高性能纖維2.5D/3D高效快速織造理論與技術(shù)研究

談 源 蔣金華 謝 波

1.江蘇省高性能纖維復(fù)合材料重點(diǎn)實驗室、常州市宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司 江蘇 常州 213135

2.東華大學(xué) 上海 201620

二維及三維紡織復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高級形式,其增強(qiáng)結(jié)構(gòu)為三維紡織預(yù)制體,具有優(yōu)異的力學(xué)性能和抗損傷性能,在航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。編織技術(shù)是紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料預(yù)制件技術(shù)的重要一種,分為兩維編織和三維編織,目前兩維編織技術(shù)比較成熟,適用于碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等高性能纖維的編織,三維編織技術(shù)雖然已經(jīng)成功用于生產(chǎn),但在特種復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)方面仍存在難題。本研究旨在研究低成本、高性能、新型編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料增強(qiáng)體的工程化、產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù),重點(diǎn)攻克高性能纖維2.5D/3D高效快速織造理論與技術(shù),為新型編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及新材料的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模提供支撐。

一、高性能纖維2.5D/3D高效快速織造研究內(nèi)容

高性能纖維2.5D/3D高效快速織造技術(shù)主要是研究低成本、高性能、新型編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料工程化、產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù),深入研究高性能纖維編織退繞控制技術(shù),異型編織結(jié)構(gòu)預(yù)成形體編織技術(shù)、紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料特種編織與裝備等關(guān)鍵技術(shù);形成新型編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的核心技術(shù)以及裝備,提高三維編織工藝及設(shè)備、加速三維異型整體編織復(fù)合材料的發(fā)展和推廣應(yīng)用,為新型編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及新材料的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模提供支撐。主要包括幾下以方面。

1.高性能纖維可編織技術(shù)與退繞技術(shù)。針對于編織設(shè)備及倒筒設(shè)備對于使用玻纖,碳纖,或其他高性能纖維生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量毛絲進(jìn)行設(shè)備改造,以達(dá)到減少毛絲現(xiàn)象的產(chǎn)生。研究設(shè)備倒筒起毛情況原因、編織機(jī)構(gòu)紗線損傷情況,研究分析可編織性改進(jìn)方法,優(yōu)化改進(jìn)倒筒設(shè)備機(jī)械與編織機(jī)構(gòu)。

2.2.5D/3D編織結(jié)構(gòu)預(yù)成形體高效編織技術(shù)。攻克高性能纖維2.5D/3D高效快速織造理論與技術(shù),研究異型編織結(jié)構(gòu)纖維取向與分布情況,纖維排列及走向規(guī)律,突破多向纖維紗線在斜向或縱向互相交織、纖維方向和分布、形成整體結(jié)構(gòu)的編織基礎(chǔ)理論,提升編織預(yù)成形體優(yōu)化二維、三維編織工藝。開發(fā)出多種規(guī)則形狀異型截面預(yù)制件的三維紡織技術(shù),解決織造不同形狀、尺寸、織物結(jié)構(gòu)的規(guī)則異型三維紡織預(yù)制件的關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)難題。構(gòu)建二維及三維預(yù)型件及復(fù)合材料的各項性能測試分析及綜合性能評價方法。

3.紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料特種編織與裝備優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)。優(yōu)化三維異型編織技術(shù)織造的整體性和力學(xué)合理性的關(guān)鍵技術(shù),提高三維異型整體機(jī)織技術(shù)的靈活性及復(fù)雜形狀織物的創(chuàng)造性;研究纖維束排列布局的設(shè)計、工藝過程的動態(tài)規(guī)律,實現(xiàn)三維異型整體機(jī)織的半自動化與自動化,突破大型三維編織工藝及專用設(shè)備的研究,實現(xiàn)復(fù)雜形狀的預(yù)成形體自動化編織。形成新型編織結(jié)構(gòu)編織核心技術(shù)與快速編織裝備優(yōu)化技術(shù),解決玻纖,碳纖等高性能纖維生產(chǎn)過程中容易起毛、效率低的難題,提高制品的加工穩(wěn)定性和品質(zhì)。

二、高性能纖維2.5D/3D高效快速織造技術(shù)路線

1.織物編織工藝設(shè)計及機(jī)構(gòu)優(yōu)化

嘗試從三維管狀織物入手,研究管狀編織物的組織形態(tài)、外形尺寸、紗線取向等,可以通過選擇紗錠的個數(shù)、紗錠在軌道盤上運(yùn)動的速度、牽拉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度、紗線的粗細(xì)來確定。管道的編織參數(shù)設(shè)計根據(jù)編織物的組織形態(tài)、外形尺寸、紗線取向以及各方面性能上的要求,可以通過選擇軸向紗錠的個數(shù),紗錠在軌道盤上運(yùn)動的速度與牽拉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度比即齒輪比,起始編織點(diǎn)距離軌道盤的距離即編織距離,紗線的細(xì)度來確定。

管狀編織物最重要的參數(shù)為紗線的編織角α,可由轉(zhuǎn)動速度n、牽拉速度v和心軸直徑Dm計算得到,如下式:

通常對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)心軸,直徑在不斷變化,需要調(diào)節(jié)牽拉速度以達(dá)到均勻的編織角,從而保證管狀織物相同的緊度。

三維管狀織物的直線單元長度l與線跡單元長度s、紗線寬度d的關(guān)系為:

在兩軸向編織管狀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,為了增加軸向強(qiáng)力,還可以沿著軸向0°方向增加一個方向的軸向紗線。

擬采取的如下幾種途徑來達(dá)到提高整體強(qiáng)度的要求:(1)增加碳纖維束的數(shù)量,盡可能提高纖維體積分?jǐn)?shù),滿足復(fù)合材料理論強(qiáng)度目標(biāo)的要求;(2)增加多層層數(shù)鋪層復(fù)合編織,提高織物預(yù)型件及復(fù)合材料整體性能。若設(shè)計為多層編織結(jié)構(gòu),各層之間可以還可以通過縫合進(jìn)行層間連接,縫紉加固方法可有效地提高編織纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管件的機(jī)械性能以及能量吸收性能。(3)除了如斜向編織方向外,增加0°方向的增強(qiáng)纖維束,如0°增強(qiáng)纖維束與30°編織束層間上下交織成為一體,不會分層,通過優(yōu)化設(shè)計選擇合理的不同角度紗束的配比,提高材料的強(qiáng)度滿足最終目標(biāo)強(qiáng)度的要求。

2.三維編織理論及技術(shù)優(yōu)化

首先解決高性能纖維的倒筒難題。在上機(jī)織造之前,研究纖維纏繞到特定的紗管上倒筒技術(shù),碳纖維經(jīng)倒紗工藝后在紗管上的排列情況對后道編織的影響較大。根據(jù)項目研究經(jīng)驗,在倒紗過程中應(yīng)關(guān)注解決以下問題:

(1)碳纖維紗線呈條帶狀,且模量很大,為了使紗線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,便于編織,碳纖維的退繞應(yīng)采取切向退繞的方式;

(2)碳纖維斷裂伸長率小,屬于脆性材料,彎曲纏繞過程中易產(chǎn)生飛花,因此,纏繞機(jī)要保持低速纏繞,減少碳纖維復(fù)絲在纏繞過程中的損傷;

(3)倒筒時應(yīng)適當(dāng)控制纏繞過程中的張力,易于編織過程中紗管上的紗線順利退繞。纏繞紗管過程中提高紗線的張力有利于碳纖維復(fù)絲在紗管上的均勻分布,但會加大紗線與導(dǎo)紗部件之間的摩擦,使紗線受到磨損,發(fā)生起毛飛花。

創(chuàng)新采用了預(yù)浸料紗線處理方法、編織可靠性研究,制備了滿足編織要求的預(yù)浸紗;搭建了三維編織樣機(jī),并對編織機(jī)多項導(dǎo)紗機(jī)構(gòu)、編織模具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn),減少了毛羽產(chǎn)生及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型。

三維編織技術(shù)是對二維編織技術(shù)的擴(kuò)展,增加了紗線和紗線系統(tǒng)的數(shù)目,以形成更多的紗線交織,按織造工藝主要分為三類:行列式三維編織、旋轉(zhuǎn)式三維編織和六角形三維編織。行列式三維編織中攜紗器的移動是以整行或整列的形式進(jìn)行的,雖然可以用來織造異形截面的三維編織物,但其編織速度較慢,一般為每分鐘8個-10個機(jī)器循環(huán);而且攜紗器帶紗較少,導(dǎo)致連續(xù)編織10m-20m后即需更換紗管;也不適用于變截面三維織物的織造。旋轉(zhuǎn)式三維編織中攜紗器均勻分布在以編織軸為圓心的圓周上,且至少有兩組紗線,其中一組繞底盤中心點(diǎn)順時針旋轉(zhuǎn),另一組繞底盤中心點(diǎn)逆時針旋轉(zhuǎn),形成封閉的路徑。槽輪凹槽的數(shù)量決定了編織紗交織的形式以及編織物的結(jié)構(gòu),尤其是角輪的凹槽只有一半可以放置攜紗器。六角形三維編織相較于行列式和旋轉(zhuǎn)式編織更加靈活,可以依據(jù)編織物的截面形狀和空間結(jié)構(gòu)選擇攜紗器的分布和運(yùn)動路徑,不必重新加工機(jī)器底盤。

二維編織由于其交織規(guī)律相對簡單,機(jī)械加工自動化程度較高,適用于編織一些回轉(zhuǎn)體的殼結(jié)構(gòu),比如圓形管、方形管等。

深入分析比較不同類型三維編織理論機(jī)理,攻克高性能纖維2.5D/3D高效快速織造理論與技術(shù),研究異型編織結(jié)構(gòu)纖維取向與分布情況,纖維排列及走向規(guī)律,突破多向纖維紗線在斜向或縱向互相交織、纖維方向和分布、形成整體結(jié)構(gòu)的編織基礎(chǔ)理論,提升編織預(yù)成形體優(yōu)化二維、三維編織工藝。

開發(fā)出多種規(guī)則形狀異型截面預(yù)制件的三維紡織技術(shù)及設(shè)備改進(jìn)方案,解決織造不同形狀、尺寸、織物結(jié)構(gòu)的規(guī)則異型三維紡織預(yù)制件的關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)難題。

3.編織件整體設(shè)計與性能預(yù)測及評價

根據(jù)三維編織管狀織物最終性能的目標(biāo)要求,首先從理論上初步估算選材、如管狀織物預(yù)型件及復(fù)合材料的性能。并構(gòu)建二維及三維預(yù)型件及復(fù)合材料的各項性能測試分析及綜合性能評價方法。

采用理論和實驗相結(jié)合的方法,構(gòu)建復(fù)合材料管件的各項性能測試分析及綜合性能評價等,形成管狀織物編織、復(fù)合成型、性能評估全套技術(shù)報告及規(guī)范等。

·編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彈性常數(shù)計算方法

通過理論分析方法,構(gòu)建增強(qiáng)相單胞網(wǎng)格,提取及纖維束編織結(jié)構(gòu)參數(shù),預(yù)測復(fù)合材料彈性常數(shù)等。

圖1 二維三軸向編織管結(jié)構(gòu)

如圖1中,矩形框所示即為選取的單胞,單胞模型的長度為L,寬度為W,編織角為γ。y軸平行于材料軸向,x軸平行于材料橫向方向,z軸平行于材料厚度方向。假設(shè)纖維束橫截面為透鏡形。根據(jù)幾何關(guān)系,建立細(xì)觀模型相關(guān)參數(shù)關(guān)系如下:

定義纖維束橫截面面積A,其計算公式為:

從圖4可以看出,在一個矩形單胞模型內(nèi)中含有兩根軸向纖維束和四根編織向纖維束,則軸向纖維束a和編織向纖維束b的體積以及單胞的纖維體積含量分別為

其中,Aa 為軸向纖維束橫截面面積,Ab 為編織向纖維束橫截面面積,La為軸向纖維束弧長,Lb編織向纖維束弧長,Φ為纖維束的紗線填充因子,可認(rèn)為編織纖維束與軸向纖維束的橫截面和紗線填充因子相同。

以上給出了單胞模型提取算法,利用該算法可以快速提取出編織預(yù)制件中指定范圍內(nèi)的增強(qiáng)相單胞網(wǎng)格模型。

復(fù)合材料彈性常數(shù)計算方法及驗證,利用單胞模型計算彈性模量Ex和泊松比μxy、μxz等。另外,根據(jù)計算的各種彈性常數(shù),結(jié)合實驗測得的結(jié)果,進(jìn)行有限元分析驗證比較,進(jìn)一步優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和性能

·復(fù)合材料性能方法評價的構(gòu)建

針對最終復(fù)合材料管件,建立拉伸、壓縮、彎曲、層間剪切等各種應(yīng)用狀態(tài)下的測試方法,并針對管狀試件,制備專門的夾具工裝便于準(zhǔn)確的夾持和測試、不損傷制件。最終形成管狀等形狀織物編織、復(fù)合成型、性能評估全套技術(shù)報告及規(guī)范等。

三、結(jié)語

隨著裝備應(yīng)用環(huán)境更加苛刻及多功能化的需求,增強(qiáng)體構(gòu)件趨向尺寸大型化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、整體輕量化,這就對高性能復(fù)合材料增強(qiáng)體的設(shè)計及制造提出了迫切需求。因此,需要我們不斷進(jìn)行自主創(chuàng)新,通過技術(shù)攻關(guān),突破制約我國高性能纖維紡織材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,縮小我國同發(fā)達(dá)國家的差距,帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和發(fā)展,提高我國三維紡織增強(qiáng)材料的設(shè)計、制造和開發(fā)應(yīng)用水平,提升我國復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力。