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三維紡織技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

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發(fā)表于 2015-4-3 14:23:09 | 只看該作者 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
在航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軓?fù)合材料新需求的推動(dòng)下,從20世紀(jì)80年代起,三維紡織技術(shù)得到了迅速發(fā)展。采用三維紡織預(yù)成型體增強(qiáng)的復(fù)合材料,具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、更高的損傷容限以及卓越的抗燒蝕性能,為復(fù)合材料應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)件和多功能結(jié)構(gòu)件提供了廣闊的前景。天津工業(yè)大學(xué)是國內(nèi)首家研制開發(fā)三維紡織技術(shù)的單位,擁有先進(jìn)的技術(shù)裝備和核心技術(shù),是目前國內(nèi)唯一具備材料設(shè)計(jì)、紡織預(yù)成型、樹脂基復(fù)合成型等全過程技術(shù)的先進(jìn)紡織復(fù)合材料科研和生產(chǎn)單位,研發(fā)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于我國航空航天領(lǐng)域。  高性能復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)可以有效減輕飛行器自身重量,使飛行器飛得更快、更遠(yuǎn),并提高飛行器防熱、透波、隱身等功能,對(duì)推進(jìn)飛行器現(xiàn)代化起著十分關(guān)鍵的支撐作用。復(fù)合材料的用量已成為衡量各國飛行器先進(jìn)水平的標(biāo)志:空客A380采用了25%的復(fù)合材料,而波音B787飛機(jī)的復(fù)合材料用量已達(dá)到50%。“十一五”期間,高性能復(fù)合材料及復(fù)合結(jié)構(gòu)部件制備技術(shù)已作為我國新一代飛行器輕質(zhì)化、高性能化的關(guān)鍵技術(shù)而列入我國科技發(fā)展規(guī)劃,并亟待進(jìn)一步提高。/ V, ]" _5 f  }& V
  三維紡織復(fù)合材料技術(shù)作為一種新型高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的制備技術(shù),是將增強(qiáng)纖維編織成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的近凈形三維整體織物(紡織預(yù)成型體),再采用樹脂傳遞模塑工藝(RTM)注入樹脂后復(fù)合固化形成高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。由于采用了三維整體織物作為增強(qiáng)體,復(fù)合材料在厚度方向上獲得了增強(qiáng),從而克服了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料容易分層破壞的缺點(diǎn),具有優(yōu)異的力學(xué)性能。隨著三維紡織技術(shù)的發(fā)展,不僅可以凈體制備形狀復(fù)雜、不同尺寸的異型構(gòu)件,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì),減少零配件數(shù)量,保證結(jié)構(gòu)的整體性,而且增強(qiáng)纖維在復(fù)合材料中呈空間多向分布,使復(fù)合材料的性能設(shè)計(jì)更具靈活性,實(shí)現(xiàn)了材料的“特定設(shè)計(jì)”。
; T( S7 _' R9 Y4 F" D用于復(fù)合材料預(yù)成型體制備的三維紡織技術(shù)主要包括三維編織技術(shù)、三維機(jī)織技術(shù)和三維針織技術(shù)等。. L6 k+ f5 T" n' W; {$ m
  1 三維編織技術(shù), V% O! i# b+ x+ y9 `
  三維編織技術(shù)源于Florentine在1982年提出的“Magnaweave”編織方法。即每一根編織紗線由一個(gè)攜紗器單獨(dú)控制,攜紗器按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng),使編織紗線在三維空間內(nèi)相互交織交叉,形成具有一定形狀和尺寸的整體預(yù)成型體。基本的三維編織工藝制備的預(yù)成型體內(nèi)有4種空間傾斜分布的編織紗線,我們稱之為三維四向編織結(jié)構(gòu)。在編織過程中,可根據(jù)需要分別在長度、寬度和厚度方向上加入伸直的紗線,這樣就可以形成三維五向、三維六向和三維七向編織結(jié)構(gòu)。此外,三維編織過程中可通過改變攜紗器的排列形狀和增減編織紗線的數(shù)量等工藝方法,靈活地編織出各種形狀的預(yù)成型體。" ~  k8 {+ y5 u1 b
  1994年,美國Atlantic Research公司研制的圓型三維編織機(jī)可掛14000根紗線;1996年,天津工業(yè)大學(xué)研制的計(jì)算機(jī)控制的方型三維編織機(jī)可掛4萬根紗線,是國內(nèi)目前最大、最先進(jìn)的編織設(shè)備,可編織工字梁、T形梁、L形梁等多種形狀的預(yù)成型體。此外,由于一臺(tái)編織機(jī)所能編織的預(yù)成型體的幾何尺寸具有一定的局限性,為此,天津工業(yè)大學(xué)成功研制了組合式三維編織機(jī),標(biāo)準(zhǔn)化的編織單元可以靈活的進(jìn)行組合,以滿足不同形狀和尺寸制件的編織需要。
8 a. V+ t3 g2 I% K* H1 f( A! b  2 三維機(jī)織技術(shù)
% Y' F, e( [: M5 \3 d  三維機(jī)織技術(shù)利用多層經(jīng)紗織造方法,將若干經(jīng)紗和緯紗層相互接結(jié)而形成具有一定厚度的三維整體預(yù)成型體。其中,采用分層接結(jié)的方法,將各相鄰紗線層進(jìn)行接結(jié),稱為層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu),也稱2.5D機(jī)織結(jié)構(gòu);采用接結(jié)紗傾斜貫穿整個(gè)厚度的方法,將全部紗線層進(jìn)行接結(jié),稱為貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu);采用一組紗線垂直貫穿整個(gè)厚度的方法,將全部紗線層進(jìn)行接結(jié),稱為正交接結(jié)結(jié)構(gòu)。三維機(jī)織預(yù)成型體中僅含有經(jīng)向和緯向紗線,非常適合織造具有一定厚度的寬幅織物。天津工業(yè)大學(xué)對(duì)三維機(jī)織設(shè)備進(jìn)行了全面的改造和升級(jí),經(jīng)過改造后的織機(jī)可以織造圓型和異型預(yù)成型體,最大厚度可達(dá)50mm。
, m0 j, \/ k9 }5 Q8 v: Z8 I# N  3 三維針織技術(shù)
" y- S+ R- l! n0 A7 h. h5 F  三維針織技術(shù)是利用針織線圈將若干層平行伸直的襯墊紗捆綁在一起,形成具有一定厚度的三維整體預(yù)成型體。天津工業(yè)大學(xué)已成功研制出了一臺(tái)雙軸向緯編織物織造設(shè)備,如圖1所示,織物幅寬達(dá)到2.7m。雙軸向緯編織物采用雙面羅紋組織結(jié)構(gòu)來捆綁多至5層的襯緯襯經(jīng)紗,適于玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維的織造加工,該織物具有極優(yōu)越的沖壓成型能力。在深度沖壓下,織物變形均勻,不起折皺,非常適合異型曲面制件的變形成型加工。$ P* X; k  z$ D$ O1 S8 n
在ACT計(jì)劃的推動(dòng)下,美國的許多大學(xué),如Delaware大學(xué)、Drexel大學(xué)、North Carolina State大學(xué)、Auburn大學(xué)等都開展了對(duì)于三維紡織預(yù)成型技術(shù)的研究。美國的大西洋公司、波音公司分別耗資數(shù)千萬美元制造了大型三維編織機(jī),3TEX公司研制了多梭口三維機(jī)織設(shè)備,該設(shè)備直接為美國航天航空部門服務(wù)。與此同時(shí),俄羅斯、德國、日本等國家也都積極開展了三維紡織技術(shù)的研究。日本Tsuzuki公司研制的一種角輪式三維編織機(jī),攜紗器由角輪傳動(dòng),角輪的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)控制,具有較高的編織速度,可連續(xù)織造截面為T形、I形、矩形,實(shí)體圓形及半圓型的制件。德國LIBA公司研制的多軸向縫編機(jī)可平行鋪放6層或6層以上的紗線,這些紗線由縫編紗捆綁在一起,形成具有一定厚度的織物。
& }" U6 \" @* n% z! h三維紡織預(yù)成型技術(shù)是一種先進(jìn)的纖維預(yù)成型技術(shù),采用這種技術(shù)將纖維織造成具有一定厚度和一定形狀的纖維預(yù)成型體,使RTM工藝中的纖維鋪層更簡化、高效,同時(shí)可保證預(yù)成型體內(nèi)纖維的連續(xù)性和整體性,顯著提高復(fù)合材料制件的力學(xué)性能。
; {8 G- W2 y1 f: p' u7 y+ w6 Q  以三維紡織預(yù)成型體為增強(qiáng)骨架的先進(jìn)紡織復(fù)合材料是一個(gè)不分層的整體結(jié)構(gòu),具有優(yōu)良的力學(xué)性能和功能性能,它使得采用復(fù)合材料制作主承力結(jié)構(gòu)件和多功能制件成為可能。此外,三維紡織預(yù)成型技術(shù)還具有卓越的異型構(gòu)件仿形編織成型能力。
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發(fā)表于 2015-4-3 15:06:04 | 只看該作者
這個(gè)國內(nèi)有沒有具體的應(yīng)用案例呢
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 樓主| 發(fā)表于 2015-4-3 15:14:36 | 只看該作者
國內(nèi)天津大學(xué)最早開始研究,武漢紡織大學(xué)與英國曼徹斯特大學(xué)合作,聯(lián)合打造國內(nèi)首家三維立體紡織技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。. g3 m3 M$ b( w& Y* j8 ?9 ^
漢紡織大學(xué)紡織學(xué)院35歲的女博士龔小舟帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)從2006年開始奮戰(zhàn)了9年。去年11月底,“三維紡織機(jī)”織出第一塊可做“鐵布衫”的立體三維紡織布。龔小舟的碩士和博士都是在英國曼徹斯特大學(xué)攻讀的,她的導(dǎo)師是三維紡織品編織技術(shù)世界前沿級(jí)的大師。團(tuán)隊(duì)另一負(fù)責(zé)人、武漢紡織大學(xué)科技處副處長李宇介紹,三維織造技術(shù)一直是國際難題。國外近幾年有所突破,但技術(shù)和設(shè)備對(duì)我國封鎖。龔老師帶隊(duì)的這個(gè)項(xiàng)目技術(shù)不但填補(bǔ)了國內(nèi)空白,而且這臺(tái)織機(jī)是全世界首臺(tái)全自動(dòng)三維寬、厚織物機(jī)織設(shè)備,目前擁有6個(gè)中國發(fā)明專利和11個(gè)實(shí)用新型專利。: z% }" X9 I5 [0 E

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發(fā)表于 2015-4-3 17:30:18 | 只看該作者
像我們每天接觸基礎(chǔ)工藝的人  看著這個(gè)確實(shí)好奇
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發(fā)表于 2015-4-3 17:31:49 | 只看該作者
像我們每天接觸基礎(chǔ)工藝的人  看著這個(gè)確實(shí)
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發(fā)表于 2015-4-4 08:19:27 | 只看該作者
謝謝樓主的帖子, 學(xué)習(xí)了

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