高級復(fù)合材料的抗皺新方法

高級復(fù)合材料的抗皺工藝一直是該行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。全球業(yè)界都在此領(lǐng)域展開不懈的努力研究。

現(xiàn)代復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的誕生要追溯到20世紀(jì)60年代，那時人們發(fā)明了芳綸和碳纖維在內(nèi)的高性能連續(xù)纖維。多年來，這類纖維的可用性日益提升，加之擁有了高比強度和剛度特性，使一系列先進(jìn)的工程結(jié)構(gòu)在航空航天和汽車領(lǐng)域得以迅速應(yīng)用與發(fā)展。

基于不同基體體系（通常是聚合物）的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)性能可以根據(jù)具體的設(shè)計要求、工藝條件和制造方法進(jìn)行調(diào)整。例如，與鋁相比，基于碳纖維的聚合物基復(fù)合材料部件的定制設(shè)計可使其重量降低30%，甚至與鋼材料相比降低了70%。

不過，要制造出高品質(zhì)、可靠的纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)卻困難重重，這與增強材料的連續(xù)性直接相關(guān)。特別是用紡織形態(tài)制作具有一定幾何復(fù)雜性的結(jié)構(gòu)時，如雙彎曲部件，這一弱點更加凸顯。

這些制造問題也引發(fā)業(yè)界地干（未固化）增強體及其固化體的變形和成型機理進(jìn)行研究。從20世紀(jì)70年代后期起到現(xiàn)在，各種不同形式材料的研究仍在繼續(xù)，相關(guān)的自動化成型工藝也在不斷發(fā)展，并且制造工藝也日益復(fù)雜化。

復(fù)合材料制造面臨挑戰(zhàn)

隨著單向纖維復(fù)合材料的成功應(yīng)用，多向纖維的復(fù)合材料也在改變產(chǎn)品設(shè)計的速度、強度及成本。目前用于制造紡織纖維材料和預(yù)成型材料及在模具中的精確定位的技術(shù)，通常與高科技應(yīng)用有關(guān)，這些應(yīng)用要求部件的公差較低才能通過質(zhì)量測試。

另一方面，現(xiàn)有的紡織纖維類型和結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)技術(shù)及其廣泛的組合領(lǐng)域，其優(yōu)化的通用設(shè)計策略與成型過程模糊不清，而以下挑戰(zhàn)目前被認(rèn)為是與紡織復(fù)合材料產(chǎn)品和預(yù)制件的高效和可再生制造最為相關(guān):（1）通過正確選擇織物材料及其鋪層，優(yōu)化制造步驟的設(shè)置及廢物管理，如采用近似純潔凈化的生產(chǎn)方法和對干燥和預(yù)浸漬織物進(jìn)行無缺陷處理，從而減少缺陷且降低生產(chǎn)成本；（2）實現(xiàn)高保真的仿真工具，在復(fù)雜的三維形狀零配件成型方面尤為如此。

紡織復(fù)合材料的生產(chǎn)過程中，一個主要的難題就是起皺，設(shè)計師認(rèn)為這是質(zhì)量問題的關(guān)鍵，因為起皺會導(dǎo)致最終結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和使用壽命降低80%，可能會給公司造成巨大的經(jīng)濟損失。起皺的嚴(yán)重程度受各種制造因素影響，包括模具選擇、材料特性、疊層結(jié)構(gòu)、刀具與零件的相互作用以及加工設(shè)備的質(zhì)量等。

在本質(zhì)上，尖角或緊固件邊緣（對成型性要求較高之處）產(chǎn)生過較大的剪切角會導(dǎo)致交織纖維產(chǎn)生屈曲，降低相鄰層間的層間粘合力。因此，了解制造過程的每一步和材料系統(tǒng)的成型機理是減少這些褶皺和控制最終部件性能的關(guān)鍵。

預(yù)測模擬模型的成功方法

當(dāng)前，幾乎已非常接近地預(yù)測，在紡織復(fù)合材料時需施加何種適當(dāng)?shù)牧Σ拍軠p少終端產(chǎn)品的褶皺，即通過在織物邊緣施加適當(dāng)二維邊界的方法即可實現(xiàn)，然后使用工具使其與實際的三維場景形成關(guān)聯(lián)。

加拿大哥倫比亞大學(xué)（UBC）研究人員提出一種新的方法以研究紡織復(fù)合材料的起皺／去皺形態(tài)。相關(guān)研發(fā)人員最近在該校奧肯那根（Okanagan）校區(qū)的復(fù)合材料研究網(wǎng)絡(luò)實驗室進(jìn)行了多步驟測試，即依靠雙軸夾具框架進(jìn)行測試，該測試可評估在不同剪切角度下形成的不同尺寸平滑的褶皺所需力的大小。

專業(yè)圖像處理和三維掃描使分析所需的力可凸顯它對材料起皺和去皺形態(tài)造成的影響。該項目負(fù)責(zé)人博士生阿明·拉希迪（Armin Rashidi）表示，他們對梭織物起皺和去皺特性的分析揭示了一種新的現(xiàn)象，即紗線幾何形狀或生產(chǎn)過程中的不可控來源等各種參數(shù)影響起皺形態(tài)。

他們認(rèn)為可建立與二維特征相關(guān)測試和實際的3D機織物的成型操作模式，進(jìn)而可基于修改壓邊模具或壓邊框的幾何形狀，實現(xiàn)數(shù)字模擬設(shè)計的精確去皺。事實證明，預(yù)測數(shù)值模型可減少成型優(yōu)化過程中的試驗和誤差。

另一種測試設(shè)備稱為復(fù)合材料的“數(shù)字孿生體”，它可精確預(yù)測褶皺的大小和形狀。通過數(shù)字模擬實現(xiàn)所提及的去皺方法。全世界都有多個團隊在進(jìn)行這類研究。值得一提的是，哥倫比亞大學(xué)的研究人員最近推出一種混合建?？蚣?，用于預(yù)測三維表層織物的成型模式，它具有無與倫比的時間效率。在這種混合框架下，他們實施了多步驟優(yōu)化設(shè)計方法，其中基于運動學(xué)的可初步模擬產(chǎn)生褶皺的部分區(qū)域，以及相應(yīng)的剪切角范圍，然后完整的有限元模型可進(jìn)一步精確捕獲褶皺的位置和大小。

該研究的下一步是，進(jìn)行張力輔助成型試驗和改進(jìn)壓邊幾何概念，在成型過程中施加最佳邊界力，從而幫助實現(xiàn)最低成本的“被動”減皺。

抗皺新工藝前景一片光明

新的復(fù)合材料工藝正在改變產(chǎn)品在先進(jìn)制造領(lǐng)域的設(shè)計和建造方式。輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造趨勢及其自動化制造過程表明，這類材料的需求正在增加；為提高資源效率，減少二氧化碳排放和開發(fā)能以絕對新穎的想法滿足消費者需求的組件，正是復(fù)合材料研發(fā)的重要基礎(chǔ)。然而，紡織復(fù)合材料的制造商更傾向于尋找新的方法以確保最終產(chǎn)品無缺陷，尤其是起皺方面，因為它會效降低其力學(xué)性能。

目前，隨著高保真仿真工藝的不斷研發(fā)，依靠定制測試設(shè)備和表征夾具，控制合理的成形系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，全球業(yè)界這方面的能力都在不斷提高。隨著這一領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，包括更多的聚合物樹脂和織物增強材料的出現(xiàn)，新型成型裝置不斷涌現(xiàn)，進(jìn)一步的研究為制造商提供了最新的分析方法，它特別促使在不同加工周期下多層織物復(fù)合材料的成型水平上升到更高的水平。

此外，隨著傳感嵌入式特征和覆蓋方法的持續(xù)發(fā)展，業(yè)界認(rèn)為，高級復(fù)合材料的褶皺問題，無論是宏觀還是微觀方面的加工工藝，其基本成型機制下的創(chuàng)新研發(fā)都將為這一領(lǐng)域帶來福音，因為在不久的將來，復(fù)合材料4.0版將為此開辟解決問題的新興途徑，利用可靠的數(shù)字化來完成成型過程，促使褶皺問題完美解決。

（據(jù)美國《高級紡織資源》網(wǎng)https://advancedtextilessource.com/2018/08/06/tacklingwrinkling-in-advanced-textile-composites/近期資料）