三维编织方法现状分析

来源: 发布时间:2020-06-24 09:19:40

  摘要:三维编织复合材料具有高的比模量、比强度、损伤容限、剪切强度、抗冲击损伤、耐烧蚀和耐高温等优点。其良好的性能使得三维编织复合材料能够满足航空航天器、军工产品、建筑材料和人造生物材料等的使用要求。

  关键词:三维编织;材料;纱线;性能;装备

  目前,纱线在空间中相互交织的三维编织技术在特定的领域得到了快速发展。三维编织复合材料是由三维编织织物与基体复合而成的一种先进的复合材料,它的综合性能取决于三维编织材料和基体的性能。作为增强相的三维编织材料对复合材料整体性能起着决定性作用,而三维编织材料的加工技术是影响三维编织材料性能的重要因素。

  三维编织材料的几何形状和内部纱线的密度都具有良好的可设计性,通过改变相关的工艺条件可以编织出符合不同要求的织物,通过改变三维编织材料的纤维体积百分比,可以使得材料的综合性能能够适应不同要求。现有的三维编织方法主要包括二步法、四步法、多步法等。其中发明较早且研究较多的是四步法及以四步法为基础的多向编织方法,现代工业急需性能更好的低成本加工方法,以满足三维编织复合材料的推广应用以及高品质要求,新三维编织材料加工工艺的开发研究显得尤为重要。

  新型三维编织材料的优越性能使得它作为复合材料的增强相,能够提升复合材料的性能,使其应用更加广泛,因此对于新型三维编织材料的研究,将会为新型三维编织材料和编织工艺的工业化应用奠定基础,并且对国民经济的发展有着重大的意义。三维编织复合材料不仅在航天军工,而且在汽车、自行车等领域都得到了广泛应用。三维编织材料是在二维编织的基础上发展而来的,它的出现很好地弥补了二维编织的不足。三维编织技术使得复合材料的静态性能及力学性能得到很大的提升。三维编织织物通过基体复合成型形成三维编织复合材料,三维编织材料的优良性能使得人们对它有着更高的期待。

  三维编织技术出现在上个世纪六十年代末期,发展于八十年代。其中,最主要的研究大都集中在二步法与四步法,四步法的发明要早于二步法。1982年,R.A.Florentine首先发明了“Magnaweave”编织方法即四步法编织工艺以及编织设备。1987年,Peter.Popper和Ronald.F.McConnell发明二步法编织工艺。随着四步法和二步法的发明,大量相关的研究被展开。基于四步法三维编织的多向编织工艺得以开发并成功应用于工业生产过程,目前成功应用的有三维五向、六向和七向编织工艺。美国于八十年代中期由NASA主导,联合众多科研院所致力于三维编织技术的研究与开发工作,并且取得了相应的一些成果。以德国、英国为代表的欧洲国家也在尽力开发新的三维编织材料。在亚洲研究较早的是日本,在经过系统的分析研究后也开发了一系列三维编织设备。世界上研究三维编织技术的国家有很多,但是研究成果作为国家的核心竞争力,都受到了严密的保护。

  为了拥有独立自主的先进技术,国内于八十年代末也陆续有一些高等院校及科研院所开始了研究三维编织的相关工作。经过许多科研工作者的不懈努力,我国现在的三维编织技术也在快速发展,发明了一些基于二步法和四步法编织工艺的装备。比如,天津纺织工学院成功的设计并制造出了电脑控制的三维编织设备,该设备最大可实现四万根编织纱线的编织。在三维编织技术及装备的研究过程中,为了解决三维编织设备在织物形状、截面大小等尺寸变化方面的限制,研制了更为灵活的编织设备,通过对编织机进行单元化的设计,从而解决了异形织物的编织,大大的提高了三维编织设备的工作效率且降低了编织成本。上世纪末,天津工业大学研发了一种能够编织大尺寸且结构较为复杂织物的编织设备。

  随着三维编织复合材料的应用范围的不断扩大,对三维编织材料的细观结构的研究就显得尤为集中,为了更好地了解三维编织复合材料的内部结构及力学性能,三维编织材料的细观结构研究成为了一种趋势,国外很多学者开始了对这种新兴三维材料的细观结构进行研究,并建立了相应的模型。Frank.Ko首次提出了“FGM”即三维编织复合材料单胞模型理论。Whitney和Chou详细提出了“Micro—Cell”即微单元概念,并成功的将它应用于编织材料的分析。Yang通过对1×1四步法编织的材料的研究,建立了“Fiber Inclination Model”。针对三维五向编织法编织的材料,Ko等通过使用分析软件对该种复合材料的力学性能进行了分析研究。针对编织纱之间的关系,Ma等建立了该种材料的细观模型。针对于使用三维六向法编织的材料,通过实验的方法,Xu等得到了相关性能参数。

  国内的研究也同样迅速,针对应用较为广泛的四步编织法,吴德隆建立了内部、面部、角部三种可重复的单胞几何模型。针对使用三维四向编织法编织的织物,刘振国不仅建立了“米”型的单元模型,而且对相关材料的性能参数进行了有效地预测。针对使用三维七向法编织的复合材料,李典森深入研究了该种材料的整个编织过程和纱线交织情况,建立了该种材料的单胞模型并提出了模型理论公式。针对三维管状编织材料,马文锁通过对其在实际状态下梯度性能的变化的研究,提出了可变微单元模型,系统地分析了管状织物的性能并解决了梯度变化问题。

  2005年,马文锁通过研究晶体学中的对称群理论,把该理论与编织材料中纱线的几何位置关系联系在一起,成功的把对称群论应用于编织几何结构的推导和材料相关性能的研究。离散后的编织纱线段可以用空间点来代替,这样便可用空间点群来代表编织材料的单胞结构,那么将点群与空间群相结合即把编织材料的单胞一一放置于与编织几何结构所对应的点阵里,如果这种单胞的组合使得编织纱线呈现连续状态,便可得到一种全新的结构。

  参考文献

  [1] 马文锁, 张建中, 苏冰. 基于可变微单元模型的三维编织复合材料管弹性性能预报[C] //第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集, 武汉: 2007: 1001-9731.

  [2] 孙其永, 李嘉禄, 焦亚男, 等. 三维编织技术在航空航天领域的应用[J]. 航空制造技术,2008, (4): 45-47.

  [3] 易洪雷, 丁辛. 三维机织复合材料的弹性性能预报模型[J]. 力学学报. 2003, 35(5): 569-577.

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