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复合材料中的编织技术

时间:2013年03月02日 作者:博达 点击:

编织是一种基本的纺织工艺,能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成形体。这种工艺通常能够制造出复杂形状的预成形体,但其尺寸受设备和纱线尺寸的限制。在航空工业,目前该技术主要集中在编织的设备、生产和几何分析上,最终的目的是实现完全自动化生产,并将设备和工艺与CAD/CAM进行集成。该工艺技术一般分为两类,一类的二维编织工艺,另一类是三维编织工艺。

    传统的二维编织工艺能用于制造复杂的管状、凹陷或平面零件的预成形体,它与其它纺织技术相比成本相对较低。它的研究主要集中在研发自动化编织机来减少生产成本和扩大应用范围。它的关键技术包括质量控制、纤维方向和分布、芯轴设计等。它在航空工业的应用包括制造飞机进气道和机身J型隔框。该技术通常与RTM和RFI技术结合使用,另外也可以与挤压成形和模压成形联合使用。其应用水平在洛克希德•马丁公司生产F-35战斗机进气道制造中最能体现其先进性,加强筋与进气道壳体是整体结构,减少了95%的紧固件,提高了气动性能和信号特征,并简化了装配工艺。为了克服二维编织厚度方面强度低的问题,开发了三维编织技术,为制造无余量预成形体提供了可能。但是该技术同样受到设备尺寸限制。

    目前,一般的编织设备只能生产小于100mm截面的预成形体,而飞机零件的大型化则需要大尺寸且昂贵的编织机。该技术虽然从60年代就已发展起来,经历了四步编织、二步编织到多层互锁编织技术。随着三维编织机的发展,其在飞机制造的未来仍具有很大应用潜力。三维编织的C、J、T板材和I型梁、连杆、机体大梁、F型机身隔框、机身筒形件等都已得到验证。


    针织

    针织用于复合材料的增强结构始于上世纪90年代。由于它的方向强度、冲击抗力较机织复合材料好,且针织物的线圈结构有很大的可伸长性,易于制造非承力的复杂形状构件。目前国外已生产了先进的工业针织机,能够快速生产复杂的近无余量结构,而且材料浪费少。用这种方法制造的预成形体可以加入定向纤维有选择地用于某些部位增强结构的机械性能。另外,这种线圈的针织结构在受到外力时很容易变形,因此适于在复合材料上成形孔,比钻孔具有很大优势。但是它较低的机械性能也影响了它的广泛应用。


    经编

    针织在航空航天工业的应用很有潜力。而采用经向针织技术,并与纤维铺放概念相结合,制造的多轴多层经向针织织物一般称为经编织物。这种材料由于不弯曲,因此纤维能以最佳形式排列。经编技术可以获得厚的多层织物且按照期望确定纤维方向,由于不需要铺放更多的层数,极大提高经济效益。国外目前已经能够在市场上获得各种宽幅的玻璃和碳纤维经编织物。这种预成形体有两个优点:一是与其他纺织复合材料预成形体相比成本低;二是它有潜力超过传统的二维预浸带层压板,因为它的纤维是直的,能够在厚度方向增强从而提高材料的层间性能。但是目前限制其应用的主要原因是原材料成本高以及市场化程度不够。国外航空航天工业部门正在研究将这种技术用于次承力和主承力构件,已经在飞机机翼桁条和机翼壁板上进行了验证,预计未来将在飞机制造中广泛应用。

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