復(fù)合材料縫合技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)展

　　復(fù)合材料縫合技術(shù)是指采用縫合線使多層織物結(jié)合成準(zhǔn)三維立體織物或使分離的數(shù)片織物連接成整體結(jié)構(gòu)的一種復(fù)合材料預(yù)制體制備技術(shù)。該技術(shù)起源于20世紀(jì)中后期，由于其可以提高復(fù)合材料層間損傷容限，大大改善復(fù)合材料抗沖擊性能而備受關(guān)注，并在近些年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。

　　本文系統(tǒng)介紹了復(fù)合材料縫合技術(shù)的特點(diǎn)，主要縫合方式和工藝參數(shù)及其最優(yōu)的適用范圍，總結(jié)了縫合技術(shù)影響復(fù)合材料拉伸、壓縮、彎曲、層剪及沖擊后壓縮等重要力學(xué)性能的主要研究成果，最后對(duì)復(fù)合材料縫合技術(shù)的國(guó)內(nèi)外重大研究及應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了闡述并提出了展望。

　　一、縫合技術(shù)的特點(diǎn)

　　相對(duì)于傳統(tǒng)的復(fù)合材料紡織、編織及鋪疊工藝來(lái)說(shuō)，縫合技術(shù)主要具備以下特點(diǎn)：

　?、倏稍O(shè)計(jì)性強(qiáng)，縫合預(yù)制體的鋪層方向，鋪層距離和纖維結(jié)構(gòu)等均可以進(jìn)行優(yōu)化組合，同時(shí)縫合方式和縫合區(qū)域也可以按需調(diào)整；

　?、诳p合對(duì)原有纖維分布影響較小，而且通過(guò)縫合參數(shù)的合理設(shè)定可以獲得一定程度的整體結(jié)構(gòu)，并達(dá)到合理的均勻應(yīng)力狀態(tài)；

　?、劭p線可以承受大部分載荷，而且減少了周圍樹脂的應(yīng)力集中，可以顯著提高復(fù)合材料層間性能；

　　④可高度自動(dòng)化，目前已開發(fā)出用于提高縫合一致性和縫合效率的高度自動(dòng)化縫合設(shè)備；

　?、菅b配工藝優(yōu)異，縫合作為一種連接技術(shù)，與復(fù)合材料其他連接技術(shù)(粘接、鉚接等)相比，縫合復(fù)合材料整體性強(qiáng)，不易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。

　　     二、主要縫合方式及工藝參數(shù)

　　在結(jié)構(gòu)應(yīng)用上主要采用3種縫合方式，即改進(jìn)的鎖式縫合、鏈?zhǔn)娇p合及簇絨法(Tufting)縫合(詳見圖1所示)。鎖式縫合屬于雙面縫合，改進(jìn)的鎖式縫合中，縫線被縫針從預(yù)制體一側(cè)帶入，與底線結(jié)套后再由縫針帶出進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，上線與底線的結(jié)套處位于預(yù)制體表面，最大限度的減少了預(yù)制體厚度方向上的縫線及纖維彎曲及應(yīng)力集中效應(yīng)，具體如圖1(a)所示。

　　鎖式縫合一般要求預(yù)制體具有較小的曲率變化，目前廣泛應(yīng)用于大尺寸壁板邊緣縫合及加強(qiáng)筋與蒙皮的連接縫合，縫合厚度可達(dá)20mm。鏈?zhǔn)娇p合屬于單面縫合，彎月形的縫針與擺線鉤針位于同一邊，隨著縫針沿縫線方向移動(dòng)，彎針?lè)磸?fù)穿透預(yù)制體并使繞套相連，具體如圖1(b)所示。鏈?zhǔn)娇p合通常適用于曲率較大且較薄的預(yù)制體縫合，縫合厚度一般不超過(guò)10mm。

　　Tufting縫合也是單面縫合的一種，縫線跟隨縫針從預(yù)制體一側(cè)穿透到另一側(cè)，縫針退出時(shí)將縫線留在預(yù)制體內(nèi)以完成縫合，具體如圖1(c)所示。Tufting縫合可以縫合較厚的預(yù)制體，但由于單純的Tufting縫合僅靠縫線與預(yù)制體內(nèi)部纖維的摩擦力來(lái)留住縫線，因此一般需要輔以其他的定位方式來(lái)保證縫線留在預(yù)制體內(nèi)部，提高縫合質(zhì)量。

　　主要的縫合參數(shù)包括縫線種類，縫線直徑，縫合密度及縫合方向等，這些工藝參數(shù)可以直接影響預(yù)制體固化后的性能。選擇縫合線時(shí)主要考慮縫線的強(qiáng)度、耐磨性、耐溫性及其與相應(yīng)樹脂體系的匹配性，常見的縫線種類有碳纖維、玻璃纖維、凱芙拉纖維及滌綸。耐高溫的凱芙拉纖維，如凱夫拉(Kevlar29)，質(zhì)輕、耐磨、韌性高，目前廣泛應(yīng)用與航空領(lǐng)域。

　　直徑大的縫線可以更好地提高復(fù)合材料的層間損傷容限，但同時(shí)也會(huì)加大預(yù)制體內(nèi)部的纖維彎曲、損傷以及制件內(nèi)部縫線處的樹脂堆積，從而導(dǎo)致制件拉伸、壓縮強(qiáng)度的降低，因此應(yīng)根據(jù)預(yù)制體結(jié)構(gòu)，合理選擇縫線直徑。

　　縫合密度主要包括縫線的針距和行距2個(gè)參數(shù)，縫合密度越大，預(yù)制體內(nèi)部的纖維損傷及纖維屈曲現(xiàn)象越嚴(yán)重，預(yù)制體體內(nèi)部的富脂區(qū)域也越多，對(duì)制件面內(nèi)性能影響也越大；反之，縫合密度越低，制件層間性能改善也越小。因此，應(yīng)合理設(shè)計(jì)縫合密度，以提高復(fù)合材料制件整體性能。中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司的趙龍等研究表明，縫合密度為5～6針/cm2時(shí)，材料的綜合性能最佳。預(yù)制體通常采用的縫合方向?yàn)?°、45°和90°，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度受縫合方向的影響較大，其中，0°縫合的制件強(qiáng)度降低最少，而45°和90°縫合相當(dāng)。

　　三、縫合對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

　　縫合會(huì)造成預(yù)制體內(nèi)部纖維的屈曲和損傷，并在縫線處易形成富脂區(qū)，從而形成應(yīng)力集中點(diǎn)，這是縫合導(dǎo)致材料面內(nèi)性能下降的主要原因；但縫合會(huì)大大提高復(fù)合材料的層間損傷容抗，并且縫線的存在還會(huì)阻止裂紋的擴(kuò)展等，因此縫合對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響存在一定的復(fù)合效應(yīng)。

　　大量的研究表明，縫合會(huì)導(dǎo)致材料拉伸強(qiáng)度的降低，而且由于縫合本身的特性，材料的破壞模式與傳統(tǒng)的復(fù)合材料層合板有較大的不同，并且隨著縫合密度與縫線直徑的增大，拉伸強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。但魏玉卿等和吳剛等研究發(fā)現(xiàn)，縫合密度≤5～6針/cm2時(shí)，材料的拉伸破壞模式主要為纖維的斷裂，縫合復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度損失率不大。

　　縫合對(duì)材料壓縮強(qiáng)度的影響并不是簡(jiǎn)單的增減關(guān)系，受層合板鋪層設(shè)計(jì)以及縫合參數(shù)的影響，縫合復(fù)合材料層合板的壓縮強(qiáng)度有時(shí)提高有時(shí)降低。程小全等研究發(fā)現(xiàn)縫合使0°單向?qū)雍习宓膲嚎s性能降低較多，約達(dá)24%，但卻對(duì)90°層合板的壓縮性能影響極小。吳剛等研究了鋪層為[45/0/～45/90]4S和[90/45/90/～45/0/～45/90/45/90]2S縫合層合板的壓縮性能，發(fā)現(xiàn)縫合對(duì)其壓縮性能降低不大，而且改變縫合參數(shù)，其壓縮性能還有提高的趨勢(shì)，0°方向的縫合對(duì)層合板壓縮性能影響最小。

　　許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)縫合雖然使復(fù)合材料層合板的彎曲性能有所下降，但下降程度一般不會(huì)超過(guò)20%，而且縫合密度對(duì)材料彎曲性能的影響不大。但劉莉在其研究中發(fā)現(xiàn)適當(dāng)優(yōu)化縫合密度可以提高材料的彎曲性能，比如縫合密度為4針/cm2的材料，其彎曲強(qiáng)度比縫合前彎曲強(qiáng)度提高27.8%。孫其永還對(duì)縫合三維編織復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出編織角為20°，搭接長(zhǎng)度為70mm，中密度縫合的縫合連接三維編織復(fù)合材料試件的彎曲性能比較優(yōu)異的結(jié)論。

　　復(fù)合材料縫合層合板的剪切強(qiáng)度隨著縫合密度的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，這是由于縫合密度過(guò)大時(shí)，纖維損傷和縫線處富脂導(dǎo)致應(yīng)力集中明顯，使得層合板的剪切強(qiáng)度反而有所降低?？p合密度最優(yōu)值的焦點(diǎn)取決于層合板的鋪層順序以及縫合參數(shù)。縫合能夠顯著提高層合板的GIC值，增加縫合密度，縫線強(qiáng)度，降低縫線的楊氏模量，增加試件的厚度及軸向剛度，均可提高試件的GIIC值。縫合能夠明顯降低復(fù)合材料層合板的沖擊損傷，提高層合板的沖擊后壓縮強(qiáng)度(CAI)，許多試驗(yàn)表明，合理設(shè)計(jì)縫合參數(shù)可以使層合板的CAI提高40%以上，甚至可達(dá)到400%。

　　四、縫合技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　縫合技術(shù)已有近30年的應(yīng)用歷史，它可以對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件進(jìn)行厚度方向的增強(qiáng)，主要用于改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的損傷容限。目前，縫合設(shè)備已經(jīng)從第1代人工控制的工業(yè)縫紉機(jī)，第2代計(jì)算機(jī)控制的平面縫合設(shè)備發(fā)展到了第3代多臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的多針頭縫合設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)的二維及三維縫合。近幾年來(lái)，液體成型工藝的迅速發(fā)展，更為縫合技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。無(wú)論是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯、擴(kuò)張段、延伸錐、剎車盤、螺釘、飛機(jī)機(jī)翼等都采用了復(fù)合材料縫合技術(shù)。

　　美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的ACT計(jì)劃研制了13.5m×2.7m的縫合/RFI半翼展機(jī)翼壁板，如圖2所示，并且成功進(jìn)行了200座飛機(jī)半翼展盒段地面試驗(yàn)。同時(shí)，波音公司還研制了用于大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件(如機(jī)身曲板)縫合的第3代縫合設(shè)備。此外，美國(guó)的空軍萊特試驗(yàn)室和美國(guó)海軍航空兵總司令部還聯(lián)合制定了ALAFS計(jì)劃，該計(jì)劃確定了翼身整體設(shè)計(jì)、機(jī)翼結(jié)構(gòu)布局、內(nèi)部管路設(shè)置、機(jī)身油箱設(shè)計(jì)、梁的布置、內(nèi)部筋條布置和上下大梁連續(xù)性設(shè)計(jì)等7大關(guān)鍵技術(shù)，縫合復(fù)合材料的RTM及RFI成型技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)該計(jì)劃的主要技術(shù)方案。

　　目前國(guó)內(nèi)，特別是中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司已經(jīng)成功將縫合/RTM、縫合/ RFI、縫合/ VARI技術(shù)成功應(yīng)用于各類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，大大提高了復(fù)材結(jié)構(gòu)件的層間強(qiáng)度、沖擊阻抗以及整體性，并降低了結(jié)構(gòu)件的裝配成本。圖3-6給出了國(guó)內(nèi)研制的一些典型縫合/LCM結(jié)構(gòu)件。

　　五、結(jié)語(yǔ)

　　復(fù)合材料縫合技術(shù)很好的解決了傳統(tǒng)復(fù)合材料層間性能低，沖擊損傷容限小的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)液體成型技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，伴隨著第3代縫合設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化以及復(fù)合材料制造成本的降低，復(fù)合材料縫合技術(shù)不僅可以在航空航天領(lǐng)域受到重視，還將在船舶，汽車等領(lǐng)域得到推廣，為各類結(jié)構(gòu)及功能件的輕量化作出巨大貢獻(xiàn)。