碳纤维符合材料三维编织物的缝合连接技术研究
By www.carbonfiber.com.cn
三维编织复合材料是一种整体网状结构的复合材料,是20世纪80年代随三维整体编织技术的出现而产生的。它不但克服了传统的层板复合材料分层、开裂敏感和损伤扩展快,厚度方向强度低，抗冲击损伤性能差等缺点，而且拥有良好的可设计性、可制作整体异型制件等优点。因此，在结构材料领域中受到极大关注[1]。
随着三维编织复合材料应用领域的逐步扩大，实际应用对其提出了新的问题。单一的三维编织技术往往不能满足复杂形状预制件一次编织成型，必须通过连接才能满足工程设计和整体性的要求。因此连接设计在三维编织复合材料结构中也是必不可少的关键环节。三维编织复合材料的连接包含两个方面的内容，一是预制件的缝合连接；二是成型复合材料的胶接。到目前为止，很多学者对第二个方面的内容进行了研究。Kinloch[2]研究了影响结构胶接接头性能的大部分因素，认为胶接剂的应力-应变特性是影响接头强度的最重要的材料性能。Har-tsmith[3,4]已经对胶接接头，特别对先进纤维复合材料与金属材料的胶接接头进行了全面的设计研究。缝合技术作为一种三维编织预制件的连接方法，有效地解决了三维编织制作复杂形状异型件存在的局限性。但对于缝合连接处的工艺设计和连接强度问题，国内外相关研究资料还很少。本文主要就缝合连接技术，缝合连接形式以及缝合连接破坏模式进行探讨，以期为进一步开发和利用缝合与三维编织相结合的异型复合材料起到积极作用。
1 三维编织技术
三维编织技术是二维编织的拓展。它通过携纱器精确地沿着预先确定的轨迹在平面上移动，使许多同一方向排列的纤维相互交织构成网状的整体结构，最后打紧交织面而形成不同形状的预制件。二步法和四步法编织代表了该领域的主流。每种方法有方形编织和圆形编织两种形式。
四步法编织既可以只有编织纱系统，也可以有编织纱和轴纱两个纱线系统。编织纱的携纱器沿行向和列向交替运动，形成“z”字形运动轨迹，并沿斜向穿过内部区域，运动到边界后停顿一步后，改变运动方向返回到内部区域。所有的携纱器遍历所有的边界，经过若干步后回到初始位置。轴纱均匀地加在编织纱中间，每根轴纱周围都被编织纱交织包绕。由于纱线的一个运动循环分为四步，故称四步法。而二步法编织必须有编织纱和轴纱两个纱线系统。在编织过程中，轴纱静止不动，编织纱按一定规律在轴纱间相互交错运动，并把轴纱绑紧形成三维编织预制件。其纱线在机器上的排列形式经过两个运动步骤后，恢复到初始状态。
三维编织预制件和复合材料除了有着传统复合材料所固有的优点外，例如重量轻、强度高等，还有着以下几个独特的优点[5]：①三维编织预制件从理论上讲可以达到任意的厚度，并且厚度方向有增强纤维通过；②采用三维编织技术可以直接编织成不同形状的异型整体件；③三维编织预制件的纱线结构具有可设计性；④采用三维编织技术完全可以实现对高性能纤维的编织。
2 缝合技术及工艺参数
缝合技术发展至今已有悠久的历史，但它在复合材料领域的应用才不过几十年，并且多被应用在缝合层合板复合材料上。它是提高结构损伤容限和层间断裂韧性的有效途径。缝合工艺使用碳、玻璃、Kevlar做成的缝合线在工业缝纫机上对织物进行厚度方向的缝合。缝线仅占复合材料纤维体积含量的百分之几。目前芳纶纤维由于其特殊的耐磨性、良好的抗冲击韧性和较低的纤维密度，在缝合过程中得到广泛应用。锁式缝合和链式缝合[6,7]是缝合线迹的两种基本型式，如图1所示。锁式缝合会在面纱与底纱之间形成两个缝合线圈，在织物中间相交，产生应力集中；点改进的锁式缝合可以穿过织物厚度，提高分层韧性和损伤容限，因此使用较多；链式缝合类似于针织，缝合线多次挠曲，操作复杂，使用较少。
缝合工艺参数决定复合材料的结构参数和力学性能以及连接工艺过程所产生的残余应力。主要的缝合工艺参数有缝线的股数、缝合密度、缝合方向及缝合针等。
(1)缝线的股数
Kevlar纤维纱线加捻合股制成缝合线，加捻的目的是使其成为圆形截面和更紧密地结合，这样易于穿过针眼和有良好的耐磨损性，然而加捻成股后，纤维的强度下降约35％[8]。
(2)缝合密度
缝合过程中，缝针会对各个方向的纤维造成一定程度的损伤。缝合密度越大，缝针穿过的次数越多，纤维受损伤的程度就越严重；缝合密度越小，厚度方向的纤维数量也就越少，阻止厚度方向破坏的力也就越小。因此必须选择适当的缝合密度。CNWPEM.COM
(3)缝合方向
常采用的缝合角度有0°、45°、90°等。
(4)缝合针
缝合过程中如果针尖太锋利，纤维很容易被缝针切断，使性能降低；反之，如果针尖太钝，针尖进入纤维的阻力太大，不利于缝合效率的提高。只有选择适当的缝针，才会既可最小限度地损伤纤维又可最大限度地提高缝合效率。
3 缝合连接三维编织技术
当连接件比较薄时，可采用单搭接连接，在图2所示的搭接端头DB和CA处，由于没有纤维通过，只是靠树脂与整体胶接在一起，所以拉伸时承力很小，主要为BF或AE（即一半厚度的构件）承力，端头处是整个构件中最薄弱的部分，强度最低。对于中等厚度板，采用双搭接缝合连接比较适宜。这样可以使搭接端头分布在尽可能多的截面上，从而提高搭接端头处的强度。对于形状异常复杂的制品，可采用增加搭接层数的办法，这样有利于不同结构与形状的变化，如预留孔、预留凹槽等，同时每层厚度也可通过减少纱线等改变编织工艺达到变化几何形状的目的。当连接件很厚时，宜选用斜面搭接缝合连接，其搭接角度在6~8°范围[10]可获得很高的连接效率。但是，由于所需角度非常小，工艺上很难实现。因此，对厚的连接件通常采用阶梯形搭接缝合连接，这种形式可以通过编织过程中的减纱工艺来得到。阶梯形搭接缝合连接具有双搭接缝合连接和斜面搭接缝合连接两种连接的特性，通过增加台阶数，使之接近于斜面搭接连接角(一般6~8°)，同样可获得较高的连接效率。
选用何种搭接方式主要是根据制件的几何形状的变化的复杂性开设不同形状的窗口、预留不同形状的凹糟、预埋各种金属件等具体情况来决定,并且要使缝合连接工艺尽可能简单、成本尽可能低、连接强度尽可能大。
3.2 缝合连接基本破坏模式
实验表明，缝合连接在拉伸载荷作用下，出现的主要破坏模式可能有以下四种，见图4：①接头端部(如图所示CE面或DF面)的拉伸破坏；②缝合区域(如图所示AB面)剪切破坏；③接头两端(如图所示CE面与DF面)同时拉伸破坏；④剥离破坏(如图中所示搭接区域的界面发生破坏)。
除这四种基本破坏模式外，还可能会发生组合破坏。缝合连接发生何种模式破坏，与缝合连接形式、连接件的厚度、搭接长度、缝合工艺参数、编织物的结构及载荷性质有关。在连接几何参数中，缝合连接件的厚度起着极为重要的作用。当连接件很薄，连接强度足够时，连接件发生拉伸破坏；当连接件较厚，偏心力矩尚小时，易在连接区域发生剪切破坏；当连接件厚度到一定程度，搭接长度不够时，在偏心力矩作用下，将发生剥离破坏。剥离破坏将使缝合连接的承载能力显著下降，应力求避免。
4 结语
缝合技术作为一种复合材料预制件的有效连接方法，与三维编织的结合可以很好地满足实际应用中对复杂形状预制件的要求，从而进一步拓宽三维编织复合材料的应用领域。为了最大程度的发挥缝合连接三维编织技术的优势，我们还需要进一步研究和探讨搭接长度以及缝合工艺参数对连接强度的影响，确立能够指导设计和实际生产的工艺方法及技术参数。相信随着研究的深入，缝合连接三维编织复合材料的性能会越来越完善，应用也会越来越广。
来源：孙其永 李嘉禄 焦亚男
单位：天津工业大学复合材料研究所
三维编织复合材料是一种整体网状结构的复合材料,是20世纪80年代随三维整体编织技术的出现而产生的。它不但克服了传统的层板复合材料分层、开裂敏感和损伤扩展快,厚度方向强度低，抗冲击损伤性能差等缺点，而且拥有良好的可设计性、可制作整体异型制件等优点。因此，在结构材料领域中受到极大关注[1]。
随着三维编织复合材料应用领域的逐步扩大，实际应用对其提出了新的问题。单一的三维编织技术往往不能满足复杂形状预制件一次编织成型，必须通过连接才能满足工程设计和整体性的要求。因此连接设计在三维编织复合材料结构中也是必不可少的关键环节。三维编织复合材料的连接包含两个方面的内容，一是预制件的缝合连接；二是成型复合材料的胶接。到目前为止，很多学者对第二个方面的内容进行了研究。Kinloch[2]研究了影响结构胶接接头性能的大部分因素，认为胶接剂的应力-应变特性是影响接头强度的最重要的材料性能。Har-tsmith[3,4]已经对胶接接头，特别对先进纤维复合材料与金属材料的胶接接头进行了全面的设计研究。缝合技术作为一种三维编织预制件的连接方法，有效地解决了三维编织制作复杂形状异型件存在的局限性。但对于缝合连接处的工艺设计和连接强度问题，国内外相关研究资料还很少。本文主要就缝合连接技术，缝合连接形式以及缝合连接破坏模式进行探讨，以期为进一步开发和利用缝合与三维编织相结合的异型复合材料起到积极作用。
1 三维编织技术
三维编织技术是二维编织的拓展。它通过携纱器精确地沿着预先确定的轨迹在平面上移动，使许多同一方向排列的纤维相互交织构成网状的整体结构，最后打紧交织面而形成不同形状的预制件。二步法和四步法编织代表了该领域的主流。每种方法有方形编织和圆形编织两种形式。
四步法编织既可以只有编织纱系统，也可以有编织纱和轴纱两个纱线系统。编织纱的携纱器沿行向和列向交替运动，形成“z”字形运动轨迹，并沿斜向穿过内部区域，运动到边界后停顿一步后，改变运动方向返回到内部区域。所有的携纱器遍历所有的边界，经过若干步后回到初始位置。轴纱均匀地加在编织纱中间，每根轴纱周围都被编织纱交织包绕。由于纱线的一个运动循环分为四步，故称四步法。而二步法编织必须有编织纱和轴纱两个纱线系统。在编织过程中，轴纱静止不动，编织纱按一定规律在轴纱间相互交错运动，并把轴纱绑紧形成三维编织预制件。其纱线在机器上的排列形式经过两个运动步骤后，恢复到初始状态。
三维编织预制件和复合材料除了有着传统复合材料所固有的优点外，例如重量轻、强度高等，还有着以下几个独特的优点[5]：①三维编织预制件从理论上讲可以达到任意的厚度，并且厚度方向有增强纤维通过；②采用三维编织技术可以直接编织成不同形状的异型整体件；③三维编织预制件的纱线结构具有可设计性；④采用三维编织技术完全可以实现对高性能纤维的编织。
2 缝合技术及工艺参数
缝合技术发展至今已有悠久的历史，但它在复合材料领域的应用才不过几十年，并且多被应用在缝合层合板复合材料上。它是提高结构损伤容限和层间断裂韧性的有效途径。缝合工艺使用碳、玻璃、Kevlar做成的缝合线在工业缝纫机上对织物进行厚度方向的缝合。缝线仅占复合材料纤维体积含量的百分之几。目前芳纶纤维由于其特殊的耐磨性、良好的抗冲击韧性和较低的纤维密度，在缝合过程中得到广泛应用。锁式缝合和链式缝合[6,7]是缝合线迹的两种基本型式，如图1所示。锁式缝合会在面纱与底纱之间形成两个缝合线圈，在织物中间相交，产生应力集中；点改进的锁式缝合可以穿过织物厚度，提高分层韧性和损伤容限，因此使用较多；链式缝合类似于针织，缝合线多次挠曲，操作复杂，使用较少。
缝合工艺参数决定复合材料的结构参数和力学性能以及连接工艺过程所产生的残余应力。主要的缝合工艺参数有缝线的股数、缝合密度、缝合方向及缝合针等。
(1)缝线的股数
Kevlar纤维纱线加捻合股制成缝合线，加捻的目的是使其成为圆形截面和更紧密地结合，这样易于穿过针眼和有良好的耐磨损性，然而加捻成股后，纤维的强度下降约35％[8]。
(2)缝合密度
缝合过程中，缝针会对各个方向的纤维造成一定程度的损伤。缝合密度越大，缝针穿过的次数越多，纤维受损伤的程度就越严重；缝合密度越小，厚度方向的纤维数量也就越少，阻止厚度方向破坏的力也就越小。因此必须选择适当的缝合密度。CNWPEM.COM
(3)缝合方向
常采用的缝合角度有0°、45°、90°等。
(4)缝合针
缝合过程中如果针尖太锋利，纤维很容易被缝针切断，使性能降低；反之，如果针尖太钝，针尖进入纤维的阻力太大，不利于缝合效率的提高。只有选择适当的缝针，才会既可最小限度地损伤纤维又可最大限度地提高缝合效率。
3 缝合连接三维编织技术
当连接件比较薄时，可采用单搭接连接，在图2所示的搭接端头DB和CA处，由于没有纤维通过，只是靠树脂与整体胶接在一起，所以拉伸时承力很小，主要为BF或AE（即一半厚度的构件）承力，端头处是整个构件中最薄弱的部分，强度最低。对于中等厚度板，采用双搭接缝合连接比较适宜。这样可以使搭接端头分布在尽可能多的截面上，从而提高搭接端头处的强度。对于形状异常复杂的制品，可采用增加搭接层数的办法，这样有利于不同结构与形状的变化，如预留孔、预留凹槽等，同时每层厚度也可通过减少纱线等改变编织工艺达到变化几何形状的目的。当连接件很厚时，宜选用斜面搭接缝合连接，其搭接角度在6~8°范围[10]可获得很高的连接效率。但是，由于所需角度非常小，工艺上很难实现。因此，对厚的连接件通常采用阶梯形搭接缝合连接，这种形式可以通过编织过程中的减纱工艺来得到。阶梯形搭接缝合连接具有双搭接缝合连接和斜面搭接缝合连接两种连接的特性，通过增加台阶数，使之接近于斜面搭接连接角(一般6~8°)，同样可获得较高的连接效率。
选用何种搭接方式主要是根据制件的几何形状的变化的复杂性开设不同形状的窗口、预留不同形状的凹糟、预埋各种金属件等具体情况来决定,并且要使缝合连接工艺尽可能简单、成本尽可能低、连接强度尽可能大。
3.2 缝合连接基本破坏模式
实验表明，缝合连接在拉伸载荷作用下，出现的主要破坏模式可能有以下四种，见图4：①接头端部(如图所示CE面或DF面)的拉伸破坏；②缝合区域(如图所示AB面)剪切破坏；③接头两端(如图所示CE面与DF面)同时拉伸破坏；④剥离破坏(如图中所示搭接区域的界面发生破坏)。
除这四种基本破坏模式外，还可能会发生组合破坏。缝合连接发生何种模式破坏，与缝合连接形式、连接件的厚度、搭接长度、缝合工艺参数、编织物的结构及载荷性质有关。在连接几何参数中，缝合连接件的厚度起着极为重要的作用。当连接件很薄，连接强度足够时，连接件发生拉伸破坏；当连接件较厚，偏心力矩尚小时，易在连接区域发生剪切破坏；当连接件厚度到一定程度，搭接长度不够时，在偏心力矩作用下，将发生剥离破坏。剥离破坏将使缝合连接的承载能力显著下降，应力求避免。
4 结语
缝合技术作为一种复合材料预制件的有效连接方法，与三维编织的结合可以很好地满足实际应用中对复杂形状预制件的要求，从而进一步拓宽三维编织复合材料的应用领域。为了最大程度的发挥缝合连接三维编织技术的优势，我们还需要进一步研究和探讨搭接长度以及缝合工艺参数对连接强度的影响，确立能够指导设计和实际生产的工艺方法及技术参数。相信随着研究的深入，缝合连接三维编织复合材料的性能会越来越完善，应用也会越来越广。
来源：孙其永 李嘉禄 焦亚男
单位：天津工业大学复合材料研究所
