縫合技術(shù)在復(fù)合材料液體成型預(yù)制體中的應(yīng)用研

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，其制造成本過高的問題也愈發(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)域開發(fā)研究的核心問題之一[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)是針對傳統(tǒng)工藝方法不足而開發(fā)的一種全新的技術(shù)。其原理是通過縫合手段，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，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，縫合密度過大會導(dǎo)致層合板面內(nèi)性能損失較大；而縫合密度過小對層間性能的提高效果不明。經(jīng)過大量的試驗(yàn)對比，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)合材料縫合過程中縫針對纖維會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，在縫合相對較厚的預(yù)制體時會降低縫合效率，因此，縫針針尖的鋒利程度要適中。我們在保證縫針剛度的同時縫針越細(xì)越好，尤其對纖維泡沫夾芯預(yù)制體進(jìn)行縫合時，越細(xì)的縫針對泡沫的損傷越小。

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)備在美國等西方國家得到很快發(fā)展。為適應(yīng)國內(nèi)新型飛機(jī)對縫紉技術(shù)的需求，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所率先從國外引進(jìn)了最新一代的復(fù)合材料專用縫合設(shè)備（見圖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，彎針反復(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。

Tufting 縫合：縫針工作原理是縫針從預(yù)制體一面穿透制件，在縫針退出預(yù)制體表面后，把縫線留在預(yù)制體內(nèi)部，縫線軌跡如圖5所示。Tufting縫合是靠預(yù)成型體與縫線之間的摩擦力把縫線留在預(yù)制體內(nèi)，所以在制件內(nèi)部也沒有結(jié)點(diǎn)，由縫線引起的應(yīng)力集中較小。由于Tufting的單面縫合特性，所以同樣適用于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的纖維預(yù)制體縫合。



不同縫合方式的工藝特點(diǎn)及應(yīng)用

（1）鎖式縫合（改進(jìn)鎖式縫合）。因其工藝性較好在復(fù)合材料預(yù)制體研制中得到廣泛使用。傳統(tǒng)鎖式縫合方式較常見，其特點(diǎn)是縫線和底線的結(jié)點(diǎn)在制件厚度的中間位置，這對于復(fù)合材料來說，結(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中很大程度上會影響復(fù)合材料性能的提高。因此，在傳統(tǒng)鎖式縫合的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝優(yōu)化，出現(xiàn)了改進(jìn)鎖式縫合，圖6即為改進(jìn)的鎖式縫合。在復(fù)合材料縫合中，改進(jìn)鎖式縫合應(yīng)用較多，使用此縫合方式制件在厚度方向縫合線彎曲少，對面內(nèi)纖維的損傷少，由縫合引起的應(yīng)力集中也較小，因此使復(fù)合材料具有相對更高的損傷容限。 內(nèi)容來自123456



鎖式縫合因其受雙面縫合的工作原理所限，對預(yù)成型體的縫合工作只能在縫合設(shè)備工作平臺上完成，所以通常此種縫合方式只適用于曲率相對較小的預(yù)制體上，縫合厚度可達(dá)20mm。鎖式縫合對縫線的張力可做相應(yīng)調(diào)節(jié)，因此在沒有特殊定位要求的情況采用鎖式縫合無需對預(yù)制體使用定位膠粘劑。通過調(diào)節(jié)鎖縫，復(fù)合材料加強(qiáng)筋與蒙皮連接的結(jié)構(gòu)應(yīng)用鎖式縫合較多，在靠近立筋的縫合區(qū)需要更換小壓腳來保證縫針靠近加強(qiáng)筋根部從而完成縫合。圖7為應(yīng)用鎖式縫合對復(fù)合材料大型加筋蒙皮的連接縫合。



（2）鏈?zhǔn)娇p合?？p頭固定于懸臂機(jī)械手上，依靠機(jī)械手來完成復(fù)雜的縫合動作。因此，鏈?zhǔn)娇p合可以完成所有復(fù)雜曲面預(yù)制體的縫合，但由于縫針為彎月形縫針，所以鏈縫通常適用于相對較薄的預(yù)制體。鏈?zhǔn)娇p合的最大縫合厚度為10mm，當(dāng)纖維預(yù)制體厚度小于1mm，且零件型面曲率較大時，在雙面縫合工作平臺的限制下無法使用鎖式縫合；而對于Tufting縫合，因?yàn)榱慵^薄，縫線不易留在零件內(nèi)，所以對于此種預(yù)制體的縫合最好采用鏈?zhǔn)娇p合方式。 本文來自123
（3）Tufting縫合。同樣是依靠連接縫頭的懸臂機(jī)械手上完成復(fù)雜型面的縫合，在縫合時Tufting縫針只有在預(yù)制體內(nèi)穿進(jìn)和退出的簡單動作，所以Tufting縫合可適用于較厚的預(yù)制體縫合，Tufting縫合的最大縫合厚度可達(dá)30mm。采Tufting
縫合時縫線幾乎處于自由狀態(tài)，張力很小，僅靠縫線與預(yù)制體的靜摩擦力把縫線留在預(yù)制體內(nèi)部。因此，為了能保證縫線能順利留在預(yù)制體內(nèi)部，會在預(yù)制體鋪疊時加入少量定位膠黏劑來增大預(yù)制體與縫線的摩擦，從而保證縫合的順利進(jìn)行。在縫合泡沫夾芯預(yù)制體時，定位膠黏劑作用不明顯，可以在預(yù)制體底部加襯一層薄橡膠，以達(dá)到留住縫線的效果，縫合完成后再取下橡膠。對于相對較薄的預(yù)制體也可以采用此種方法來提高Tufting縫合質(zhì)量。圖8是采用Tufting技術(shù) 縫合曲面加筋壁板。



結(jié)束語

縫合技術(shù)作為一種復(fù)合材料液體成型預(yù)制體的有效連接增強(qiáng)的方法，對薄厚制件均適用，同時根據(jù)預(yù)制體的實(shí)際情況選取不同縫合方式與工藝參數(shù)，可滿足實(shí)際應(yīng)用中對復(fù)雜形狀纖維預(yù)制體的要求。相信隨著研究的不斷深入，復(fù)合材料縫合技術(shù)會越來越完善，應(yīng)用也會越來越廣泛。（責(zé)編　亦非）