三維針刺技術(shù)研究進(jìn)展

陳小明， 李晨陽， 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 教育部重點實驗室, 天津 300387； 3. 天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院, 天津 300387)

立體織物增強復(fù)合材料主要包括三維編織復(fù)合材料、三維機織復(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刺針帶入到織物的厚度方向，提升了織物的層間強度，且由于其自動化程度高、交貨周期短、成本低，一直以來都是國內(nèi)外的熱點研究內(nèi)容。1988年，Olry提出了平板織物均勻化成型技術(shù)[2]，經(jīng)過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；面對針刺損傷問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，三維針刺復(fù)合材料在實驗表征、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

在平板針刺機的基礎(chǔ)上，研究人員對工作臺進(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]，采用伺服電動機驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)，實現(xiàn)針刺往復(fù)運動，同時采用仿形針板和仿形剝網(wǎng)板實現(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)存工藝操作過程中生產(chǎn)效率低、成本高等問題；圖1(b)示出一種臥式圓柱形回轉(zhuǎn)體針刺機[4]，通過采用剝網(wǎng)運動執(zhí)行器和壓力傳感器，實現(xiàn)剝網(wǎng)板在線壓力監(jiān)測及調(diào)節(jié)，有效控制針刺產(chǎn)品密度，實現(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[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[6]，采用伺服電動機作為動力，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[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達(dá)到量產(chǎn)的要求。上述異型針刺機多是在傳統(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，織物構(gòu)型的適應(yīng)性有限，通常需要針對特定織物構(gòu)型進(jìn)行量身設(shè)計。

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對預(yù)制體品形的適應(yīng)性，研究人員開發(fā)了柔性針刺機技術(shù)[8-9]。圖2為多軸聯(lián)動回轉(zhuǎn)預(yù)制體柔性針刺機[8]。針刺頭通過伺服電動機控制擺動，適應(yīng)性強，可實現(xiàn)多品形變截面回轉(zhuǎn)體預(yù)制體的針刺成型。同時，提出了用于無芯模的回轉(zhuǎn)預(yù)制體針刺成型的支撐裝置[10]，可有效針對飛行器天線罩等封頂織物無芯模區(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。一種針刺機器人裝備[11-12]，包括六關(guān)節(jié)工業(yè)機器人、氣動針刺頭和回轉(zhuǎn)工作臺，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器人路徑規(guī)劃方法[13]，實現(xiàn)了針刺機器人的位姿計算，以及機器人可執(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，帶力反饋的針刺機器人工作臺[14]、用于小批量多品形小型針刺織物針刺成型的手提氣動針刺槍[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Fig.4 3D printer for needle-punched fabric

雖然異型織物自動化針刺成型技術(shù)得到了較快的發(fā)展，適用于復(fù)雜自由曲面預(yù)制體的機器人針刺技術(shù)也得到了初步研究。然而，通用的針刺機器人軌跡規(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題，亟待突破。面對復(fù)雜預(yù)制體高質(zhì)高效的針刺成型需求，急需構(gòu)建機器人新型智能針刺頭，實現(xiàn)剝網(wǎng)板壓力和針刺深度的實時調(diào)控；需要建立針刺頭刀庫以及快換系統(tǒng)，實現(xiàn)基于分區(qū)的高效針刺成型；同時，突破多工位、多機器人高效協(xié)同針刺織造智能生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)，集成針刺過程智能檢測和基于針刺力大數(shù)據(jù)的針刺織物性能智能評價，實現(xiàn)針刺自動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(如對位芳綸)的針刺；Cross STAR?主要應(yīng)用于面料厚重的土工布及對各向同性要求較高的場合；Tri STAR?應(yīng)用于對抗撕裂強度要求嚴(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狀放置，保證針刺機的刺針進(jìn)出纖網(wǎng)時都有刺針對其進(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)濟效益；活動刺鉤刺針[19]如圖6(b)所示。該針帶有活動的針鉤，在穿入布體時將針鉤放置在針體針尖部位，避免對布體表面造成破壞，刺針退出布體時將針鉤展開，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因針鉤的阻力使其發(fā)生彎曲的可能性，延長了刺針的使用壽命；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)刺針向下運動刺入纖維網(wǎng)內(nèi)，頂針接觸到工作平臺后受到阻力壓縮，促使齒軌帶動主齒輪轉(zhuǎn)動，推動刺針外殼旋轉(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，減少對基布的損傷。

通過刺針刺鉤的雙向設(shè)計，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，通過光、電、熱或磁場實現(xiàn)針刺過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，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復(fù)合材料在不同應(yīng)用場景下的結(jié)構(gòu)功能一體化要求，如圖7所示的碳纖維/金屬復(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，是電動力機車和無軌電車饋電用復(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)計連續(xù)纖維的鋪放路徑，實現(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，同時通過Z向針刺纖維束，實現(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，通過針刺織物的變密度梯度設(shè)計，滿足針刺復(fù)合材料的承載、防熱要求，同時有效的減重，是當(dāng)前針刺復(fù)合材料的一個重要研究方向。一種可調(diào)控其密度的針刺織物[25]，如圖9(a)所示。針刺過程為將單元層逐個疊放針刺成型，每個單元層是由至少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螅韧ㄟ^添加水溶性纖維制成等密度的織物，之后再通過溶解掉水溶性纖維來實現(xiàn)對密度的調(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)動機的噴管部分。

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，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，為了適應(yīng)更為復(fù)雜的應(yīng)用場景，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)和熱場材料，近年來國內(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。研究人員針對三維針刺C/C(碳/碳)復(fù)合材料，設(shè)計了不同溫度下材料的彎曲性能實驗研究[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驗研究表明：在一定范圍內(nèi)，材料剪切強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、壓縮實驗研究結(jié)果顯示：針刺C/C復(fù)合材料拉伸、壓縮強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沖擊性能研究結(jié)果表明[30]：當(dāng)面板厚度為3 mm時，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X-CT(計算機X線斷層掃描)和數(shù)字體積關(guān)聯(lián)技術(shù)，原位觀測了三維針刺C/SiC(碳/碳化硅)復(fù)合材料的壓縮過程[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，這主要歸因于針刺加工導(dǎo)致的固有缺陷； 在面外壓縮中，高強度來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展方面非常有效。

4.2 理論分析和數(shù)值模型

針對三維針刺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)針刺過程中，每個針孔的擴大，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)部特征和實驗觀測結(jié)果，通過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)計數(shù)據(jù)庫。

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，通過有限元分析方法揭示了單軸拉伸和壓縮的失效機制，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)生并快速擴展開，纖維束損傷總是出現(xiàn)在針刺點位置，并沿著垂直于單軸加載方向擴展，數(shù)值計算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和實驗值高度吻合，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，如基于纖維的代表性單胞模型[36]，以通過分層建模方案來預(yù)測三維針刺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]，采用圓弧梁單元表征損傷的纖維束，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)測結(jié)果與實驗較好吻合。關(guān)于三維針刺復(fù)合材料的強度預(yù)報相對較少。

針對三維針刺復(fù)合材料，國內(nèi)外科研人員通過實驗表征、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，目前多通過細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測進(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)測針刺復(fù)合材料的性能，也是值得研究的課題。

5 結(jié)束語

國內(nèi)外科研人員對三維針刺自動化裝備、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，通過先進(jìn)的實驗測試手段、理論分析和數(shù)值模擬方法對三維針刺復(fù)合材料進(jìn)行表征，明晰了變形和失效機制，為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打下了扎實的基礎(chǔ)。為進(jìn)一步推動三維針刺技術(shù)的發(fā)展，未來還需要從以下幾方面開展深入的研究。

1)通用的針刺機器人軌跡規(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、熱或磁場實現(xiàn)針刺過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、三維機織物和縫合織物，三維針刺織物的體積密度相對較低，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，目前多通過細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測進(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，有待系統(tǒng)深入的研究。同時，基于人工智能算法和材料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，預(yù)測針刺復(fù)合材料的性能，有待探索。