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    三維針刺技術(shù)研究進(jìn)展

    2021-05-27 07:07:22陳小明李晨陽(yáng)謝軍波張一帆
    紡織學(xué)報(bào) 2021年5期
    關(guān)鍵詞:復(fù)合材料針刺研究

    陳小明, 李晨陽(yáng), 李 皎, 謝軍波, 張一帆, 陳 利

    (1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300387; 2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料 教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387; 3. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300387)

    立體織物增強(qiáng)復(fù)合材料主要包括三維編織復(fù)合材料、三維機(jī)織復(fù)合材料、縫合復(fù)合材料和三維針刺復(fù)合材料等,由于其優(yōu)異的層間性能,在航空航天、國(guó)家防御和軌道交通等高技術(shù)領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[1]。

    三維針刺是立體織物的低成本制備技術(shù),網(wǎng)胎中的短切纖維通過(guò)刺針帶入到織物的厚度方向,提升了織物的層間強(qiáng)度,且由于其自動(dòng)化程度高、交貨周期短、成本低,一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。1988年,Olry提出了平板織物均勻化成型技術(shù)[2],經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,三維針刺技術(shù)從平板針刺成型逐漸發(fā)展到復(fù)雜異型曲面的針刺成型;面對(duì)針刺損傷問(wèn)題和針刺織物厚度方向上缺乏貫穿性連續(xù)纖維等不足,低損傷針刺成型技術(shù)和多組元混雜結(jié)構(gòu)等新結(jié)構(gòu)的針刺成型也得到了研究人員的廣泛關(guān)注;同時(shí),三維針刺復(fù)合材料在實(shí)驗(yàn)表征、理論分析和數(shù)值模擬方面也得到了廣泛研究,為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了重要的基礎(chǔ)。為了更好地了解三維針刺技術(shù)的研究情況,本文闡述了三維針刺技術(shù)的最新進(jìn)展,并對(duì)現(xiàn)有三維針刺技術(shù)發(fā)展水平和面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了總結(jié),以期為三維針刺技術(shù)的發(fā)展提供參考。

    1 三維異型針刺成型裝備

    為了滿足航空航天、國(guó)家防御等領(lǐng)域材料降成本的迫切需求,異型三維針刺織物的應(yīng)用日益廣泛,異型織物針刺成型裝備技術(shù)近年來(lái)也得到了快速發(fā)展,現(xiàn)有的針刺異型裝備主要包括回轉(zhuǎn)體針刺成型裝備和自由曲面織物針刺成型裝備。

    1.1 回轉(zhuǎn)預(yù)制體針刺成型裝備

    在平板針刺機(jī)的基礎(chǔ)上,研究人員對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行改進(jìn),發(fā)明了多種回轉(zhuǎn)預(yù)制體的專用針刺成型裝備。圖1(a)示出一種用于制備變直徑回轉(zhuǎn)預(yù)制體針刺成型裝備[3],采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)針刺往復(fù)運(yùn)動(dòng),同時(shí)采用仿形針板和仿形剝網(wǎng)板實(shí)現(xiàn)仿形針刺成型,滿足多層變直徑回轉(zhuǎn)預(yù)制體的針刺生產(chǎn)要求,主要解決現(xiàn)存工藝操作過(guò)程中生產(chǎn)效率低、成本高等問(wèn)題;圖1(b)示出一種臥式圓柱形回轉(zhuǎn)體針刺機(jī)[4],通過(guò)采用剝網(wǎng)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器和壓力傳感器,實(shí)現(xiàn)剝網(wǎng)板在線壓力監(jiān)測(cè)及調(diào)節(jié),有效控制針刺產(chǎn)品密度,實(shí)現(xiàn)高精度針刺成型,適用于等直徑回轉(zhuǎn)體針刺成型;封頂織物的針刺成型設(shè)備也得到了廣泛關(guān)注,如異形截面立體織物針刺機(jī)[5],集成球面針刺裝置和平面針刺裝置,其中球面針刺裝置用于封頂織物的頂部針刺成型;碳纖維坩堝預(yù)制體制備的針刺機(jī)[6],采用伺服電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力,針刺角度可控,能夠滿足不用外形坩堝的針刺成型,以及導(dǎo)彈殼體的專用針刺機(jī)[7],取代了人工操作使得生產(chǎn)效率大大提高,確保尺寸精度的同時(shí)達(dá)到量產(chǎn)的要求。上述異型針刺機(jī)多是在傳統(tǒng)平板針刺上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),采用大型的針板進(jìn)行針刺成型,效率較高,但是專用性強(qiáng),織物構(gòu)型的適應(yīng)性有限,通常需要針對(duì)特定織物構(gòu)型進(jìn)行量身設(shè)計(jì)。

    圖1 回轉(zhuǎn)體專用針刺成型裝備Fig.1 Special needle punching equipment for rotary preform.

    為了提高異型針刺機(jī)對(duì)預(yù)制體品形的適應(yīng)性,研究人員開發(fā)了柔性針刺機(jī)技術(shù)[8-9]。圖2為多軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)預(yù)制體柔性針刺機(jī)[8]。針刺頭通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)控制擺動(dòng),適應(yīng)性強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)多品形變截面回轉(zhuǎn)體預(yù)制體的針刺成型。同時(shí),提出了用于無(wú)芯模的回轉(zhuǎn)預(yù)制體針刺成型的支撐裝置[10],可有效針對(duì)飛行器天線罩等封頂織物無(wú)芯模區(qū)的針刺成型。

    圖2 回轉(zhuǎn)體柔性針刺成型裝備Fig.2 Flexible needle punching equipment for rotary preform

    1.2 自由曲面織物針刺成型裝備

    基于六關(guān)節(jié)機(jī)器人的針刺設(shè)備可很好地滿足自由曲面織物的針刺成型,如圖3所示。一種針刺機(jī)器人裝備[11-12],包括六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人、氣動(dòng)針刺頭和回轉(zhuǎn)工作臺(tái),可滿足復(fù)雜曲面織物的三維針刺成型;另外,研究人員初步建立了針刺機(jī)器人路徑規(guī)劃方法[13],實(shí)現(xiàn)了針刺機(jī)器人的位姿計(jì)算,以及機(jī)器人可執(zhí)行程序的輸出,然而,商用的針刺路徑規(guī)劃CAD/CAM軟件技術(shù)仍需深入的研究。

    圖3 自由曲面針刺機(jī)器人Fig.3 Needle punching robot for free-form surfaces preform

    此外,為進(jìn)一步提高針刺成型質(zhì)量和滿足復(fù)雜小型預(yù)制體織物針刺成型,帶力反饋的針刺機(jī)器人工作臺(tái)[14]、用于小批量多品形小型針刺織物針刺成型的手提氣動(dòng)針刺槍[15],以及基于紗線針刺的織物增材制造技術(shù)[16](如圖4所示)得到了研究人員的廣泛關(guān)注。

    圖4 針刺織物3D打印機(jī)Fig.4 3D printer for needle-punched fabric

    雖然異型織物自動(dòng)化針刺成型技術(shù)得到了較快的發(fā)展,適用于復(fù)雜自由曲面預(yù)制體的機(jī)器人針刺技術(shù)也得到了初步研究。然而,通用的針刺機(jī)器人軌跡規(guī)劃CAD/CAM軟件技術(shù)尚不成熟,已成為復(fù)雜曲面預(yù)制體快速、高質(zhì)量針刺成型織造的卡脖子問(wèn)題,亟待突破。面對(duì)復(fù)雜預(yù)制體高質(zhì)高效的針刺成型需求,急需構(gòu)建機(jī)器人新型智能針刺頭,實(shí)現(xiàn)剝網(wǎng)板壓力和針刺深度的實(shí)時(shí)調(diào)控;需要建立針刺頭刀庫(kù)以及快換系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)基于分區(qū)的高效針刺成型;同時(shí),突破多工位、多機(jī)器人高效協(xié)同針刺織造智能生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù),集成針刺過(guò)程智能檢測(cè)和基于針刺力大數(shù)據(jù)的針刺織物性能智能評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)針刺自動(dòng)化到針刺智能化的跨越發(fā)展。

    2 三維針刺刺針

    三維針刺刺針的構(gòu)型和織物的成型質(zhì)量有密切關(guān)系,根據(jù)所用纖維原材料和最終產(chǎn)品所需特性,需要采用不同長(zhǎng)度、工作部位形狀及鉤刺分布與性能的合適構(gòu)型針型。常見的刺針主要有:標(biāo)準(zhǔn)三角形刺針、漸變鉤刺針、錐形針、Cross STAR?(星形四角)、Tri STAR?(星形三角)、水滴形針和Twisted等[17-18],如圖5所示。其中,標(biāo)準(zhǔn)三角形刺針能夠滿足各種用途預(yù)制體的針刺成型,適用范圍廣;漸變鉤刺針和錐形針適用于預(yù)刺及天然纖維、再生纖維及高韌性纖維(如對(duì)位芳綸)的針刺;Cross STAR?主要應(yīng)用于面料厚重的土工布及對(duì)各向同性要求較高的場(chǎng)合;Tri STAR?應(yīng)用于對(duì)抗撕裂強(qiáng)度要求嚴(yán)格的土工布(產(chǎn)品面密度較輕);水滴形針通常適于有底布的加工,如過(guò)濾氈或用于家具裝潢面料的針刺。

    圖5 格羅茨-貝克特刺針截面Fig.5 Cross section of Groz-Beckert needles

    為了提高針刺成型質(zhì)量,科研人員不斷開展新型刺針的研發(fā),包括正刺刺針[18]、活動(dòng)刺鉤刺針[19]、雙向刺鉤刺針[20]等。圖6(a)示出一種正刺刺針[18]。針葉上的刺鉤為正向刺鉤,即刺鉤的開口方向朝向針柄的方向,在針板上將此刺針與原有倒刺刺針呈交錯(cuò)狀放置,保證針刺機(jī)的刺針進(jìn)出纖網(wǎng)時(shí)都有刺針對(duì)其進(jìn)行鉤刺固結(jié),大大提高了工作的效率,節(jié)省了能源消耗,提高了經(jīng)濟(jì)效益;活動(dòng)刺鉤刺針[19]如圖6(b)所示。該針帶有活動(dòng)的針鉤,在穿入布體時(shí)將針鉤放置在針體針尖部位,避免對(duì)布體表面造成破壞,刺針退出布體時(shí)將針鉤展開,便于使布體內(nèi)部纖網(wǎng)更好的纏結(jié),減少了在刺入布體時(shí)因針鉤的阻力使其發(fā)生彎曲的可能性,延長(zhǎng)了刺針的使用壽命;圖6(c)示出具有雙向刺鉤的刺針[20]。刺鉤有正向和反向,分布在針葉上,中間設(shè)置的弧形凸起將二者間隔開,刺針在刺向和退出纖網(wǎng)時(shí)連續(xù)起到鉤刺固結(jié)的作用,使針刺效率得到大幅度提升;此外,研究人員為了提高針刺效率,提出了一種高效刺針結(jié)構(gòu)[21],當(dāng)刺針向下運(yùn)動(dòng)刺入纖維網(wǎng)內(nèi),頂針接觸到工作平臺(tái)后受到阻力壓縮,促使齒軌帶動(dòng)主齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),推動(dòng)刺針外殼旋轉(zhuǎn),刺針外殼旋轉(zhuǎn)使得更多的纖維絲纏繞到螺旋葉上,從而提升了針刺效率,由于刺針結(jié)構(gòu)復(fù)雜和尺寸的限制,具體實(shí)現(xiàn)較為困難。

    圖6 新型三維針刺刺針Fig.6 New three-dimensional needle punching needles.

    圖6(d)示出橢圓形截面的刺針[22]。在針刺過(guò)程中,這種橢圓截面可把經(jīng)紗和緯紗撐開,降低刺鉤與其接觸的可能性,減少對(duì)基布的損傷。

    通過(guò)刺針刺鉤的雙向設(shè)計(jì),可提高厚度方向纖維的帶入量,提高針刺成型效率;橢圓截面刺針,可有效減小針刺對(duì)基布的剪切損傷。然而,針刺損傷一直是共性難題,發(fā)展新型低損傷智能刺針,基于智能材料,通過(guò)光、電、熱或磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)針刺過(guò)程中刺針鉤刺的可控智能開合,建立新型智能刺針的設(shè)計(jì)理論與方法,突破預(yù)制體低損傷針刺成型,有待探索。

    3 三維針刺織物結(jié)構(gòu)

    近年來(lái),研究人員提出了多種三維針刺織物的新結(jié)構(gòu),主要包括多組元混雜針刺織物、仿形針刺織物、梯度針刺織物和針刺/縫合耦合織物等。

    通過(guò)調(diào)控織物的組分,包括織物的材料組成、材料的質(zhì)量比,采用多組元混雜針刺成型,可滿足針刺織物增強(qiáng)復(fù)合材料在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的結(jié)構(gòu)功能一體化要求,如圖7所示的碳纖維/金屬?gòu)?fù)合針刺織物[23]。該織物是將結(jié)構(gòu)單元層疊置進(jìn)行多次、多角度接力針刺制備而成,其單元層包括碳纖維平面織物、碳纖維網(wǎng)胎和金屬材料,采用該增強(qiáng)織物制備出的復(fù)合材料具備優(yōu)良的層間性能和導(dǎo)電性能,是電動(dòng)力機(jī)車和無(wú)軌電車饋電用復(fù)合材料的首選材料。

    圖7 多組元混雜針刺織物Fig.7 Multi-component hybrid needle punched fabric

    依據(jù)織物的構(gòu)型,設(shè)計(jì)連續(xù)纖維的鋪放路徑,實(shí)現(xiàn)仿形織造,整體提升織物及其復(fù)合材料的性能,如圖8所示。一種仿形立體織物[24],包括X-Y平面仿形單元層和貫穿所述X-Y平面仿形單元層的Z向纖維束,X-Y平面至少包含一層仿形連續(xù)纖維層,面內(nèi)力學(xué)性能好,同時(shí)通過(guò)Z向針刺纖維束,實(shí)現(xiàn)了X-Y平面仿形單元層之間的有效連接,該仿形立體織物可作為新型飛行器的承力件。

    圖8 仿形針刺織物Fig.8 Contoured needle-punched fabric

    此外,通過(guò)針刺織物的變密度梯度設(shè)計(jì),滿足針刺復(fù)合材料的承載、防熱要求,同時(shí)有效的減重,是當(dāng)前針刺復(fù)合材料的一個(gè)重要研究方向。一種可調(diào)控其密度的針刺織物[25],如圖9(a)所示。針刺過(guò)程為將單元層逐個(gè)疊放針刺成型,每個(gè)單元層是由至少2層、且其中至少1層含有水溶性纖維構(gòu)成。由于織物不同區(qū)域?qū)γ芏扔兄煌?,要先通過(guò)添加水溶性纖維制成等密度的織物,之后再通過(guò)溶解掉水溶性纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)密度的調(diào)控;圖9(b)為不同密度層構(gòu)成的針刺織物[26],表現(xiàn)為由外向內(nèi),密度逐層遞減,廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域中,如高速飛行器外殼部分,或者密度由內(nèi)向外逐層遞減的,如發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管部分。

    圖9 梯度針刺織物Fig.9 Gradient needle punched fabric.

    雖然網(wǎng)胎中的短切纖維通過(guò)刺針帶入到織物的厚度方向,提高了織物的層間性能,然而,針刺織物缺乏全厚度的貫穿性連續(xù)纖維,其層間性能有待加強(qiáng),針刺和縫合耦合是進(jìn)一步提高針刺織物層間性能的有效手段。針刺/縫合耦合織物在剎車盤和飛行器天線罩已得到了成功的應(yīng)用。

    綜上,三維針刺技術(shù)適用于各種形狀織物(或預(yù)制體)的成型制備。然而,現(xiàn)有的三維針刺織物的體積密度相對(duì)較低,高體積密度、高性能保持率的針刺新工藝有待探索;同時(shí),為了適應(yīng)更為復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景,滿足結(jié)構(gòu)功能一體化的要求,三維針刺織物需要進(jìn)一步朝著多組元材料、仿形、變密度梯度結(jié)構(gòu)、針刺/縫合或針刺/編織耦合等異構(gòu)化方向發(fā)展。

    4 三維針刺復(fù)合材料

    4.1 三維針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能

    三維針刺復(fù)合材料廣泛的應(yīng)用于熱防護(hù)系統(tǒng)和熱場(chǎng)材料,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員從高溫拉伸、高溫彎曲、高溫壓縮和沖擊等方面開展了廣泛的研究。研究人員針對(duì)三維針刺C/C(碳/碳)復(fù)合材料,設(shè)計(jì)了不同溫度下材料的彎曲性能實(shí)驗(yàn)研究[27],結(jié)果表明:三維針刺C/C復(fù)合材料具備良好的抗彎曲性能,載荷-撓度曲線在400 ℃以下表現(xiàn)出彈性、脆性失效形式,而讓溫度繼續(xù)升高的情況下,曲線呈現(xiàn)出明顯的韌性和塑性失效。針刺C/C復(fù)合材料的高溫剪切性能實(shí)驗(yàn)研究表明:在一定范圍內(nèi),材料剪切強(qiáng)度隨溫度升高而增加,在室溫下,針刺C/C復(fù)合材料表現(xiàn)為纖維拔出及斷裂的破壞形式;在高溫下,纖維與基體界面緊密結(jié)合,少量纖維拔出,發(fā)生脆性斷裂破壞[28]。不同溫度條件下針刺C/C復(fù)合材料的拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示:針刺C/C復(fù)合材料拉伸、壓縮強(qiáng)度均隨溫度升高而先升高后降低,拉、壓模量均隨著溫度的升高而呈現(xiàn)線性下降[29]。除了高溫拉伸、壓縮和彎曲性能, 三維針刺C/C復(fù)合材料的高溫和高速?zèng)_擊性能研究結(jié)果表明[30]:當(dāng)面板厚度為3 mm時(shí),三維針刺C/C和Inconel每單位質(zhì)量吸收的能量幾乎相同,然而三維針刺C/C復(fù)合材料可承受的溫度是Inconel板的2倍,且密度低4.4倍;此外,研究人員通過(guò)X-CT(計(jì)算機(jī)X線斷層掃描)和數(shù)字體積關(guān)聯(lián)技術(shù),原位觀測(cè)了三維針刺C/SiC(碳/碳化硅)復(fù)合材料的壓縮過(guò)程[31],研究結(jié)果表明:三維針刺C/SiC復(fù)合材料的壓縮破壞失效受微觀結(jié)構(gòu)的影響,這主要?dú)w因于針刺加工導(dǎo)致的固有缺陷; 在面外壓縮中,高強(qiáng)度來(lái)自針刺引入的厚度方向纖維的穩(wěn)定作用,這在抵抗基布和基體之間的界面裂紋擴(kuò)展方面非常有效。

    4.2 理論分析和數(shù)值模型

    針對(duì)三維針刺C/SiC復(fù)合材料的非線性力學(xué)行為,研究人員建立了組合彈塑性損傷模型[32],該模型可以準(zhǔn)確地描述三維針刺復(fù)合材料偏軸拉伸和剪切非線性應(yīng)力應(yīng)變行為。 基于剪滯與有限差分法模型[33],研究人員研究了針孔尺寸和分布對(duì)三維針刺復(fù)合材料應(yīng)力分布的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在疊層循環(huán)針刺過(guò)程中,每個(gè)針孔的擴(kuò)大,特別是斷纖維的積累,是導(dǎo)致高針刺密度條件下抗拉強(qiáng)度降低的主要原因;結(jié)合三維針刺復(fù)合材料的內(nèi)部特征和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果,通過(guò)貝葉斯推斷方法建立了針孔間距和纖維損傷的關(guān)系[34],可用于構(gòu)建具有不同針刺工藝的三維針刺復(fù)合材料的材料設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

    在數(shù)值模擬方面,科研人員基于三維針刺復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu),建立了數(shù)值分析模型,較為深入地研究了三維針刺復(fù)合材料的變形和失效機(jī)制。YU等[35]基于micro-CT技術(shù)構(gòu)建了針刺C/C復(fù)合材料數(shù)值模型,通過(guò)有限元分析方法揭示了單軸拉伸和壓縮的失效機(jī)制,研究結(jié)果表明:在單軸加載下,復(fù)合材料基體損傷首先發(fā)生并快速擴(kuò)展開,纖維束損傷總是出現(xiàn)在針刺點(diǎn)位置,并沿著垂直于單軸加載方向擴(kuò)展,數(shù)值計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和實(shí)驗(yàn)值高度吻合,多軸載荷的數(shù)值模擬有待深入研究。此外,研究人員提出了不同的單胞模型[36-38]進(jìn)行剛度預(yù)報(bào),如基于纖維的代表性單胞模型[36],以通過(guò)分層建模方案來(lái)預(yù)測(cè)三維針刺C/C復(fù)合材料的彈性常數(shù),以及基于圓弧梁和拉伸彈簧單元的單胞模型[37-38],采用圓弧梁?jiǎn)卧碚鲹p傷的纖維束,拉伸彈簧單元表征層間的針刺纖維束,拉伸和彎曲的數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)較好吻合。關(guān)于三維針刺復(fù)合材料的強(qiáng)度預(yù)報(bào)相對(duì)較少。

    針對(duì)三維針刺復(fù)合材料,國(guó)內(nèi)外科研人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征、理論分析和數(shù)值模擬的方法開展了廣泛的研究,然而三維針刺復(fù)合材料常常被用在高濕、高熱及氧化的環(huán)境中,還需要進(jìn)一步深入探究在多場(chǎng)耦合條件下三維針刺復(fù)合材料的力學(xué)行為、熱物理性能和破壞失效機(jī)制;另一方面,三維針刺復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,目前多通過(guò)細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)進(jìn)行有限元建模,基于虛擬纖維模型和針刺工藝數(shù)值模擬進(jìn)行針刺織物建模[39],再深入開展針刺復(fù)合材料性能有限元分析,有待進(jìn)一步系統(tǒng)的研究。此外,基于人工智能算法[40]和針刺復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征,預(yù)測(cè)針刺復(fù)合材料的性能,也是值得研究的課題。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)三維針刺自動(dòng)化裝備、刺針刀具技術(shù)、三維針刺織物及其復(fù)合材料開展了廣泛的研究,取得了豐富的研究成果。發(fā)明了回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和自由曲面預(yù)制體的柔性針刺成型裝備、提出了多種低損傷新型刺針、發(fā)展了多種新型針刺織物結(jié)構(gòu)。同時(shí),通過(guò)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段、理論分析和數(shù)值模擬方法對(duì)三維針刺復(fù)合材料進(jìn)行表征,明晰了變形和失效機(jī)制,為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。為進(jìn)一步推動(dòng)三維針刺技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)還需要從以下幾方面開展深入的研究。

    1)通用的針刺機(jī)器人軌跡規(guī)劃CAD/CAM軟件技術(shù)尚不成熟,已成為復(fù)雜曲面預(yù)制體快速、高質(zhì)量針刺成型織造的“卡脖子”問(wèn)題,亟待突破。

    2)發(fā)展新型低損傷智能刺針,基于光、電、熱或磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)針刺過(guò)程中刺針鉤刺的可控智能開合,建立新型智能刺針的設(shè)計(jì)理論與方法,突破預(yù)制體高質(zhì)量針刺成型,有待深入的研究。

    3)相比三維編織物、三維機(jī)織物和縫合織物,三維針刺織物的體積密度相對(duì)較低,高體積密度的針刺新工藝有待探索;為了適應(yīng)更為復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景,滿足結(jié)構(gòu)功能一體化的應(yīng)用要求,三維針刺織物需要進(jìn)一步朝著多組元材料、梯度結(jié)構(gòu)、仿形結(jié)構(gòu)、針刺/縫合或針刺/編織耦合異構(gòu)化等方向發(fā)展。

    4)三維針刺復(fù)合材料常常被用在高濕、高熱及氧化的環(huán)境中,還需要進(jìn)一步深入探究在多場(chǎng)耦合條件下三維針刺復(fù)合材料的力學(xué)行為、熱物理性能和破壞失效機(jī)制;此外,由于三維針刺復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,目前多通過(guò)細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)進(jìn)行數(shù)值建模,進(jìn)一步基于虛擬纖維模型和針刺工藝數(shù)值模擬進(jìn)行針刺織物建模,開展針刺織物及其復(fù)合材料性能數(shù)值分析,建立優(yōu)化模型,構(gòu)建材料數(shù)據(jù)庫(kù),有待系統(tǒng)深入的研究。同時(shí),基于人工智能算法和材料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu),預(yù)測(cè)針刺復(fù)合材料的性能,有待探索。

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