三維編織復合材料制造技術(shù)及力學性能研究進展

三維編織復合材料是仿織復合材料之一，是由采用編織技術(shù)織造的纖維編織物（又稱三維預成形件）所增強的復合材料，其具有高的比強度、比模量、高的損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、抗開裂和疲勞等優(yōu)異特點。三維編織復合材料作為一種先進的復合材料，倍受工程界關(guān)注，業(yè)已成為航空、航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，并在汽車、船舶、建筑領(lǐng)域、體育用品和醫(yī)療器械等方面得到了廣泛應(yīng)用。

三維編織復合材料的發(fā)展是因為單向或二向增強材料所制得的復合材料層間剪切強度低、抗沖擊性能差、不能用作主承力件，L.R.Sanders于1977年把三維編織技術(shù)引入工程應(yīng)用中。所謂3D編織技術(shù)是通過長短纖維在空間按一定的規(guī)律排列，相互交織而獲得的三維無縫合的完整結(jié)構(gòu)，使復合材料不再存在層間問題，且抗損傷能力大大提高。其工藝特點是能制造出各種規(guī)則形狀及異形實心體，并可使結(jié)構(gòu)件具有多功能性，即編織多層整體構(gòu)件。目前三維編織的方式大約有20多種，但常用的有4種，分別是極線編織（polar braiding）、斜線編織（diagonal braiding or packing braiding）、正交線編織（orthogonal braiding）和繞鎖線編織（warp interlock braiding）。三維編織中又有多種型式，例如二步法三維編織、四步法三維編織、多步法三維編織。 本文來自123

樹脂傳遞模塑法發(fā)展史

三維編織復合材料成型工藝主要有樹脂傳遞模塑法[2]（RTM，Resin Transfer Molding），它是將液態(tài)樹脂注入閉合模具中浸潤增強材料并固化成型的工藝方法，是近年來發(fā)展迅速地適宜多品種、中批量、高質(zhì)量先進復合材料制品生產(chǎn)地成型工藝，它是一種接近最終形狀部件的生產(chǎn)方法，基本無需后續(xù)加工。

RTM技術(shù)起源于20世紀40年代的“MARCO”方法，最初是為成型飛機雷達罩發(fā)展起來的。RTM雖然成本較低，但其技術(shù)要求較高，特別是對原材料及模具的要求較高，大規(guī)模推廣有一定的困難，因而發(fā)展緩慢。到了20世紀80年代，由于工業(yè)發(fā)達國家對生產(chǎn)環(huán)境要求的各項法規(guī)日趨嚴格；同時，隨著原材料、工藝的發(fā)展和成型技術(shù)的不斷進步，加上RTM工藝自身諸多的優(yōu)點，例如，模制件公差小、有很高的表面質(zhì)量、比SMC（Sheet Molding Compound），片狀模塑料模塑壓力小、生產(chǎn)加工組織方式多種多樣、投資少、生產(chǎn)效率較高等特點而受到各國的重視。80年代末，隨著世界政治經(jīng)濟形勢的變化，RTM被認為是解決先進復合材料高成本問題的重要技術(shù)之一。日本將RTM 和拉擠兩項工藝推薦為最有發(fā)展前途的工藝。美國NASA將RTM技術(shù)列入其先進復合材料計劃（ACT計劃），并組織開展了大量的研究工作，同時民用復合材料界在生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期和環(huán)保新要求的壓力下出現(xiàn)了RTM研究和應(yīng)用的熱潮。 123,123

1985年前后，以縮短成型周期、提高表面質(zhì)量平順性和提高質(zhì)量穩(wěn)定性為目標的第二代RTM 開始得到應(yīng)用。以更高效率為特點的第三代RTM成型工藝在20世紀90年代中期開始得到應(yīng)用。

國內(nèi)RTM 工藝起步于20世紀80年代末期，受當時國際RTM技術(shù)高速發(fā)展的影響，RTM注射設(shè)備和工藝方法一度形成“熱點”。但是由于受當時原材料配套系統(tǒng)不完善和基礎(chǔ)工藝理論研究欠缺的影響，未能形成規(guī)?；a(chǎn)，大部分設(shè)備都處于閑置狀態(tài)。20世紀90年代以后，國內(nèi)一些單位（如天津工業(yè)大學復合材料研究所）積極研究和推廣RTM工藝技術(shù)，從原材料、產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計與制造、表面技術(shù)和基礎(chǔ)理論以及工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)等方面，開展了系統(tǒng)的研究工作。進入21世紀后，隨著三維編織技術(shù)的快速發(fā)展，RTM工藝技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)部件和其他軍用設(shè)施和產(chǎn)品上得到了較多應(yīng)用，隨著Light-RTM和SCRIMOP在游艇和風機葉片上的應(yīng)用，該類型工藝的應(yīng)用優(yōu)勢越來越多地得到了大家的認可。

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RTM工藝一個重要的發(fā)展方向是大型部件的整體成型。其工藝方法以VARTM、Light-RTM、SCRIMP工藝為代表。RTM工藝技術(shù)的研究和應(yīng)用涉及多種學科和技術(shù)，是當前國際復合材料最活躍的研究領(lǐng)域之一。其主要研究方向包括：低粘度、高性能樹脂體系的制備及其化學動力學和流變特性；纖維預成形體的制備及滲透特性；成型過程的計算機模擬仿真技術(shù)；成型過程的在線監(jiān)控技術(shù)；模具優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；新型工藝設(shè)備的開發(fā)；成本分析技術(shù)等。

RTM工藝特點

RTM以其優(yōu)異的工藝性能，廣泛地應(yīng)用于艦船、軍事設(shè)施、國防工程、交通運輸、航空航天和民用工業(yè)等領(lǐng)域[3]。其主要特點如下：

（1）模具制造和材料選擇靈活性強，根據(jù)不同的生產(chǎn)規(guī)模，設(shè)備的變化也很靈活，制品產(chǎn)量在1000~20000件/年之間。

（2）能夠制造具有良好表面質(zhì)量、高尺寸精度的復雜部件，在大型部件的制造方面優(yōu)勢更為明顯。

（3）易實現(xiàn)局部增強、夾芯結(jié)構(gòu)；靈活地調(diào)整增強材料的類型、結(jié)構(gòu)設(shè)計，以滿足從民用到航空航天工業(yè)不同性能的要求。

（4）纖維含量最高可達60%。

（5）RTM成型工藝屬于一種閉模操作工藝，工作環(huán)境清潔，成型過程苯乙烯排放量小。

（6）RTM成型工藝對原材料體系要求嚴格，要求增強材料具有良好的耐樹脂流動沖刷性和浸潤性，要求樹脂黏度低，高反應(yīng)活性，中溫固化，固化放熱峰值低，浸漬過程中黏度較小，注射完畢后能很快凝膠。

（7）低壓注射，一般注射壓力<30psi（1psi=68.95Pa），可采用玻璃鋼模具（包括環(huán)氧模具、玻璃鋼表面電鑄鎳模具等），模具設(shè)計自由度高，模具成本低。

（8）制品孔隙率較低。與預浸料模壓工藝相比，RTM工藝無須制備、運輸、貯藏冷凍的預浸料，無須繁雜的手工鋪層和真空袋壓過程，也無須熱處理時間，操作簡單。 copyright 123456

但是RTM 工藝由于在成型階段樹脂和纖維通過浸漬過程實現(xiàn)賦形，纖維在模腔中的流動、纖維浸漬過程中以及樹脂的固化過程都對最終產(chǎn)品的性能有很大的影響，因而導致了工藝的復雜性和不可控性增大。
RTM成型工藝過程

RTM成型工藝是先在模腔內(nèi)預先鋪放增強材料預成形體，芯材和預埋件，然后在壓力或真空作用力下將樹脂注入閉合模腔，浸潤纖維，固化后脫模，再進行二次加工等后處理工序，其基本原理如圖1所示。



纖維預成形有手工鋪放、手工纖維鋪層加模具熱壓預成形、機械手噴射短切纖維加熱壓預成形、三維立體編織等多種形式。

在合模和鎖緊模具的過程中，根據(jù)不同的生產(chǎn)形式，有的鎖模機構(gòu)安裝在模具上，有的采用外置的合模鎖緊設(shè)備，也可以在鎖緊模具的同時利用真空輔助來提供鎖緊力，模具抽真空的同時可以降低樹脂充模產(chǎn)生的內(nèi)壓對模具變形的影響。

在樹脂注入階段，要求樹脂的粘度盡量不要發(fā)生變化，以保證樹脂在模腔內(nèi)的均勻流動和充分浸漬。在充模過程結(jié)束后，要求模具內(nèi)各部分的樹脂均同步固化，以降低由于固化產(chǎn)生的熱應(yīng)力對產(chǎn)品變形的影響。

不同類型的RTM生產(chǎn)布局

隨著原材料技術(shù)、模具技術(shù)和設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展，RTM的生產(chǎn)布局也出現(xiàn)了多種多樣的形式。按照生產(chǎn)效率劃分，可以將RTM工藝的發(fā)展劃分為3代。

第1代RTM工藝通常為常溫固化和外部加熱，生產(chǎn)周期為80~150min，生產(chǎn)布局常采用環(huán)形生產(chǎn)線，模具在不同的工位流動，模具數(shù)量多，生產(chǎn)周期取決于時間最長的工序，通常為固化工序。

第2代RTM工藝的特點是模具自帶加熱系統(tǒng)，同時采用了專門的開合模鎖緊機構(gòu)，生產(chǎn)效率可以達到20~30min。有代表性的是雙工位RTM工藝布局，一個工位在噴射膠衣、鋪放纖維時，另一個工位可以進行注射、固化過程。

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第3代RTM工藝采用的是120℃左右的固化溫度，模具由專用的壓機帶動實現(xiàn)開模、合模、鎖緊，設(shè)備采用高速注射設(shè)備，模具使用金屬模具，整體布局和SMC工藝類似，成型周期小于10min。
RTM工藝參數(shù)對工藝過程的影響

影響RTM工藝的工藝參數(shù)包括樹脂黏度、注射壓力、成型溫度、真空度等，同時這些參數(shù)在成型過程中是相互關(guān)聯(lián)和相互影響的。

（1）樹脂黏度。適用于RTM工藝的樹脂應(yīng)該具有較低的黏度，通常應(yīng)小于600mPa·s，小于300mPa·s時工藝性能會表現(xiàn)得更好。通過提高樹脂的成型溫度來降低樹脂黏度，以利于更好地實現(xiàn)充模過程。

（2）注射壓力。注射壓力的選擇取決于纖維的結(jié)構(gòu)形式和纖維含量以及所需要的成型周期。研究資料表明，較低的注射壓力有利于纖維的充分浸漬，有利于力學性能的提高。通過改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、纖維鋪層設(shè)計、降低樹脂濃度、優(yōu)化注射口和排氣口的位置、使用真空輔助等手段，都可以實現(xiàn)降低注射壓力。 123456

（3）成型溫度。成型溫度的選擇受模具自身能夠提供的加熱方式、樹脂固化特性及所使用的固化體系的影響。較高的成型溫度能夠降低樹脂的黏度，促進樹脂在纖維束內(nèi)部的流動和浸漬，增強樹脂和纖維的界面結(jié)合能力。

（4）真空度。在成型過程中使用真空輔助可以有效降低模具的剛度需求，同時促進注射過程中空氣的排除，減少產(chǎn)品的孔隙含量。通過實驗數(shù)據(jù)測定，在真空條件下成型的平板平均孔隙含量只有0.15%，而沒有真空的平板孔隙含量達到1%。

RTM設(shè)備和模具

RTM樹脂注射設(shè)備包括加熱恒溫系統(tǒng)、混合攪拌器、計量泵以及各種自動化儀表。注射機按混合方式可分為單組分式、雙組分加壓式、雙組分泵式和加催化劑泵式4種?，F(xiàn)在用于批量生產(chǎn)的注射機主要是加催化劑泵式。

瑞典Aplicator公司制造的RI-2設(shè)備，使RTM工藝朝高質(zhì)量、高速度的全系統(tǒng)生產(chǎn)方面邁了一大步。美國液控系統(tǒng)公司（Liquid Control Systems）制造的Multiflow RTM設(shè)備，可對從幾克到數(shù)百千克的反應(yīng)樹脂體系進行計量，混合并注射進低壓力閉合模。

Multiflow CMFH型設(shè)備用于制造大型增強材料部件，輸入量為45kg/min。可使用于多種樹脂體系。
英國Plastech TT公司生產(chǎn)的注射機考慮了多種生產(chǎn)參數(shù)的集中控制問題，其中Megaject Pro型注射機是自動化程度最高的一種。

RTM是在低壓下成型，模具剛度相對要求低，可以使用多種材料來制造模具。常用的模具類型有玻璃鋼模具、電鑄鎳模具、鋁模具、鑄鐵模具和鋼模具。

一般而言，RTM工藝對模具有如下要求：（1）保持制品的形狀、尺寸精度及上下模具的配合精度，使制品達到設(shè)計的表面精度；（2）具有可靠地夾緊和頂開上下模具的裝置及制品脫模裝置；（3）足夠的剛度和強度，保證在合模、開模和注射時不出現(xiàn)破壞和盡可能小的變形；（4）可被加熱，并保證在一定的樹脂成型固化溫度下的使用壽命，在使用過程中不發(fā)生開裂和變形；（5）具有合理的注射口、冒口、流通，保證樹脂充滿模腔，并排除制品中的氣體；（6）具有合適的模腔厚度，使模具對預成形體有合適的壓縮量；（7）上下模具的密封性要好，對無真空輔助的工藝，樹脂的漏損率應(yīng)小于1%，對有真空輔助的工藝，密封應(yīng)保證不漏氣，以免氣體進入模腔；（8）以合適的材料和制造成本，滿足成型制品數(shù)量和模具壽命的要求。 內(nèi)容來自123456

RTM的衍生技術(shù)

RTM技術(shù)的發(fā)展很快，目前在上述成型的基本過程基礎(chǔ)上，還衍生出一些特殊的RTM技術(shù)，這些技術(shù)主要有真空輔助RTM（VARTM）、壓縮RTM（CRTM）、Seemann’s復合材料樹脂滲透模塑成型（SCRIMP）、樹脂膜滲透成型（RFI）、熱膨脹RTM（TERTM）、柔性RTM（FRTM）和共注射RTM（CIRTM）等。



三維編織復合材料內(nèi)部紗線在平面和三維空間中交織在一起，形成一個不分層的、復雜的整體結(jié)構(gòu)[4]。因此在編織復合材料研究之初，主要是通過試驗儀器設(shè)備等對其進行試驗觀察和研究。20世紀80年代，國外就有許多學者開始了有關(guān)三維編織復合材料的各項試驗研究，主要研究了紗線和樹脂的各種參量對編織復合材料拉伸，壓縮，彎曲和層間剪切等力學性能的影響。國內(nèi)的試驗研究起步相對較晚，直到90年代后期才出現(xiàn)報道。目前已進行包括低速沖擊和高能量碰撞在內(nèi)的各項試驗研究。
三維編織復合材料細觀結(jié)構(gòu)的幾何模型

由于編織復合材料的基礎(chǔ)是紡織技術(shù)，對三維編織復合材料的研究，首先必須搞清楚紡織物結(jié)構(gòu)的幾何模型[4]。美國是研究編織復合材料最早的國家之一。20世紀80年代比較典型的幾何模型當屬美國編織技術(shù)的先驅(qū)Frank K. Ko和Tsu－Wei Chou及其合作者最先提出的3 種幾何模型：第1種是Ko和Pastore[5]基于三維編織物中的紗線片段提出的一種單元胞體的“取向平均模型”，第2種稱之為“‘米’字枝狀模型”，Ma和Yang等[6]把四步法編織復合材料的單元胞體結(jié)構(gòu)看成是由3根相互正交的紗線和4根對角紗線所組成，針對這些紗線的相互作用建立了細觀分析模型；第3種是Yang和Ma 等[7]的“纖維傾斜模型”。Yang等以由四步法編織的四向編織復合材料為對象，根據(jù)其預成形件內(nèi)纖維束的排列為鋸齒形的特點，建立了纖維偏斜模型。認為在單胞內(nèi)纖維束沿長方體的4個對角線方向排列，在注入基體后形成一個薄的斜板，4個偏斜的單向板形成一個單元，如圖2所示。

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進入90年代后，各國研究人員對三維編織復合材料、編織程序、紗線在編織過程中的走向等進行了更加深入的研究，得到了更為完善、合理的編織復合材料細觀模型。其中Du和Ko[8]介紹了4種不同的編織方式，通過單元胞體的方法建立了三維編織的幾何實體模型，給出了關(guān)鍵編織參數(shù)與纖維編織角和纖維體積含量之間的關(guān)系。Wang 和Wang[9]提出了一種描述三維編織預成形件的紗線拓撲結(jié)構(gòu)的分析方法。首先，采用定義控制體積的方法，描述在編織過程中形成的編織紗線的空間軌跡，基于紗線拓撲定義了3種不同的單胞模型，分別代表預成形件的內(nèi)部、表面、角的結(jié)構(gòu)。內(nèi)部單胞的幾何形狀為一長方體，包含四組相互交織的紗線，高為一個編織花節(jié)長度。內(nèi)部紗線結(jié)構(gòu)與Li的結(jié)果相一致。表面和角單胞的幾何形狀均為三棱柱體，高為編織花節(jié)長度，表面單胞中包含兩組相互交織的編織紗線，而角單胞中僅含有一組平行伸直的編織紗線，分析中，忽略了紡織紗線的橫截面形狀。在國內(nèi)，吳德隆和郝兆平[10]最早提出了以四步法為基礎(chǔ)“三細胞模型”，從細觀分析角度來看，紡織復合材料結(jié)構(gòu)是由重復的內(nèi)部基元（B.C）邊界上的面元（F.C）和角點的柱元（R.C）構(gòu)成，如圖3所示，三細胞模型的特點在于，根據(jù)編織幾何學很好地描述織物微觀結(jié)構(gòu)，可以分析拉壓雙模量材料，基體彈塑性材料及界面損傷對力學性能的影響。陳利和陶肖明等[11]對四步法三維編織物的結(jié)構(gòu)進行了研究，揭示了紗線在預成形內(nèi)部、表面和角點區(qū)域的不同構(gòu)形，建立了編織結(jié)構(gòu)和編織參數(shù)之間的關(guān)系。龐寶君等[12]以四向編織復合材料為對象，建立了單胞的幾何結(jié)構(gòu)模型，并進行了細觀上的實驗驗證。



近年來，許多學者對矩形編織材料細觀結(jié)構(gòu)給予了高度的關(guān)注，逐步建立了由簡單“米”字型到三維實體的單胞幾何模型，推動著力學模型的發(fā)展。鄭錫濤和葉天麒[13]系統(tǒng)地研究了四步法1×1方型編織工藝編制的預成形件及其增強的復合材料的細觀結(jié)構(gòu)。提出了紗線橢圓形橫截面假設(shè)，考慮了編織紗線的細度和編織紗線填充因子的影響，創(chuàng)建了正軸模型。根據(jù)編織過程中攜紗器的運動軌跡特點，將預成形件劃分為三個不同的區(qū)域，分別定義了不同的控制體積單元，識別了編織結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，同時給出三維編織復合材料的設(shè)計方法，三維編織示意圖見圖4。馮偉和馬文鎖[14]將編織物中連續(xù)的紗線離散開來并用特殊的點符號表達，用點群和空間群分析現(xiàn)有編織材料幾何結(jié)構(gòu)，一方面可以合理地對現(xiàn)有編織材料幾何結(jié)構(gòu)進行描述和分類；另一方面也可以將該理論用于推導編織材料幾何結(jié)構(gòu)新的和更為有效的編織方法。張美忠等[15]由于編織復合材料實際結(jié)構(gòu)的復雜性，為了使研究結(jié)果更真實，用現(xiàn)有成熟的有限元軟件仿真三維編織復合材料，并研究其各項力學性能已成為一種趨勢。

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Pandey[15]等通過CAD建模技術(shù)來描述三維編織復合材料的代表性單元體，生動而準確地再現(xiàn)了復合材料的內(nèi)部復雜結(jié)構(gòu)。Sun[16]等提出了數(shù)字單元法，并用該方法模擬了三維矩形編織結(jié)構(gòu)的編制過程，以確切的知道三維編織復合材料內(nèi)部每根紗線的路徑和預成型體的微觀結(jié)構(gòu)。借助VC++及SolidWorks軟件的參數(shù)化圖形建模特點，建立了能模擬各種編織參數(shù)預制體孔隙實體，計算孔隙體積及其表面積的軟件系統(tǒng)。

力學行為的理論研究

三維編織復合材料的力學模型是以上述細觀結(jié)構(gòu)的幾何模型為基礎(chǔ)的。20世紀80年代至今，代表性的工作有Ma和Yang等的彈性應(yīng)變能法、Yang和Ma等的纖維傾斜模型、吳德隆和郝兆平的三細胞模型、陳利的偏軸模型和鄭錫濤的正軸模型。90年代后期，梁軍等[16]應(yīng)用Eshelby 和Mori-Tanaka理論對三維編織復合材料進行了細觀力學分析，然后與剛度平均化方法相結(jié)合，對含圓幣型基體微裂紋的三維編織復合材料彈性常數(shù)進行了理論預報。孫慧玉[17]借鑒國外模型發(fā)展了纖維傾斜模型，考慮厚度方向的效應(yīng)，采用三維應(yīng)力-應(yīng)變分析，預報了有效彈性模量，并將此空間多向?qū)雍习辶W模型引入到了強度性能的預報。王波等[18]提出了剛度合成法預報編織復合材料剪切彈性模量，比較了整體編織試件和裁剪所得試件的理論剪切性能，分析了剪切性能隨試件沿寬度和厚度兩個方向內(nèi)部單胞數(shù)目的變化規(guī)律。目前也有關(guān)于編織復合材料彈性性能、損傷、強度以及在超常環(huán)境下性能的工作報道。陳利和陶肖明等[19]基于變分原理，提出用有限多相單元法來預測三維編織復合材料的彈性性能。劉振國和盧子興等提出了一種預報編織復合材料剪切性能的“米”字型體胞的有限元計算模型[20]。黃爭鳴[21] 建立了“橋接模型”并分析了編織復合材料的剛度和強度性能。徐焜和許希武[22]基于八邊形纖維束截面單胞模型，采用細觀非線性有限元方法，建立了三維四向編織復合材料的漸進損傷拉伸強度模型。曾濤等[23-24]利用四纖維體胞模型，提出了一種多相有限元數(shù)值法，基于Tsui-Wu失效準則和Mises準則預報了三維編織復合材料的非線性響應(yīng)和損傷演化。Alzina[25]等用多尺度分析方法預報了低溫下編織復合材料的熱彈性性能。 123,123

結(jié)束語

三維編織復合材料已在航空航天等眾多領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，在可以預見的將來，其應(yīng)用范圍還會繼續(xù)擴大。相對而言，三維編織復合材料的理論研究和試驗研究都比較滯后。由于三維復合材料具有復雜的纖維構(gòu)造，加之編織工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、在復合材料過程中預成形件的擠壓變形、編織紗與基體的力學性能、空隙率以及紡織紗線與基體之間的界面損傷等諸多因素，影響它的結(jié)構(gòu)及力學性能的分析與估算。三維編織復合材料的理論和工藝研究工作目前仍處于探索發(fā)展階段。有關(guān)三維編織工藝理論還有待進一步地完善，新的工藝方法還有待開發(fā)。分析三維編織復合材料的力學性能的方法還需要進一步地發(fā)展，建立相對完善的強度準則是擴大三維編織復合材料使用的理論依據(jù)，同時，尋求準確求解三維編織復合材料的細觀力學解也是亟待解決的問題。

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來源：西北工業(yè)大學航空學院，鄭錫濤