三维整体夹芯织物增强复合材料的研制

先进复合材料主要制造工艺和专用设备

先进复合材料主要制造工艺和专用

设备

中国航空工业第一集团公司科技发展部郝建伟

中国航空工业发展研究中心陈亚莉

先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设

计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，在航空产

品上得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。复合材

料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复

合材料在飞机上的应用。一些大的飞机制造商在飞机设计制造中，正逐

步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。本文旨在介绍在

复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺和先进专用设备。

复合材料在飞机上的应用

随着复合材料制造技术的发展，复合材料在飞机上的用量和应用部

位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。复合材料在飞机上的

应用趋势有如下几点：

（1）复合材料在飞机上的用量日益增多。

复合材料的用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比来表示，

世界上各大航空制造公司在复合材料用量方面都呈现增长的趋势。最有

代表性的是空客公司的A380客机和后续的A350飞机以及波音公司的B787

飞机。A380上复合材料用量约30t。B787复合材料用量达到50%。而A350

飞机复合材料用量更是达到了创纪录的52%。复合材料在军机和直升机

上的用量也有同样的增长趋势，近几年得到迅速发展的无人机更是将复

合材料用量推向更高水平。

（2）应用部位由次承力结构向主承力结构发展。

最初采用复合材料制造的是飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力

结构。目前，复合材料已经广泛应用于机身、机翼等主承力结构。主承

载部位大量应用复合材料使飞机的性能得到大幅度提升，由此带来的经

济效益非常显著，也推动了复合材料的发展。

（3）在复杂外形结构上的应用愈来愈广泛。

飞机上用复合材料制造的复杂曲面制件也越来越多，如A380和B787

飞机上的机身段，球面后压力隔框等，均采用纤维铺放技术和树脂膜渗

透（RFI）工艺制造。

（4）复合材料构件的复杂性大幅度增加，大型整体、共固化成型成为

《CompositesPartB》：3D打印玄武岩纤维增强热塑性复合材料

3D打印是一种通过自下而上，依次添加材料，分层制造三维微观结构的过程。在过去的十年里，3D打印技术发展迅速，特别是在汽车、航空航天、建筑和体育应用等高强度、轻量化工业复合材料领域方面。

尽管3D打印技术应用广泛，但是在打印过程中经常会遇到一个问题，那便是会形成空隙，空隙的存在会对打印出的材料的力学性能产生影响。这些空隙通常存在于相邻的纤维之间，并且往往在打印方向上高度对齐，因此表现出了一种各向异性的模式而不是一种随机的分布。此外，由于材料是逐层打印的，这些纤维和空隙分布在每个相应的层平面上，使得打印出材料更易受到平面各向异性效应的影响。与此同时，这种结构的各向异性反过来又受到相关工艺参数的影响，这就导致许多研究者致力于寻找控制工艺参数的方法。尽管如此，目前还是缺乏对3D打印造成的各向异微观结构对所得材料各向异性力学响应的影响的定性分析。因此，仍有巨大的空间可以更深入的研究和讨论，以揭示这些材料的微观结构与其力学性能之间的关系。

近日，韩国科技先进研究院的Siwon Yu（第一作者），Soon

Hyung Hong （通讯作者），韩国科技研究所的Jun Yeon Hwang（通讯作者）及其团队，在《Composites Part B》上发表了题为“Anisotropic microstructure dependent mechanical behavior of

3D-printed basalt fiber-reinforced thermoplastic composites”的文章，该文系统地研究了3D打印纤维增强复合材料的各向异性微观结构，并确定了它们对各向异性力学性能的影响。利用高度详细的三维X射线层析成像技术，定量鉴定了由三维打印过程构建的纤维增强复合材料的各向异性组件。此外，在实验确定的物理性能的基础上，系统地进行了X射线CT辅助模拟分析，以正确重建预测3D打印微结构的微观力学性能。图 1 三维层析成像技术概述

织物增强对三明治型复合材料板材性能的影响分析

柳茵茵;贾立霞;刘影

【期刊名称】《玻璃钢/复合材料》

【年(卷),期】2013(000)008

【摘要】纺织结构复合材料是以纺织预制件实现结构增强的复合材料.设计加工三种不同结构的三明治型复合材料板材,分别为无织物增强、平面织物增强和间隔织物增强复合材料.本文对三种复合材料板材的压缩、弯曲、剪切、剥离性能进行测试,并分析了织物增强对复合材料板材的性能影响.结果表明接结纱的存在及其与填充泡沫间的协同作用,使得间隔织物复合材料板材的压缩、剪切性能、剥离性能明显优于前两者.三种复合材料板材的弯曲强度差异不明显,但是间隔织物的存在却使板材的抗弯韧性更好.

【总页数】5页(P60-64)

【作者】柳茵茵;贾立霞;刘影

【作者单位】河北科技大学纺织服装学院,河北石家庄 050018;河北科技大学纺织服装学院,河北石家庄 050018;河北科技大学纺织服装学院,河北石家庄 050018

【正文语种】中文

【中图分类】TB332

【相关文献】

1.层内混杂型机织织物增强复合材料的力学性能 [J], 市川大稀;谷祐一郎;北村雅之;北村真美子;汤舜禹;张志远;阳玉球;滨田泰以 2.冲击位置对三明治型复合板材冲击性能的影响分析 [J], 闫学通;贾立霞;刘君妹;申晓

3.玻璃纤维3D机织物增强复合材料板材的研制与其拉伸性能研究 [J], 汪蔚;祝成炎

4.三维机织物增强复合材料板材的研制 [J], 黄晓梅;季涛

5.机织物/隔热涂层三明治结构复合材料的制备及红外隐身性能 [J], 赵洪杰;祝成炎;金肖克;翁小霞;田伟

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三维编织纤维增强聚醚醚酮材料的性能

作者：赵春丽邱文单小红

来源：《轻纺工业与技术》 2012年第1期

赵春丽，邱文，单小红

（新疆大学，新疆乌鲁木齐８３００４６）

【摘要】三维混编纤维增强复合材料中，对增强纤维采用不同的编织工艺，以及对基体材料聚醚醚酮的性能改善，都大大提高复合材料的比强度、比模量以及材料耐热性能。聚醚醚酮ＰＥＥＫ的玻璃化温度为１４３℃，经改善处理后的聚醚醚酮ＰＥＥＫ作为基体的复合材料可以在２６０℃下长期使用，大大改善了聚醚醚酮的使用温度限制。

【关键词】三维编织；碳纤维；聚醚醚酮ＰＥＥＫ；复合材料

中图分类号： TS184.9 文献标识码： B 文章编号： 2095-0101（2012）01-0025-01

１三维编织纤维增强材料

三维编织复合材料，是利用三维编织预制件再注入基体材料而成。在编织，复合到成品，不分层，无机械加工，或仅有不损伤纤维的少量加工，因此，能更好地保持材料的原来性能，克服了因层合材料层间的强度和刚度不足的缺陷，从而显著提高了复合材料的整体强度和刚度，最终大大改善了复合材料的综合性能。

三维编织复合材料具有以下特性：高比强度，大比模量；优良的抗疲劳、减振、热稳定性能；电磁波通过性、抗腐蚀性、导热性和隔热性能好；耐高温、低温及隔音性能好。因此，编织结构的复合材料已经广泛地应用于高科技领域［１］。

２三维编织纤维的编织工艺

三维编织纤维的编织工艺有：四步法、二步法、多层连接编织法和多步法，其中四步法和二步法是此领域内目前最主要的两种方法。在编织过程中，沿同一方向排列的纤维通过纱线牵引器携带者运动，可以精确地沿着预定的轨道上移动。使纤维相互交叉或交织成网络结构，最后打紧交织面而形成各种形态结构的增强三维织物，如图１所示。其内部结构如图２所示。

三维机织角连锁织物复合材料的加工与弯曲性能测试

２０１２年第３期　山东纺织科技　・　５　・　

三维机织角连锁织物复合材料　

的加工与弯曲性能测试　

万明达，李亚滨　

（天津工业大学，天津３００３８７）　

摘　要：文章利用多臂小样织机以玻璃纤维和芳纶为原料织造三维角连锁织物，并采用真空辅助成　

型法和手工成型法加工复合材料。对成型的复合材料进行弯曲性能测试，通过测试数据分析表明：织物　

组织结构、树脂浸透程度以及加工方法都会影响复合材料的弯曲性能。　

关键词：玻璃纤维；芳纶；角连锁织物；复合材料；弯曲性能　

中图分类号：ＴＳ１０１．９２　３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—３０２８（２０１２）０３—０００５—０５　

复合材料科学是跨越机械、化学、化工、物理、　

纺织等多学科的新兴学科。近２０年来，对新型复　

合材料的设计及对复合材料的性能的分析和评价　

研究，取得了重大突破。由于全球结构用材料消　

耗量日益增大，传统的天然原材料资源逐渐短缺，　

人们越来越重视纺织结构复合材料的发展与性能　

的改进。采用三维机织复合材料作为结构件，在　

航空、航天以及汽车工业有着很大的应用潜力。　

本文主要介绍了四层机织角连锁织物复合材料的　

加工，且对所加工的复合材料进行弯曲性能测试，　

并比较分析织物组织结构和加工方法对复合材料　

弯曲性能的影响。　

１　四层角连锁织物设计与织造　

多重纬（或多重经）角联锁机织物由两个系统　

的线构成重叠联锁状的交织［１］。当经线在织物厚　

度方向（Ｚ向）构成重叠，则纬线以一定的倾斜角　

在Ｘ方向与多重经进行角联锁状交织。反之，当　

纬线在织物厚度方向（Ｚ向）构成重叠，则经线以　

一定的倾斜角在Ｘ方向与多重纬进行角联锁状　

交织。按照构成重叠的纱线系统，可以分为多重　

经角联锁和多重纬角联锁两种。整个织物由４部　

分组成：上部织物层、下部织物层、上下织物层接　

结部分和上下织物层间间隙。接结部分的作用是　

将上、下两层织物连结成一体，两层织物间的缝隙　

可供加工复合材料时使用ｌ２］。下面是根据需要所　

蚕丝织物增强聚乳酸复合材料的制备及其性能研究

蚕丝是一种优质的天然蛋白纤维，具有良好的柔软性、透气性和吸湿性，被广泛用于纺织品的制作。而聚乳酸（PLA）是一种生物可降解的高分子材料，具有优良的生物相容性和可塑性，被广泛应用于生物医用材料和包装材料领域。蚕丝和聚乳酸各自具有独特的优势，因此将二者复合制备成一种新型材料，可以通过相互增强，从而得到具有良好性能的复合材料。本文将对蚕丝织物增强聚乳酸复合材料的制备及其性能进行研究，为开发新型生物可降解材料提供参考。

1. 材料准备

实验中所用到的材料主要包括蚕丝织物和聚乳酸。蚕丝织物经过清洗、烘干和切割成适当尺寸的蚕丝片；聚乳酸颗粒经过干燥处理，以去除其中的水分和杂质。

2. 复合材料制备

首先将蚕丝片用乙醇进行表面处理，去除表面油脂和杂质，然后将其与聚乳酸颗粒按一定比例混合均匀。接着，将混合物放入注塑机中，利用高温和高压将其制备成片状或块状的复合材料。

3. 处理工艺

在制备复合材料的过程中，需要对工艺条件进行调控，包括温度、压力和时间等参数的选择，以确保复合材料的均匀性和稳定性。还需要对复合材料进行后续的退火处理，以消除内部残余应力，提高材料的强度和韧性。

1. 结构表征

利用扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的断面进行观察和分析，以了解蚕丝与聚乳酸的界面结合情况及分布状态。利用X射线衍射仪（XRD）对复合材料的晶体结构进行表征，以确定复合材料的结晶度和结晶型态。

2. 力学性能测试

利用万能材料试验机对复合材料进行拉伸、弯曲和压缩等力学性能测试，得到其强度、弹性模量和断裂韧性等性能参数。还可以进行动态力学分析（DMA）和冲击性能测试，以全面了解复合材料的力学性能。

3. 热性能测试利用热重分析仪（TGA）对复合材料的热稳定性和热分解行为进行测试，以确定复合材料的热稳定温度和热分解特性。还可以进行差示扫描量热仪（DSC）测试，以了解复合材料的热熔结晶行为和玻璃化转变温度等参数。

复合材料的成型工艺

复合材料的成型工艺主要包括以下几种：

1. 手糊成型工艺：是一种湿法铺层成型法，通过涂刷胶液和铺设纤维织物，在模具上形成一定厚度的层片，然后进行固化。

2. 喷射成型工艺：是将树脂和纤维混合后，通过喷射的方式在模具表面形成一定厚度的层片，再进行固化。

3. 树脂传递模塑技术（RTM技术）：将纤维织物放入模具中，然后注入树脂，经过一定的温度和压力条件进行固化，形成复合材料制品。

4. 袋压法成型：是将纤维织物放入密封的袋子里，然后通过压力使纤维织物紧密结合在一起，再经过固化得到复合材料制品。

5. 真空袋压成型：是在袋压法的基础上，通过抽真空的方式排除纤维织物内的空气和水分，提高制品的密实度和质量。

6. 热压罐成型技术：是将预浸料放入金属模具中，通过热压罐的高温高压作用，使预浸料粘结成复合材料制品。

7. 液压釜法成型技术：是将预浸料放入密封的液压釜中，通过液体介质的压力使预浸料紧密结合在一起，再经过固化得到复合材料制品。

8. 热膨胀模塑法成型技术：是将纤维织物放入模具中，利用热膨胀原理使纤维织物紧密结合在一起，再经过固化得到复合材料制品。

9. 夹层结构成型技术：是将两层或更多层预浸料之间夹入一层泡沫材料或其他材料，通过加热加压或抽真空的方式使其粘结成复合材料制品。

10. 模压料生产工艺：是将纤维织物和树脂混合后，经过一定温度和压力条件进行固化，形成模压料，然后将其加工成制品。

11. ZMC模压料注射技术：是将ZMC模压料加热后注入模具中，经过一定的温度和压力条件进行固化，形成复合材料制品。

12. 层合板生产技术：是将多层预浸料按照一定的顺序叠放在一起，然后经过热压或冷压的方式使其粘结成复合材料层合板。

13. 卷制管成型技术：是将纤维织物和树脂混合后，通过卷制机卷制成管状制品。

14. 纤维缠绕制品成型技术：是将纤维织物缠绕在芯模上，然后注入树脂或进行热处理，形成复合材料制品。

新型双轴向增强纬编间隔织物复合材料的制造及平压性能研究

．４８．　山东纺织科技　２００７年第６期　

新型双轴向增强纬编间隔织物复合材料　的制造及平压，陛能研究　

乔　东，胡　红　（东华大学，上海２０１６２０）　摘　要：文章利用玻璃纤维编织一种新型双轴向增强纬编间隔织物，并制作了该种结构的织物增强　复合材料。与泡沫夹层结构的平压性能相比，双轴向增强纬编间隔织物复合材料的平压强度是泡沫夹　层结构的两倍之多，平压弹性模量达到四倍，在产业用方面具有很大的应用前景。　关键词：双轴向；纬编间隔织物；复合材料；平压性能　中图分类号：ＴＳ１８６．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—３０２８（２００７）０６—００４８—０３　

目前，采用间隔织物作为增强结构已成为复　合材料的一个发展方向，但对间隔织物的研究大　部分是经编的，纬编的很少，而且不论是经编的还　是纬编的间隔织物均存在变形大、密度稀，成型后　的复合材料力学性能差，织物间隔大小受到限制，　不能在第三维方向上灵活变化等缺点。本文介绍　了一种新型双轴向增强纬编间隔针织结构，可以　在经纬向衬人高模量纤维纱线，还可以灵活变化　厚度大小，并对所制作的复合材料的平压性能与　泡沫夹层结构做了对比研究。　

１复合材料试样的制备　

１．１预制件的编织　试样是在一种革新的横机上编织而成，机号　为３针／２５．４　ｒｆｉｎａ＿。织物的结构如图１所示，其中　图１（ａ）为立体结构图，图１（ｂ）为纵向截面结构　图，它更清楚地表示了连接纱线２与两个表面结　构的连接方式。从图１中可以看出，两个表面结　构的平针地组织１（１　）中都衬人了增强的经纱３　（３　）和纬纱４（４　），从经向方向喂入的连接纱２　通过前后平针线圈的沉降弧把两个表面结构连成　一体，形成间隔结构。采用这种方式生产间隔织　物时，由于间隔纱不用成圈编织，因此，纱线种类　的选用范围更广，很难成圈编织的高强高模量纱　

收稿日期：２００７　１Ｏ一０５　作者简介：乔东（１９８２一），男，山东济宁人，硕士研究生。　线如玻璃纤维和碳纤维都能用于间隔纱线；衬经　衬纬纱不仅提高了织物的面内力学性能，还增加　了织物的稳定性；针织纱可以采用脆性大的高性　能纤维编织，而且对弯纱深度、针织纱细度、横机　号数等编织参数的要求都比较低。而且前后针床　间距的调节也很方便，根据使用要求可以自由织　出不同厚度间隔的织物。　

纺织复合材料预制件概述

一、纺织复合材料预制件

航空和航天业的发展促进了纺织复合材料的研究，使纺织技术在先进材料领域的应用潜能逐渐被挖掘出来。通过纺织加工方法如机织（Weaving）、编织（Braiding）、针织（Knitting）和非织造（Non-woven）等，将纤维束按照一定的交织规律加工成二维或三维形式的纺织结构，使之成为柔性的、具有一定外形和内部结构的纤维集合体，称之为纺织复合材料预制件。

根据不同的纺织加工方法，纺织复合材料预制件中的纤维取向和交织方式将具有完全不同的特征，并且这些特征会导致纺织复合材料的性能存在明显的差异。为此，采用不同纺织复合材料预制件增强所得的纺织复合材料，通常在其名称前标以纺织方法，以示区别，如机织复合材料、针织复合材料、编织复合材料、非织造复合材料等。

二、纺织复合材料预制件的特征

（一）几何特征

根据纺织结构的几何特征，纺织复合材料预制件有二维纺织复合材料预制件和三维纺织复合材料预制件两种形式。

对于二维纺织复合材料预制件而言，纺织结构在面内的两个正交方向上（如矩形的长度和宽度方向）的尺寸远大于其在厚度方向上的尺寸。根据不同的纺织加工方法，增强纤维在平面内的取向和交织方式存在着多种形式。对于机织结构，取向分别为0和90°的经纬两组纱线相互交织，形成稳定的二维结构，构成机织物；对于编织结构，纱线之间按照与织物轴向偏移一定角度的取向相互编结交织而成，构成编织物；对于针织结构，纱线之间在经向或纬向以成圈的方式相互嵌套，构成针织物；而对于非织造结构，纤维通常以散纤维的状态分布在平面内的各个方向上，通过机械或黏结的方法固结成非织造织物。

对于三维纺织复合材料预制件而言，厚度方向（z向）上的尺寸和纤维交织形式不可忽略。三维纺织结构的特点是在厚度方向上引入纱线而形成立体的纤维交织结构，从而获得优良的结构整体性。类似于二维纺织结构，不同纺织加工方法使纤维在立体方向上的取向和交织方式也存在着多种形式。对于三维机织结构，通过接结经纱（或纬纱）引入z向纤维，构成三维机织物；对于三维编织结构，通过编织纱的三维空间运动获得三维编织物；对于三维针织结构，通过线圈嵌套的方法将多层平面结构结合在一起，构成三维针织物；对于三维非织造结构，通过机械或黏结的方法将多层平面散纤维固结成三维非织造织物。

研发碳纤维立体织造装备为发展纤维增强复合材料提供技术保障

２　・专题论坛・　纺织机械２０１２年第３期　

研发碳纤维立体织造装备　

为发展纤维增强复合材料提供技术保障　

姚孟利　

（中国纺织机械器材工业协会１０００２８）　

摘要碳纤维复合材料是产业用纺织品中的重要高端产品，开发碳纤维立体织造装备是我国碳　

纤维复合材料产业健康发展必不可少的技术基础，现已得到国家各级政府及组织的充分重视。　关键词碳纤维　立体织造技术装备　

１概述　

碳纤维复合材料是产业用纺织品中的重要高端　产品，为航空航天器性能优异化、风电产业化、管道　

容器高强化等产业提供了性能优越的轻质高强复合　

材料。碳纤维织物在复合材料制造工艺流程中起着　

｛一分重要的作用，它就像建筑物中的钢结构框架一　

样，是复合材料的增强结构骨架，从结构和性能上强　

化了复合材料，使其具有显著的抵抗应力集中、冲击　

损伤和裂纹扩展的能力。预计在２００７－－２０２６年，全　球航空航天工业复合材料总值将达到５７０亿美元。　

高性能复合材料已经成为继钢、钛、铝之后迅速发展　的四大航空结构材料之一，其用量已成为航空航天　

结构先进性的标志。　

近年来，在大飞机、大运载等重大专项的牵引下，　

我国碳纤维自主产业化进程进一步加快，可以预见未　来五年是我国碳纤维复合材料产业飞速发展阶段。　

开发碳纤维立体织造装备填补国内空白，是我国碳纤　维复合材料产业健康发展必不可少的技术基础。　

２碳纤维复合材料在航空航天工业中发挥　

着重要作用　

高性能复合材料具有比强度、比刚度高，材料力　

学性能可设计性等优点，是轻质高效结构设计的最　理想材料。由于其具有质轻、高强、可设计、抗疲劳、　

易于实现结构和功能一体化等优点，并可提高飞行　器防热、透波、隐身等功能，在航空航天领域得到迅　

项目名称：碳纤维多层织造装备及技术研发　项目编号：２０１１ＢＡＦＯ８Ｂ００　（列入２０１１年国家科技支撑计划）　速发展。进入２ｌ世纪，国际问航空航天技术竞争日　

趋激烈，飞行器技术向更高性能、超音速度、机动飞　行等方向发展，要求材料具有更优异的耐高温性能、　