紡織結構復合材料研究進展

李婭菲 田佾鑫 肖鳳娟

摘要：相比于傳統的鋁合金等金屬材料，CFRP材料的電導率要低得多，遭受雷擊后能量的聚集及向材料內部的釋放也要嚴重得多。在雷電流聲沖擊、焦耳熱、洛倫茲力等多種效應的耦合作用下，復合材料結構會在表面形成明顯的可見損傷，并因電流向結構內部的注入和能量累積而形成更為顯著的內部損傷，嚴重影響材料的結構完整性和可靠性。本文對紡織結構復合材料研究進展進行分析，以供參考。

關鍵詞：紡織結構;復合材料;研究進展

引言

隨著復合材料逐漸成為航空航天、軌道交通等多個領域的主要應用材料之一，其結構和復雜性也一直挑戰著加工工藝，尤其是大型復合材料結構件的加工。各大制造企業在質量、生產周期和加工成本等方面尋求改進方案，專門用于復合材料加工的解決方案正在成為一個影響產品質量和效率的重要的因素。

1研究目的及背景

復合材料由于具有優良的力學性能、穩定的化學性質、完善的成型工藝和強大的結構可設計性等不可比擬的綜合性能優勢，而被廣泛的應用于航天、航空等等諸多軍、民用產業。航天領域由于對重量的極致敏感而成為最早研發并嘗試使用復合材料的領域之一，現已普遍將復合材料的設計與使用能力作為衡量行業水平的重要標準，這就需要從材料設計角度出發提出更高的性能指標和功能要求。復合材料是由增強相（本文主要研究的是碳纖維，CarbonFiber）、連續相（環氧樹脂，EpoxyResin）和界面相（纖維與樹脂接觸的微小區域）組成的多相體系。其各項性能的提升離不開對于碳纖維和環氧有機高分子的不斷研究，由此衍生出了T700、T1100、M70、M80等一系列高強高韌的碳纖維以及酚醛樹脂、環氧烯烴樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂等一系列高純、高強、高模量的新樹脂相繼投入量產?？梢哉f，對于碳纖維和環氧樹脂的性能研究已經取得了顯著的進步，復合材料的力學性能也取得了一定程度上的提升。經過不懈努力，增強相碳纖維的模量已經能夠達到理想狀態下石墨的90%左右，商用碳纖維的最大強度也已經超過了7GPa，然而對于纖維與樹脂性能的不斷突破，復合材料的相關力學性能并未表現出相應的增長。然而碳纖維增強樹脂基復合材料的性能不僅僅依賴于增強相與連續相的發展，兩相界面增強是目前國內外較為簡單、普遍的提高復合材料綜合性能的方法。復合材料的兩相界面是指由增強相內部物理、化學性質產生變化的區域開始到連續相中物化性質趨于一致的，長度為幾納米到微米之間區域。界面相的有效形成主要取決于兩相的物理、化學或物化協同作用，可以說，界面相的性質與結構不僅僅對復合材料的力學性能產生重要的影響，而且對其各項功能具有決定性作用。與此同時，納米二硫化鉬作為一種新興的類石墨烯二維層狀納米材料，屬于典型的過渡金屬硫化物。其微觀結構與石墨烯類似，層內是強的共價鍵結合，層間是較弱的范德華力在相互作用?；谄鋬灝惖母黜椥阅?，可以實現在提升復合材料機械性能的同時賦予材料新的功能。

2一種復合材料加工工藝技術

加工單元設計，通過切削參數的試驗驗證結論，現有主軸單元在轉速和功率方面無法滿足該大型工件的生產需求，而且受機床龍門架結構以及工件孔距、電機外形尺寸等限制，單主軸配單電機結構無法使用，只能通過“單電機+多軸器”的結構滿足加工需求。當前市場上傳統多軸器為齒輪傳動結構，傳動效率高，但是相對轉速低，一般不超過1000rpm，且加過程中多出現噪音大、變速箱重量偏大等問題，需要增加安裝支撐;最重要的是一旦齒輪和變速箱確定后，不能更改中心距，如果產品發生變更，則只能報廢變速箱重新制作，生產成本高。根據前期切削參數驗證，需要配置一臺1.5kW伺服電機作為輸出動力源并配合1：3減速器，實現單軸輸出扭矩4.77N·m，輸出轉速1500r/min。因該大型結構件需要24h連續生產，考慮到主軸電機在連續工作后會產生發熱嚴重現象，將會導致主軸電機卡死報警，或者直接燒毀線圈，喪失扭矩，因此需要在電機外側增加冷卻裝置，根據現場工況和裝配空間，選擇風冷結構，通過壓縮空氣進行冷卻。

3紡織結構復合材料研究進展

3.1二維紡織結構復合材料

不光現在科技對復合材料有強烈需求，古代人同樣發揮了自身的聰明才智對復合材料進行研究和使用，例如我國古代采用糧食桿和黏土進行混合用于建造墻體，國外也有企業采用亞麻等材料編織衣服。一直到1920年，紡織材料第一次出現在航空領域，用于增強飛機機翼的的強度和抗風性，從此以后，紡織復合材料逐步走向高精尖儀器的制備和維護，美國有研究人員將紡織復合材料用于鼻椎的增強，近年來復合材料也逐步應用于層合板中，因其交強的橫向承受能力，所以制成的層合板具有超強的抗打擊能力和剪切性。直到1960年，隨著編織工藝的逐步改進，二維編織結構也被引入復合材料的概念中，編織也是構建三維復合材料的手段和方法之一，也是最早用于改善三維復合材料成品的結構和性質。

3.2三維編織結構復合材料

近年來維編織結構復合材料也逐步走進人們視野，如果將三維復合材料中加入三維編織的概念個技術，就可以更增強成品或者零件的硬度，也是目前研究最多的紡織結構。自從1960年，Popper首次提出了可以使用這項技術生產碳/碳三維編織復合材料，并且將其用于火箭發動機需要隔絕高溫金屬零部件的部分，不僅可以減少發動機一大部分甚至是一半的重量，因此逐步有更多的研究人員研究三維編織結構復合材料。Frank首次將三維編織復合材料制作工藝進行優化和總結，提出了一整套完整的操作方式和技術，進而Aeke、LiW、LiJ、分別提出了二步法、四步法、六步法編織三維預成型體，在此基礎上，Kosta提出用多步法編織三維預成型體，至此，編制的結構以及編制體的環境能力，成品抗壓能力。整體性以及其韌性都得到了很好的研究，三維編織結構復合材料可以完成極高的任務，制成各種形狀的幾何結構，并且不需要額外的操作技術，就可以很好的鏈接各部件，形成一個完整的整體，并且輕度的劃痕和損傷也可以自愈，因此，我們得出結論三維編織復合材料制作工藝明顯優于二維層合板工藝，但是現在仍存在一些不足限制了此項技術的應用，例如尺寸的控制和儀器的不足，只有極少的三維編織結構復合材料可以推廣和應用。

結束語

針對大型復合材料結構件的多孔系加工要求對機床主軸單元系統進行改造，通過重新設計內冷主軸單元、優化切削參數，重新設計切削刀具等方法，在工件表面孔間距過小、龍門結構剛性差的情況下，徹底解決了加工過程中切屑瘤現象嚴重，孔口倒角刮擦、翻邊嚴重等問題，并大大提升了該大型工件鉆孔加工的效率和質量，在節約生產成本的同時也為其它大型復合材料結構件的加工提供了借鑒方案。

參考文獻

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