Progress In Research And Application Of Composite Materials Suture Technique

La technique de suture de matériaux composites est une technique de préparation de matériaux composites qui consiste à combiner des tissus multicouches en tissus stéréoscopiques quasi tridimensionnels ou à relier des tissus multicouches isolés à des structures intégrées.

Cette technologie, qui a débuté à la fin du XXe siècle, a suscité une grande attention car elle a permis d 'améliorer la capacité de résistance aux chocs des matériaux composites en augmentant la capacité des couches de matériaux composites.

This paper introduces the Characteristics of Composite Matrix suture Technology, main suture Pattern and Process Parameters and Optimization of their applicability. This paper summarized the main research results of suture technique Affecting the important Mechanical Properties of Composite Materials: Traction, compression, flexion, Layer Shear and post - impact compression.

Caractéristiques des techniques de suture

Par rapport aux procédés traditionnels de textile, de tissage et d 'empilement de matériaux composites, les techniques de suture présentent les caractéristiques suivantes:

Une combinaison optimale peut être réalisée, par exemple, en ce qui concerne l 'orientation du revêtement du préforme de suture, la distance du revêtement et la structure fibreuse, et les modalités de suture et la zone de suture peuvent être ajustées en fonction des besoins;

La suture a un effet moindre sur la distribution des fibres primaires et permet d 'obtenir une structure unitaire d' un certain degré par réglage raisonnable des paramètres de suture et d 'obtenir un état de contrainte uniforme raisonnable;

Les fils de suture peuvent supporter la majeure partie de la charge et réduire la concentration de contrainte de la résine périphérique, ce qui permet d 'améliorer sensiblement les performances entre les couches de matériau composite;

L 'équipement de suture hautement automatisé a été mis au point pour améliorer la cohérence et l' efficacité des sutures;

Le procédé d 'assemblage est excellent, la suture étant une technique de raccordement, le matériau composite de suture est plus intégré que les autres techniques de raccordement du matériau composite (adhérence, rivetage, etc.) et n' est pas susceptible de produire une concentration de contrainte locale.

Principaux modes de suture et paramètres du processus

Dans les applications structurelles, on utilise principalement trois types de suture, à savoir des sutures à verrouillage améliorées, des sutures à cha?ne et des sutures Tufting (voir la figure 1 pour plus de détails).

La suture à verrouillage est une suture double, dans laquelle la suture est introduite du c?té préfabriqué, puis retirée de la suture par l 'aiguille après l' emboutissage de base et située sur la surface du préforme, ce qui réduit au minimum l 'épaisseur du préfabriqué et les effets de courbure et de concentration des fibres, comme le montre la figure 1 a).

Les sutures à verrouillage nécessitent généralement de légères variations de courbure pour les préformes, qui sont actuellement largement utilisées pour les sutures de bords de plaques de paroi de grande taille et les sutures de raccordement des barres de renforcement et des bandes de revêtement, avec une épaisseur de suture pouvant atteindre 20 mm.

Les points de suture en cha?ne sont des points de suture uniface, les points de suture en forme de mois courbé étant placés du même c?té que les aiguilles en forme de crochet et, lorsque les points de suture se déplacent dans la direction des points de suture, les aiguilles de pliage traversent à plusieurs reprises le préforme et relient les enroulements, comme le montre la figure 1 b).

La suture en cha?ne s' applique généralement à la suture d 'un préforme présentant une courbure plus grande et plus fine, dont l' épaisseur ne dépasse généralement pas 10 mm.

La suture Tufting est également une suture monoface qui suit l 'aiguille d' un C ?té du préforme jusqu 'à l' autre, laissant la suture dans le corps préfabriqué pour réaliser la suture, comme le montre la figure 1 c).

La suture de Tufting peut recoudre un préforme plus épais, mais comme la suture de Tufting simple retient la suture uniquement par friction entre la suture et les fibres internes du préforme, il est généralement nécessaire d 'utiliser d' autres moyens de positionnement pour garantir que la suture reste dans le préforme et pour améliorer la qualité de la suture.

Les principaux paramètres de suture comprennent le type de suture, le diamètre de suture, la densité de suture et la direction de la suture, qui peuvent influer directement sur les performances après durcissement du préforme.

Le choix des fils de suture tient principalement compte de leur résistance, de leur résistance à l 'usure, de leur résistance à la température et de leur compatibilité avec les systèmes de résine correspondants.

Kevlar fibres résistant à la température élevée, tels que kevlar29, léger, résistant à l 'usure, haute ténacité, actuellement largement utilisé dans le domaine de l' aviation.

Les fils de couture de grand diamètre permettent d 'améliorer la capacité d' endommagement entre les couches du matériau composite, mais augmentent également la courbure des fibres à l 'intérieur du corps préfabriqué, les lésions et l' accumulation de résine à l 'intérieur du corps préfabriqué, ce qui entra?ne une réduction de l' étirage et de la résistance à la compression de l 'article, et donc une sélection raisonnable du diamètre de la couture selon la structure préfabriquée.

La densité de suture comprend principalement deux paramètres de distance de suture, plus la densité de suture est élevée, plus les lésions fibreuses et la flexion des fibres sont graves à l 'intérieur du corps préfabriqué, plus les zones riches en lipides à l' intérieur du corps préfabriqué sont importantes et plus l 'impact sur les performances internes de l' article est important; inversement, plus la densité de suture est faible, plus les performances entre les couches de l 'article sont améliorées.

Par conséquent, la densité de suture devrait être con?ue de manière à améliorer la performance globale de l 'article composite.

China Air composites Co., Ltd Zhao long et d 'autres études montrent que la densité de suture est de 5 à 6 points / cm2, la meilleure performance globale des matériaux.

Les préformes utilisent habituellement des directions de suture de 0, 45 et 90 ° et la résistance à la traction du matériau composite est plus fortement influencée par la direction de suture, la résistance de l 'élément de suture de 0 ° étant réduite au minimum et la ressemblance entre 45 ° et 90 ° étant égale.

Effects of suture on Mechanical Properties of Composites

La suture peut entra?ner une déformation et une lésion des fibres internes du préforme et, par conséquent, la formation d 'une zone de concentration de contrainte au niveau de la suture, ce qui est la principale raison pour laquelle la suture entra?ne une baisse des performances dans la surface du matériau.

De nombreuses études montrent que la suture entra?ne une réduction de la résistance à l 'étirage du matériau et que, du fait des caractéristiques de la suture elle - même, le mode de destruction du matériau est sensiblement différent de celui de la plaque composite traditionnelle, et que la résistance à l' étirage diminue progressivement avec l 'augmentation de la densité de suture et du diamètre de la couture.

Cependant, des études telles que Wei Yuqing et Wu Gang ont révélé que lorsque la densité de suture est de ± 5 à 6 points / cm2, le mode de rupture par étirage du matériau est essentiellement la rupture des fibres et que la perte de la résistance à la traction du composite de suture est faible.

L 'impact de la suture sur l' intensité de compression du matériau n 'est pas une relation simple entre les augmentations et les diminutions, mais est influencé par la conception de la couche de revêtement de stratifié et par les paramètres de suture.

L 'étude de niveau Cheng a constaté que les sutures réduisaient considérablement les performances de compression d' une plaque monocouche de 0 °C, atteignant environ 24%, mais n 'avaient qu' un impact minime sur les performances de compression de la plaque de 90 °C.

Wu Gang et d 'autres ont étudié les propriétés de compression des laminés laminés [45 / 0 à 45 / 90] 4S et [90 / 45 / 90 / ~ 45 / 0 / ~ 45 / 90 / 45 / 90] 2S, et constaté que les sutures réduisaient peu leurs performances de compression et modifiaient les paramètres de suture, qu' elles tendaient à améliorer leurs performances de compression et que les sutures à 0 ° avaient le moins d 'effets sur les performances de compression des laminés.

De nombreux chercheurs ont constaté que la suture, tout en réduisant la courbure de la plaque composite, ne diminuait généralement pas de plus de 20% et que la densité de suture n 'avait guère d' effet sur la courbure de la matière.

Cependant, Liu Li a constaté dans son étude que l 'optimisation appropriée de la densité de suture permet d' améliorer les propriétés de flexion des matériaux, par exemple ceux dont la densité de suture est de 4 points / cm2 et dont la résistance à la flexion augmente de 27,8% par rapport à la résistance à la flexion avant la suture.

Sun qiyong a également procédé à une étude systématique des propriétés de flexion du composite tricoté tridimensionnel de suture, ce qui a permis de conclure que l 'angle de tricotage est de 20 ° et la longueur de raccordement est de 70 mm, et que la suture moyenne de suture permet de connecter le Composite tricoté tridimensionnel avec des propriétés de flexion relativement excellentes.

La résistance au cisaillement du stratifié de suture de matériau composite diminue avec l 'augmentation de la densité de suture en raison de la concentration de la contrainte due à la perte de fibres et à l' abondance de lipides au niveau du fil de suture lorsque la densité de suture est excessive, ce qui réduit la résistance au cisaillement du stratifié.

Le point focal de la valeur optimale de la densité de suture dépend de l 'ordre de revêtement du stratifié et des paramètres de suture.

La suture permet d 'augmenter sensiblement la valeur de GIC de la plaque en couches, d' augmenter la densité de suture, la résistance à la suture, de réduire le module Young de la suture, d 'augmenter l' épaisseur et la rigidité axiale de l 'élément d' essai, et d 'augmenter la valeur de GIC de l' élément d 'essai.

La suture permet de réduire sensiblement les dommages à l 'impact de la plaque composite et d' augmenter la résistance à la compression après impact de la plaque composite.

état d 'application des techniques de suture

La technique de suture, qui est appliquée depuis près de 30 ans, permet d 'améliorer la direction de l' épaisseur de l 'élément structurel composite, principalement pour améliorer la capacité d' endommagement de l 'élément structurel composite.

à l 'heure actuelle, l' équipement de couture est passé d 'une machine à coudre industrielle de première génération, d' une machine à coudre plane commandée par ordinateur de deuxième génération à une machine à coudre Multi - aiguilles commandée par ordinateur de troisième génération, ce qui permet d 'obtenir une pluralité de structures de suture bidimensionnelle et tridimensionnelle.

Au cours des dernières années, le processus de moulage des liquides s' est développé rapidement, et l 'application de la technique de suture à grande échelle a jeté de bonnes bases.

Qu 'il s' agisse d' un tuyau d 'injection de moteurs - fusées à semi - conducteurs, de segments d' expansion, de c?nes d 'extension, de freins, de vis, d' ailes d 'aéronefs, etc., ont recours à des techniques de suture composites.

Le programme Act de la National Aeronautics and Space Administration des états - Unis (NASA) a permis de mettre au point des parois semi - ailes recouvertes de 13,5 m x 2,7 M / RFI, comme le montre la figure 2, et d 'effectuer avec succès des essais au sol de 200 bo?tes semi - ailes d' aéronef.

Dans le même temps, Boeing a mis au point une troisième génération de matériel de suture pour la suture de structures complexes de grande taille, telles que des plaques de fuselage.

En outre, le laboratoire Wright de l 'Armée de l' air des états - Unis et le commandement général de la marine des états - Unis ont mis au point conjointement le plan alafs, qui définit sept technologies clefs, à savoir la conception intégrée des ailes, la configuration des ailes, l 'installation de tuyaux internes, La conception des citernes à essence, l' agencement des poutres, la pose des bandes internes et la conception continue des poutres en amont et en aval.

à l 'heure actuelle, China Airlines Composite Materials Co., Ltd a réussi à appliquer les techniques de suture / RTM, de suture / RFI, de suture / vari à divers types de structures composites, ce qui a permis d' améliorer considérablement la résistance entre les couches, l 'impédance aux chocs et l' intégrité des structures composites et de réduire les co?ts d 'assemblage des structures.

La figure 3 - 6 donne des exemples de structures de suture / LCM mises au point dans le pays.

V. Conclusions

Les techniques de suture des matériaux composites permettent de résoudre les problèmes de faible performance entre les couches de matériaux composites traditionnels et de faible capacité de résistance aux chocs.

à l 'heure actuelle, la technologie nationale de moulage des liquides est de plus en plus mature, associée à l' optimisation plus poussée des équipements de suture de la troisième génération et à la réduction des co?ts de fabrication des matériaux composites, qui peuvent être considérés comme prioritaires non seulement dans le domaine aérospatial, mais aussi dans des domaines tels que les navires, les automobiles et d 'autres, ce qui contribuera grandement à la quantification plus légère de divers types de structures et de fonctions.