高性能纖維2.5D/3D高效快速織造理論與技術研究

談 源 蔣金華 謝 波

1.江蘇省高性能纖維復合材料重點實驗室、常州市宏發縱橫新材料科技股份有限公司 江蘇 常州 213135

2.東華大學 上海 201620

二維及三維紡織復合材料是纖維增強復合材料的高級形式,其增強結構為三維紡織預制體,具有優異的力學性能和抗損傷性能,在航空航天等高技術領域具有廣闊的應用前景。編織技術是紡織結構復合材料預制件技術的重要一種,分為兩維編織和三維編織,目前兩維編織技術比較成熟,適用于碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等高性能纖維的編織,三維編織技術雖然已經成功用于生產,但在特種復雜編織結構方面仍存在難題。本研究旨在研究低成本、高性能、新型編織結構復合材料增強體的工程化、產業化核心技術,重點攻克高性能纖維2.5D/3D高效快速織造理論與技術,為新型編織結構復合材料及新材料的產業化規模提供支撐。

一、高性能纖維2.5D/3D高效快速織造研究內容

高性能纖維2.5D/3D高效快速織造技術主要是研究低成本、高性能、新型編織結構復合材料工程化、產業化核心技術,深入研究高性能纖維編織退繞控制技術,異型編織結構預成形體編織技術、紡織結構復合材料特種編織與裝備等關鍵技術;形成新型編織結構復合材料的核心技術以及裝備,提高三維編織工藝及設備、加速三維異型整體編織復合材料的發展和推廣應用,為新型編織結構復合材料及新材料的產業化規模提供支撐。主要包括幾下以方面。

1.高性能纖維可編織技術與退繞技術。針對于編織設備及倒筒設備對于使用玻纖,碳纖,或其他高性能纖維生產過程中產生大量毛絲進行設備改造,以達到減少毛絲現象的產生。研究設備倒筒起毛情況原因、編織機構紗線損傷情況,研究分析可編織性改進方法,優化改進倒筒設備機械與編織機構。

2.2.5D/3D編織結構預成形體高效編織技術。攻克高性能纖維2.5D/3D高效快速織造理論與技術,研究異型編織結構纖維取向與分布情況,纖維排列及走向規律,突破多向纖維紗線在斜向或縱向互相交織、纖維方向和分布、形成整體結構的編織基礎理論,提升編織預成形體優化二維、三維編織工藝。開發出多種規則形狀異型截面預制件的三維紡織技術,解決織造不同形狀、尺寸、織物結構的規則異型三維紡織預制件的關鍵技術及產業化技術難題。構建二維及三維預型件及復合材料的各項性能測試分析及綜合性能評價方法。

3.紡織結構復合材料特種編織與裝備優化關鍵技術。優化三維異型編織技術織造的整體性和力學合理性的關鍵技術,提高三維異型整體機織技術的靈活性及復雜形狀織物的創造性;研究纖維束排列布局的設計、工藝過程的動態規律,實現三維異型整體機織的半自動化與自動化,突破大型三維編織工藝及專用設備的研究,實現復雜形狀的預成形體自動化編織。形成新型編織結構編織核心技術與快速編織裝備優化技術,解決玻纖,碳纖等高性能纖維生產過程中容易起毛、效率低的難題,提高制品的加工穩定性和品質。

二、高性能纖維2.5D/3D高效快速織造技術路線

1.織物編織工藝設計及機構優化

嘗試從三維管狀織物入手,研究管狀編織物的組織形態、外形尺寸、紗線取向等,可以通過選擇紗錠的個數、紗錠在軌道盤上運動的速度、牽拉機構的運動速度、紗線的粗細來確定。管道的編織參數設計根據編織物的組織形態、外形尺寸、紗線取向以及各方面性能上的要求,可以通過選擇軸向紗錠的個數,紗錠在軌道盤上運動的速度與牽拉機構的運動速度比即齒輪比,起始編織點距離軌道盤的距離即編織距離,紗線的細度來確定。

管狀編織物最重要的參數為紗線的編織角α,可由轉動速度n、牽拉速度v和心軸直徑Dm計算得到,如下式:

通常對于復雜結構心軸,直徑在不斷變化,需要調節牽拉速度以達到均勻的編織角,從而保證管狀織物相同的緊度。

三維管狀織物的直線單元長度l與線跡單元長度s、紗線寬度d的關系為:

在兩軸向編織管狀結構基礎上,為了增加軸向強力,還可以沿著軸向0°方向增加一個方向的軸向紗線。

擬采取的如下幾種途徑來達到提高整體強度的要求:(1)增加碳纖維束的數量,盡可能提高纖維體積分數,滿足復合材料理論強度目標的要求;(2)增加多層層數鋪層復合編織,提高織物預型件及復合材料整體性能。若設計為多層編織結構,各層之間可以還可以通過縫合進行層間連接,縫紉加固方法可有效地提高編織纖維增強復合材料管件的機械性能以及能量吸收性能。(3)除了如斜向編織方向外,增加0°方向的增強纖維束,如0°增強纖維束與30°編織束層間上下交織成為一體,不會分層,通過優化設計選擇合理的不同角度紗束的配比,提高材料的強度滿足最終目標強度的要求。

2.三維編織理論及技術優化

首先解決高性能纖維的倒筒難題。在上機織造之前,研究纖維纏繞到特定的紗管上倒筒技術,碳纖維經倒紗工藝后在紗管上的排列情況對后道編織的影響較大。根據項目研究經驗,在倒紗過程中應關注解決以下問題:

(1)碳纖維紗線呈條帶狀,且模量很大,為了使紗線結構穩定,便于編織,碳纖維的退繞應采取切向退繞的方式;

(2)碳纖維斷裂伸長率小,屬于脆性材料,彎曲纏繞過程中易產生飛花,因此,纏繞機要保持低速纏繞,減少碳纖維復絲在纏繞過程中的損傷;

(3)倒筒時應適當控制纏繞過程中的張力,易于編織過程中紗管上的紗線順利退繞。纏繞紗管過程中提高紗線的張力有利于碳纖維復絲在紗管上的均勻分布,但會加大紗線與導紗部件之間的摩擦,使紗線受到磨損,發生起毛飛花。

創新采用了預浸料紗線處理方法、編織可靠性研究,制備了滿足編織要求的預浸紗;搭建了三維編織樣機,并對編織機多項導紗機構、編織模具進行了優化設計和改進,減少了毛羽產生及復雜結構的成型。

三維編織技術是對二維編織技術的擴展,增加了紗線和紗線系統的數目,以形成更多的紗線交織,按織造工藝主要分為三類:行列式三維編織、旋轉式三維編織和六角形三維編織。行列式三維編織中攜紗器的移動是以整行或整列的形式進行的,雖然可以用來織造異形截面的三維編織物,但其編織速度較慢,一般為每分鐘8個-10個機器循環;而且攜紗器帶紗較少,導致連續編織10m-20m后即需更換紗管;也不適用于變截面三維織物的織造。旋轉式三維編織中攜紗器均勻分布在以編織軸為圓心的圓周上,且至少有兩組紗線,其中一組繞底盤中心點順時針旋轉,另一組繞底盤中心點逆時針旋轉,形成封閉的路徑。槽輪凹槽的數量決定了編織紗交織的形式以及編織物的結構,尤其是角輪的凹槽只有一半可以放置攜紗器。六角形三維編織相較于行列式和旋轉式編織更加靈活,可以依據編織物的截面形狀和空間結構選擇攜紗器的分布和運動路徑,不必重新加工機器底盤。

二維編織由于其交織規律相對簡單,機械加工自動化程度較高,適用于編織一些回轉體的殼結構,比如圓形管、方形管等。

深入分析比較不同類型三維編織理論機理,攻克高性能纖維2.5D/3D高效快速織造理論與技術,研究異型編織結構纖維取向與分布情況,纖維排列及走向規律,突破多向纖維紗線在斜向或縱向互相交織、纖維方向和分布、形成整體結構的編織基礎理論,提升編織預成形體優化二維、三維編織工藝。

開發出多種規則形狀異型截面預制件的三維紡織技術及設備改進方案,解決織造不同形狀、尺寸、織物結構的規則異型三維紡織預制件的關鍵技術及產業化技術難題。

3.編織件整體設計與性能預測及評價

根據三維編織管狀織物最終性能的目標要求,首先從理論上初步估算選材、如管狀織物預型件及復合材料的性能。并構建二維及三維預型件及復合材料的各項性能測試分析及綜合性能評價方法。

采用理論和實驗相結合的方法,構建復合材料管件的各項性能測試分析及綜合性能評價等,形成管狀織物編織、復合成型、性能評估全套技術報告及規范等。

·編織結構復合材料彈性常數計算方法

通過理論分析方法,構建增強相單胞網格,提取及纖維束編織結構參數,預測復合材料彈性常數等。

圖1 二維三軸向編織管結構

如圖1中,矩形框所示即為選取的單胞,單胞模型的長度為L,寬度為W,編織角為γ。y軸平行于材料軸向,x軸平行于材料橫向方向,z軸平行于材料厚度方向。假設纖維束橫截面為透鏡形。根據幾何關系,建立細觀模型相關參數關系如下:

定義纖維束橫截面面積A,其計算公式為:

從圖4可以看出,在一個矩形單胞模型內中含有兩根軸向纖維束和四根編織向纖維束,則軸向纖維束a和編織向纖維束b的體積以及單胞的纖維體積含量分別為

其中,Aa 為軸向纖維束橫截面面積,Ab 為編織向纖維束橫截面面積,La為軸向纖維束弧長,Lb編織向纖維束弧長,Φ為纖維束的紗線填充因子,可認為編織纖維束與軸向纖維束的橫截面和紗線填充因子相同。

以上給出了單胞模型提取算法,利用該算法可以快速提取出編織預制件中指定范圍內的增強相單胞網格模型。

復合材料彈性常數計算方法及驗證,利用單胞模型計算彈性模量Ex和泊松比μxy、μxz等。另外,根據計算的各種彈性常數,結合實驗測得的結果,進行有限元分析驗證比較,進一步優化材料結構和性能

·復合材料性能方法評價的構建

針對最終復合材料管件,建立拉伸、壓縮、彎曲、層間剪切等各種應用狀態下的測試方法,并針對管狀試件,制備專門的夾具工裝便于準確的夾持和測試、不損傷制件。最終形成管狀等形狀織物編織、復合成型、性能評估全套技術報告及規范等。

三、結語

隨著裝備應用環境更加苛刻及多功能化的需求,增強體構件趨向尺寸大型化、結構復雜化、整體輕量化,這就對高性能復合材料增強體的設計及制造提出了迫切需求。因此,需要我們不斷進行自主創新,通過技術攻關,突破制約我國高性能纖維紡織材料產業發展的關鍵技術瓶頸,縮小我國同發達國家的差距,帶動相關產業的技術升級和發展,提高我國三維紡織增強材料的設計、制造和開發應用水平,提升我國復合材料產業的自主創新能力。