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以碳纖維為增強(qiáng)體的先進(jìn)復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比,具有比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、疲勞性能好、耐腐蝕、便于制造大型整體件等優(yōu)點(diǎn)。隨著復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,先進(jìn)復(fù)合材料在軍、民用飛機(jī)上的用量也在不斷增加。隨著復(fù)合材料用量的增加,其制造成本過(guò)高的問(wèn)題也愈發(fā)顯得突出。由于在復(fù)合材料總成本中制造成本約占60%~70%,低成本復(fù)合材料技術(shù)成為當(dāng)今世界復(fù)合材料領(lǐng)域開(kāi)發(fā)研究的核心問(wèn)題之一[1]。低成本的成型工藝方法是今后復(fù)合材料應(yīng)用研究的主要方向。樹(shù)脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding)、RFI(Resin Film Infusion)等復(fù)合材料液體成型技術(shù)自出現(xiàn)以來(lái)由于其工藝上具有成形效率高、成本低、污染小、適合成型大型復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)而倍受人們的關(guān)注。
縫合技術(shù)是針對(duì)傳統(tǒng)工藝方法不足而開(kāi)發(fā)的一種全新的技術(shù)。其原理是通過(guò)縫合手段,使復(fù)合材料在垂直于鋪層平面的方向得到增強(qiáng),從而提高材料層間損傷容限。穿過(guò)增強(qiáng)織物厚度方向的縫線可以大大改善復(fù)合材料的層間性能。不僅如此,縫合技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料液體成型工藝還可提高制件成型的整體化程度??p合纖維預(yù)制體可用于制造大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件,不僅克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料層間強(qiáng)度弱、易分層的缺點(diǎn),也使其抗沖擊損傷性能大大提升,而且減少了金屬連接件的數(shù)量,這樣既減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,又減少制造總成本。 本文來(lái)自123
復(fù)合材料縫合工藝參數(shù)
1 縫合線選擇
為滿足航空航天類復(fù)合材料構(gòu)件的特殊需求,縫合線要求具有高強(qiáng)度和高耐磨性,而且其性能不應(yīng)受復(fù)合材料固化的影響。常用的縫合線有芳綸纖維、玻璃纖維和碳纖維等。其中Kevlar纖維線由于其特殊的耐磨性、良好的抗沖擊韌性,在縫合復(fù)合材料中應(yīng)用較多。在復(fù)合材料預(yù)制體縫合時(shí)通常應(yīng)用不加捻的Kevlar纖維紗線。這種不加捻的紗線和加捻線相比耐磨性較差,且有縫合過(guò)程中有易松散起毛等缺點(diǎn),但是加捻線由于纖維束彎曲纖維強(qiáng)度會(huì)有所下降,通常Kevlar 紗線加捻后纖維強(qiáng)度下降35% 左右[2]。
2 縫合密度
復(fù)合材料縫合雖然提高了層合板的層間性能,對(duì)CAI 值、GIc、GIIc有較大貢獻(xiàn),但這卻是以面內(nèi)性能的損失為代價(jià)的,因?yàn)榭p合線使得層合板在沿厚度方向有了增強(qiáng)的同時(shí),卻在一定程度上損傷了層合板X、Y方向的纖維。為使復(fù)合材料達(dá)到最佳性能狀態(tài),縫合密度的選擇也很重要。很顯然,縫合密度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致層合板面內(nèi)性能損失較大;而縫合密度過(guò)小對(duì)層間性能的提高效果不明。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)對(duì)比,目前航空復(fù)合材料常用的縫合密度主要是5mm×3mm、5mm×5mm、5mm×8mm等。 123456
3 縫針選擇
在復(fù)合材料縫合過(guò)程中縫針對(duì)纖維會(huì)造成一定程度的損傷。如果針尖太鋒利,纖維容易被切斷;而針尖太鈍的話,針尖進(jìn)入纖維的阻力太大,在縫合相對(duì)較厚的預(yù)制體時(shí)會(huì)降低縫合效率,因此,縫針針尖的鋒利程度要適中。我們?cè)诒WC縫針剛度的同時(shí)縫針越細(xì)越好,尤其對(duì)纖維泡沫夾芯預(yù)制體進(jìn)行縫合時(shí),越細(xì)的縫針對(duì)泡沫的損傷越小。
縫合設(shè)備
縫合技術(shù)是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料三維增強(qiáng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),而用于滿足不同類型飛機(jī)結(jié)構(gòu)縫合需要的縫合設(shè)備是三維增強(qiáng)技術(shù)的重要保障。因此,在高性能、低成本復(fù)合材料制造技術(shù)需求牽引下,先進(jìn)的縫合設(shè)備在美國(guó)等西方國(guó)家得到很快發(fā)展。為適應(yīng)國(guó)內(nèi)新型飛機(jī)對(duì)縫紉技術(shù)的需求,中航工業(yè)北京航空制造工程研究所率先從國(guó)外引進(jìn)了最新一代的復(fù)合材料專用縫合設(shè)備(見(jiàn)圖1)。此縫合設(shè)備由二維縫合單元和三維縫合單元兩部分組成,其有效縫合面積達(dá)到3.5m×9m,最大縫合厚度30mm,最快縫合速度達(dá)1000針/min,可適用于各種形式預(yù)制體的縫合。 本文來(lái)自123
復(fù)合材料縫合方式分類
1 雙面縫合
雙面縫合是從預(yù)制體的上下兩面進(jìn)行縫合,其原理與家用縫紉機(jī)的原理相似,縫合線被針從制件一邊帶入,底下有一底梭配合縫針帶線結(jié)套。這種縫合方式的縫合線軌跡如圖2所示。
2 單面縫合
單面縫合是縫針從預(yù)制體的上面穿透制件進(jìn)行縫合,而另一面沒(méi)有縫合單元,縫頭只是在被縫合件的單面完成縫合工作。復(fù)合材料常用的單面縫合主要有鏈?zhǔn)脚cTufting 2種縫合方式 。
鏈?zhǔn)娇p合:如圖3所示,鏈?zhǔn)娇p針為彎月形縫針,縫針與擺線鉤針處在同一邊,隨著縫針延縫線方向移動(dòng),彎針?lè)磸?fù)穿透制件使縫合線多次繞曲形成線套相連,縫合線軌跡如圖4所示。鏈?zhǔn)娇p合方式縫合適用于復(fù)雜構(gòu)型預(yù)制體的縫合。