具有更高耐損傷性的新型高性能/金屬混雜紗線復(fù)合材料

E.Schmidt, A.Abdkader, C.Cherif

德累斯頓工業(yè)大學(xué) 紡織機(jī)械與高性能材料技術(shù)研究所(德國)

目前，新產(chǎn)品在輕型結(jié)構(gòu)、材料利用率、減少溫室氣體排放、日益增長的安全性和更高的性能需求等方面都要求具備一定的梯度特性和相關(guān)的生產(chǎn)加工技術(shù)。傳統(tǒng)的復(fù)合材料僅使用一種高性能纖維作為增強(qiáng)體，其承載力僅局限在某一范圍內(nèi)。多種高性能纖維增強(qiáng)體的常規(guī)組合方式包括在宏觀[層間組合，圖1a)左]和中觀[(層內(nèi)組合，圖1a)中]水平進(jìn)行纖維的混合，使其在增強(qiáng)體中具有分層或混雜的結(jié)構(gòu)。但這種混合方式會使復(fù)合材料分層而降低其力學(xué)性能。應(yīng)用在航空領(lǐng)域的材料通常將玻璃纖維和鋁箔增強(qiáng)環(huán)氧樹脂(GLARE)進(jìn)行交替堆疊復(fù)合。因各層厚度(0.2～0.3 mm)較小，因此，這種復(fù)合材料的制造成本極高。ITM推出的材料混雜復(fù)合是將高性能纖維和具有良好沖擊性能的金屬纖維根據(jù)需求進(jìn)行特定的組合。這一復(fù)合技術(shù)的特點(diǎn)是各纖維在微觀層次上的混雜[纖維間組合，圖1a)]，避免材料在使用中出現(xiàn)分層現(xiàn)象，并顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。此外，ITM提出的這一復(fù)合技術(shù)所采用的金屬纖維由低成本的刨光金屬纖維組成，它與高性能纖維采用高效率的噴氣技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，可大幅降低材料的制造成本并實(shí)現(xiàn)廣泛的技術(shù)應(yīng)用。

1 開發(fā)新型混雜紗線的概念

用于開發(fā)新型混雜紗線的材料主要為2種或3種不同類型的纖維。纖維的選擇取決于紗線增強(qiáng)體的類型。纖維增強(qiáng)體大都選用高性能長絲紗線或金屬纖維。在復(fù)合材料的制備中，高性能長絲紗(主要是玻璃長絲紗線)用作低密度的高強(qiáng)度組分，而金屬纖維(主要是低成本的刨光不銹鋼短纖維)則用作延展性組分，以顯著改善復(fù)合材料的耐損傷性能。ITM的這一項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)了纖維在微觀水平上的混雜制備了具有較高耐損傷性的復(fù)合材料，如圖1a)右所示。這種新型材料是將含有雙纖維組分的混雜紗線增強(qiáng)體與滿足局部載荷要求的基體材料按一定的體積比進(jìn)行復(fù)合。若使用熱塑性纖維作為基體，則需將熱塑性纖維直接混合到混雜紗線中，并在固化過程中形成較短的塑性基體流動路徑以阻止空氣進(jìn)入，從而實(shí)現(xiàn)良好的復(fù)合性能。對于熱固性復(fù)合材料，混雜紗線僅由兩種增強(qiáng)纖維組成，高性能纖維和金屬材料可在宏觀或中觀層間進(jìn)行混雜，如圖1a)左和圖1b)所示。與以往的宏觀或中觀層間混雜技術(shù)相比，本研究在微觀水平上實(shí)現(xiàn)的纖維混雜具有顯著的優(yōu)勢。

圖1 單向增強(qiáng)纖維混雜復(fù)合材料和纖維金屬層壓板的混雜

據(jù)統(tǒng)計(jì)，纖維在微觀水平達(dá)到所需的均勻混雜狀態(tài)時(shí)，材料的表面積將增加100倍。因增強(qiáng)纖維具有不同的剛度，纖維微觀水平的混雜可大幅降低復(fù)合材料界面失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此，這種方法制得的復(fù)合材料具有大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用的潛力。

2 混雜技術(shù)的概念

理想的纖維微觀混雜是通過噴氣復(fù)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。ITM采用RMT D型噴氣變形機(jī)(H. St?hle公司，圖2)實(shí)現(xiàn)新型高性能纖維和金屬紗線的混雜。項(xiàng)目組對這一混雜工藝進(jìn)行了廣泛的探究，從而使不同類型、密度和剛度的纖維可以均勻、柔和地混雜在一起。由圖2可知，在高性能纖維和金屬紗線混雜制備過程中，長絲紗線1首先通過從動輥4(長絲紗線喂入?yún)^(qū))直接喂入噴氣箱5中。然后，一定細(xì)度和高開松度的金屬短纖維紗條2通過牽伸系統(tǒng)3直接輸送到空氣噴嘴的出口。在高速氣流作用下，具有較大剛度和密度的金屬短纖維紗條被抓取并以限定的方式與長絲紗線混合。因此，金屬短纖維紗可連續(xù)且均勻地混雜到長絲紗結(jié)構(gòu)中，從而制得具有高混合度的混雜紗線。分紗輥6用來分配混雜紗線。混雜紗線通過固定裝置7激活紗線中的熱塑性纖維組分，從而使紗線結(jié)構(gòu)固定并確保紗線具有較高的混合度。最后，將制備好的混雜紗線纏繞到紗管8上。

圖2 用于實(shí)現(xiàn)新型高性能纖維和金屬紗線混雜的噴氣變形機(jī)

ITM研發(fā)的這一復(fù)合材料混雜工藝旨在實(shí)現(xiàn)3個(gè)主要目標(biāo)。一是追求高混合度，為此，需將各纖維組分以很高的開松度喂入混合裝置中，需根據(jù)混雜紗的特殊性能要求調(diào)節(jié)噴氣變形機(jī)的氣流，以確保短纖維有足夠的動能與長絲紗進(jìn)行混合。二是確保纖維的低損傷度，從而使復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能。為此，在噴氣變形機(jī)中，氣流需以與纖維的剪切靈敏度相適應(yīng)的角度輸入，并降低空氣的壓力，避免混雜紗形成高度密實(shí)的區(qū)域。通過使用單獨(dú)的工作元件7可提高紗線的黏結(jié)力。三是實(shí)現(xiàn)纖維的高取向度排列，尤其是高性能纖維，從而滿足復(fù)合材料設(shè)計(jì)時(shí)所需的載荷，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。項(xiàng)目組同時(shí)開發(fā)了特定的導(dǎo)向元件，并優(yōu)化了噴氣變形機(jī)中氣體的流動模式。

3 HiMeJet型噴嘴

大量研究表明，常規(guī)的噴嘴不能滿足這一新型混雜工藝的生產(chǎn)需求，因此ITM項(xiàng)目組開發(fā)了一種特殊的HiMeJet型噴嘴，用于同時(shí)加工金屬短纖維和高性能長絲紗線。金屬短纖維和長絲紗線的射流專利是開發(fā)HiMeJet型噴嘴的基礎(chǔ)，同時(shí)考慮了不同纖維組分在密度和剛度方面的巨大差異。纖維在HiMeJet型噴嘴中的運(yùn)動通過Solidworks輔助軟件中的數(shù)值流體力學(xué)仿真模擬(嵌入在Solidworks的3D-CAD中)。該噴嘴包含壓縮空氣流入?yún)^(qū)、長絲紗線喂入?yún)^(qū)和拉瓦爾區(qū)3個(gè)區(qū)域，如圖3所示。

圖3 用于加工金屬短纖維和高性能長絲紗線的HiMeJet型噴嘴

根據(jù)氣體流動方向設(shè)計(jì)的第一區(qū)域?yàn)閴嚎s空氣流入?yún)^(qū)(藍(lán)色)，可將空氣流均勻地供應(yīng)至拉瓦爾區(qū)。壓縮空氣在無湍流的情況下翻轉(zhuǎn)90°進(jìn)入拉瓦爾區(qū)。

同時(shí)，高性能長絲紗線經(jīng)長絲紗線喂入?yún)^(qū)(綠色)緩慢喂入拉瓦爾區(qū)。這種高性能長絲紗線通常對剪切力非常敏感，因此可通過封裝來保護(hù)其免受垂直壓縮空氣的影響，只有當(dāng)氣流沿著與紗線導(dǎo)入方向平行的方向流動時(shí)，紗線才會暴露在壓縮空氣中。在拉瓦爾區(qū)，空氣最初被導(dǎo)入?yún)R聚、縮小的區(qū)域，然后再流經(jīng)發(fā)散、擴(kuò)大的區(qū)域，最終運(yùn)行速度高達(dá)600 m/s，從而獲取了足夠的動能，使噴嘴出口處高剛度、高致密度的金屬短纖維發(fā)生偏轉(zhuǎn)。另外，在發(fā)散和擴(kuò)大區(qū)域，高性能長絲紗線能均勻地分布在增大的橫截面上，從而在短纖維喂入?yún)^(qū)和噴嘴出口處實(shí)現(xiàn)了金屬短纖維和高性能長絲紗最大程度的均勻混合。

4 結(jié)語

由高性能纖維(如玻璃纖維)和金屬纖維(如不銹鋼絲)組成的新型混雜紗線具有廣闊的應(yīng)用前景，可大幅提高復(fù)合材料的耐損傷性。

ITM的項(xiàng)目研究優(yōu)化并提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，首次在微觀層面實(shí)現(xiàn)了各纖維的均勻混合，降低了纖維損傷度，并提高了混雜紗線中各纖維的取向度。項(xiàng)目組對這種混雜紗線的加工技術(shù)進(jìn)行了建設(shè)性的實(shí)施和廣泛試驗(yàn)，制備出含有高性能混雜紗線的復(fù)合材料。這種新型復(fù)合材料在耐損傷性和制造成本方面具有顯著優(yōu)勢，可作為一種新材料在相關(guān)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。