大型機(jī)器縫合復(fù)合材料技術(shù)
時(shí)間:2006-03-02
縫合織物增強(qiáng)復(fù)合材料是用高性能纖維縫線將多層二維纖維織物縫合在一起，經(jīng)復(fù)合固化而成的紡織復(fù)合材料，它通過(guò)引入貫穿厚度方向的纖維來(lái)提高抗分層能力，增強(qiáng)層間強(qiáng)度、模量、抗剪切能力、抗沖擊性能、抗疲勞能力等力學(xué)性能。采用縫合復(fù)合材料可以提高復(fù)合材料制件的力學(xué)性能，從而滿(mǎn)足新型制件的要求。
航天科工集團(tuán)第三研究院第306研究所為了進(jìn)一步減輕新型號(hào)用的尾艙和天線罩的結(jié)構(gòu)重量，改善和提高其性能，克服傳統(tǒng)的縫合復(fù)合材料層間強(qiáng)度低的弱點(diǎn)，為了保證這兩個(gè)制件的質(zhì)量和數(shù)量，特委托天津工業(yè)大學(xué)研制滿(mǎn)足要求的縫合復(fù)合材料制件。為此，國(guó)防科工委給天津工業(yè)大學(xué)下達(dá)了“大型構(gòu)件機(jī)器縫合復(fù)合材料研制”這一重點(diǎn)科研項(xiàng)目。
主要內(nèi)容
1.研制成功了“曲面殼體預(yù)制件縫合設(shè)備”和“高性能纖維織物對(duì)接縫合設(shè)備”，解決了縫合紗線張力控制、基布低損傷均勻進(jìn)給等關(guān)鍵技術(shù)，使之適合高性能纖維縫線和高性能基布的縫合。
2.全面研究了縫合復(fù)合材料預(yù)制件的縫合工藝。
（1）對(duì)縫合類(lèi)型、縫合針距進(jìn)行了優(yōu)化，確定了縫合的最佳工藝。（2）研究出圓周三等分、層片分組預(yù)縫合、對(duì)接縫合、加固縫合等縫合技術(shù)和變形鎖式線跡縫合工藝，解決了表面為不可展開(kāi)雙曲弧面殼體預(yù)制件的縫合難題。實(shí)現(xiàn)了用碳纖維二維機(jī)織物做基布、用芳綸纖維做縫線縫合出表面為不可展開(kāi)弧面殼體復(fù)合材料的整體預(yù)制件。
3.優(yōu)化并確定了三維整體編織加強(qiáng)筋條預(yù)制件的編織工藝，完成了三維編織加強(qiáng)筋條預(yù)制件的編織。
4.完成了適用于高性能樹(shù)脂的高溫樹(shù)脂傳遞模塑（ResinTransferMolding，RTM）設(shè)備的研制。
5.優(yōu)化了采用RTM技術(shù)制造三維紡織復(fù)合材料制件的工藝:
（1）采用RTM工藝樹(shù)脂流動(dòng)模擬技術(shù)，分析和研究了三種不同樹(shù)脂的粘度、注入溫度、注入壓力對(duì)樹(shù)脂充模過(guò)程的影響，解決了模具注入口、排氣口的設(shè)計(jì)，優(yōu)化和確定了三種不同樹(shù)脂RTM的充模工藝。（2）分析和研究了三種不同樹(shù)脂的固化過(guò)程、適用期和工藝性，確定了不同樹(shù)脂的固化制度。（3）制造了脫模工裝設(shè)備，確保復(fù)合材料制件脫模時(shí)不受損傷。
性能指標(biāo)
研制出縫合復(fù)合材料制件和其他三維紡織復(fù)合材料制件共550余件。研制的縫合復(fù)合材料制件的性能達(dá)到或超過(guò)預(yù)期要求，經(jīng)測(cè)試，縫合復(fù)合材料試件具有較高的拉伸強(qiáng)度和模量，環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維二維機(jī)織布縫合復(fù)合材料，在纖維重量含量超過(guò)55%時(shí)，其強(qiáng)度達(dá)到了639.2MPa，拉伸模量達(dá)到了74GPa。
縫合復(fù)合材料尾艙達(dá)到了使用要求，通過(guò)了靜力試驗(yàn)，重量較金屬尾艙減輕35.5%。
石英纖維縫合天線罩預(yù)制件的纖維體積含量、與模具的符合性、結(jié)構(gòu)尺寸等滿(mǎn)足使用要求。
天津市科學(xué)技術(shù)信息研究所針對(duì)“表面為不可展開(kāi)弧面的機(jī)器縫合復(fù)合材料的制造方法”檢索了19個(gè)國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫(kù)后，得出結(jié)論：在檢索的范圍內(nèi)，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)采用機(jī)器縫合復(fù)合材料并形成不可展開(kāi)弧面的報(bào)道；國(guó)外已分別檢到機(jī)器縫合三維復(fù)合材料預(yù)制品以及具有不可展開(kāi)弧面的復(fù)合材料縫合制品的文獻(xiàn)報(bào)道，但未見(jiàn)與該項(xiàng)目機(jī)器縫合二維機(jī)織物制造不可展開(kāi)弧面復(fù)合材料相同的文獻(xiàn)報(bào)道。
應(yīng)用前景
縫合復(fù)合材料具有以下特點(diǎn)：良好的層間性能；低成本、高效率；可設(shè)計(jì)性和加工性。縫合可應(yīng)用于復(fù)合材料的連接，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械和黏接技術(shù)，提高構(gòu)件的整體性能。所以，縫合復(fù)合材料具有很好的應(yīng)用前景。
本項(xiàng)目形成了一套實(shí)現(xiàn)表面為不可展開(kāi)弧面的錐套體的機(jī)器縫合復(fù)合材料制件的縫合工藝和設(shè)備，形成了一套實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂基三維紡織復(fù)合材料復(fù)合固化的樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）工藝和設(shè)備。為我國(guó)在航天、航空、以及其他領(lǐng)域中使用高性能縫合復(fù)合材料和RTM技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 (本文已被瀏覽
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