縫合針的插入。平紋或緞紋織布易于縫合，無緯布鋪層是最理想的鋪層結(jié)構(gòu)[12]。

2.3 縫合密度

通過縫合引入z向纖維可以改善復(fù)合材料層間性能。但縫合密度過大，縫合所引起的面內(nèi)纖維的屈曲與損傷反而會引起面內(nèi)力學(xué)性能的下降，因此縫合密度存在最優(yōu)值。圖4是縫合結(jié)構(gòu)單元示意圖，Sx,Sy分別代表縫合針距與行距，Sx可取 3～18 mm，Sy可取 2～10mm。

2.4 支撐材料的選取

合適的支撐材料對于縫合過程是十分重要的。當(dāng)縫針完全穿透預(yù)制體時，預(yù)制體底面的支撐材料應(yīng)當(dāng)具備易于縫合針的刺入和能夠有效保留縫合線的作用。選擇合適的支撐材料對于縫合預(yù)制體的自動化操作是非常重要的：不合適的支撐材料不能有效地保留縫合線，使得縫合線在縫合針拔出時被帶出，導(dǎo)致預(yù)制體不能被縫透。

圖3 Tufting縫合針結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of Tufting needle

表1 HTA炭纖維和加捻縫合線性能 MPa

圖4 縫合結(jié)構(gòu)單元Fig.4 Tufting cell

發(fā)泡材料具有足夠的剛度可用于縫合復(fù)合材料的支撐，同時，泡沫材料具有足夠的彈性，有利于縫合針拔出時留住縫合線。常用的發(fā)泡材料有適合于縫合平板的發(fā)泡硅和適合于縫合回轉(zhuǎn)體的閉孔發(fā)泡塑料Airex?R63等。發(fā)泡材料有可能被縫合針刺碎，當(dāng)縫合針拔出時，部分發(fā)泡材料碎屑會被帶入預(yù)制體內(nèi)部，例如以SIL16發(fā)泡硅作為支撐材料時，在縫合線自由端0.5mm的范圍內(nèi)檢測到了Si元素[12]。Airex?R63是一種耐損傷泡沫，剪切斷裂延伸率為70%，縫合完畢后，可沿與縫合預(yù)制體底面平行方向拉拽移除。除此以外，羊毛氈、聚苯乙烯泡沫也可以作為支撐材料使用。縫合環(huán)長度（預(yù)制體上表面到縫合線彎曲點的距離）一般與縫合針下針深度成線性相關(guān)，縫合針下針深度需要比所需的縫合環(huán)長度多 12～14mm[12]。

3 縫合對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

縫合會造成面內(nèi)楊氏模量（包括壓縮、拉伸、彎曲）的降低，這是因為縫合會改變面內(nèi)纖維的排列方向[13]。鋪層纖維的斷裂對于復(fù)合材料彈性模量的影響較小[14]。在典型的層合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，載荷由斷裂纖維傳遞到周圍0.1 mm左右內(nèi)的無損傷纖維上，只有當(dāng)斷裂纖維的平均間距低于0.5 mm時才能造成面內(nèi)性能的明顯下降。事實上，縫合復(fù)合材料中，斷裂纖維的間距通常在3～10 mm，斷裂纖維的體積含量也不超過0.5%。

縫合技術(shù)可以明顯地提高層合材料層間力學(xué)性能。復(fù)合材料層間力學(xué)性能通常用層間斷裂韌性來表征，其代表材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力，用臨界能量釋放率GRS表示，GRS（J/m2）代表單位面積上發(fā)生分層所消耗的能量[15]。

縫合復(fù)合材料分層擴展方式通常有張開型（I型）和滑開型（II型）?？p合會增加復(fù)合材料的層間剪切強度，其原因有：（1）縫合線在層間裂紋之間形成搭接與橋聯(lián)，纖維承擔(dān)一部分剪切應(yīng)力； （2）面內(nèi)纖維的扭折會增加已經(jīng)形成的層間裂紋層面之間的摩擦阻力。對于I型分層斷裂來說，縫合使層合板在厚度方向有了增強纖維，分層裂紋前端形成纖維橋接區(qū)，產(chǎn)生抵抗分層的閉合力，直到最后縫線破壞、拔出。對于II型分層斷裂來說，面內(nèi)剪應(yīng)力作用下分層擴展是由于分層區(qū)上下界面相對滑動引起縫線的彈性伸長，接著在分層平面內(nèi)斷裂而導(dǎo)致的。

相比針刺與傳統(tǒng)的雙邊縫合，Tufting縫合復(fù)合材料可以提高復(fù)合材料層間性能，同時，對復(fù)合材料面內(nèi)力學(xué)性能的影響較小。Z向纖維體積含量為0.5%的Tufting縫合碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料可以提高復(fù)合材料Ⅰ型斷裂韌性7倍，Ⅱ型斷裂韌性61%，而材料的拉伸模量基本無變化，拉伸強度的降低不超過10%[11,17]。對于雙邊縫合復(fù)合材料來說，縫合后，復(fù)合材料面內(nèi)拉伸模量的降低一般不超過15%，強度可能會升高或降低，變化幅度不超過15%～20%[13]。對于針刺復(fù)合材料來說，刺針對網(wǎng)胎和碳布纖維造成的損傷會引起平面內(nèi)強度的大幅降低，針刺密度為8針/cm2的炭布，經(jīng)向拉伸強力下降32%，緯向拉伸強力下降35%[18]。

纖維作為增強體對復(fù)合材料的最終性能起著決定性的作用，根據(jù)復(fù)合材料混合定律，復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維體積含量相關(guān)，纖維體積含量可由預(yù)制體密度與纖維密度之比來獲得，因而預(yù)制體密度對復(fù)合材料來說是一項重要的性能的參數(shù)。與針刺（預(yù)制體密度0.4～0.5 g/cm3）、軟硬混編（預(yù)制體密度 0.6 g/cm3）等具有3D結(jié)構(gòu)預(yù)制體相比，Tufting縫合預(yù)制體密度更高，可達(dá)0.79 g/cm3。針刺預(yù)制體經(jīng)縫合后，密度可提升10%以上。

與傳統(tǒng)的2D復(fù)合材料相比，縫合可以有效地提高復(fù)合材的沖擊損傷容限。Dell’anno等[19]分別使用2K加捻碳纖維與3束加捻玻璃纖維縫合線制備縫合密度為11.11針/cm2的緞紋平板預(yù)制體，通過RTM環(huán)氧樹脂致密，與未縫合的復(fù)合材料相比，沖擊后壓縮強度分別提高25%與27%。

嵇阿琳等[20]使用加捻碳纖維縫合制備圓筒預(yù)制體（圖5）。通過CVI工藝致密為C/C復(fù)合材料，密度為1.45 g/cm3，縫合C/C復(fù)合材料力學(xué)性能見表2[20-21]，與針刺C/C相比，縫合C/C復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能。

Henao[22]分別利用碳纖維和玻璃纖維縫合線Tufting縫合泡沫夾心三明治結(jié)構(gòu)，通過三點彎曲試驗測試復(fù)合材料彎曲強度，發(fā)現(xiàn)縫合區(qū)域相較于未縫合區(qū)域，碳纖維縫合與玻璃纖維縫合復(fù)合材料彎曲強度分別增加56.79%與113.47%。除此之外，Tufting縫合T型夾筋蒙皮結(jié)構(gòu)也可以提升復(fù)合材料失效破壞前最大載荷，見圖6[23]所示。

圖5 縫合回轉(zhuǎn)體Fig.5 Revolving body manufactured by tufting

表2 縫合與針刺C/C復(fù)合材料力學(xué)性能 MPa

圖6 T型試驗件位移-載荷曲線Fig.6 Displacement-load curves of T-shaped specimen

4 結(jié)論

Tufting縫合技術(shù)作為一種新型的預(yù)制體成型技術(shù)，具有預(yù)制體形狀與尺寸受限小，縫合精度高，能夠自動化生產(chǎn)等特點。

目前對于Tufting縫合預(yù)制體及其復(fù)合材料的研究還有許多問題有待于進一步的探索，在工藝參數(shù)與最終復(fù)合材料力學(xué)性能關(guān)系方面，亟需確立能夠指導(dǎo)設(shè)計與實際生產(chǎn)的工藝方法和技術(shù)參數(shù)。解決好這些問題，對于提升我國的航空航天材料及民用材料的發(fā)展具有十分重要的意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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