具有更高耐损伤性的新型高性能/金属混杂纱线复合材料

E.Schmidt, A.Abdkader, C.Cherif

德累斯顿工业大学 纺织机械与高性能材料技术研究所(德国)

目前，新产品在轻型结构、材料利用率、减少温室气体排放、日益增长的安全性和更高的性能需求等方面都要求具备一定的梯度特性和相关的生产加工技术。传统的复合材料仅使用一种高性能纤维作为增强体，其承载力仅局限在某一范围内。多种高性能纤维增强体的常规组合方式包括在宏观[层间组合，图1a)左]和中观[(层内组合，图1a)中]水平进行纤维的混合，使其在增强体中具有分层或混杂的结构。但这种混合方式会使复合材料分层而降低其力学性能。应用在航空领域的材料通常将玻璃纤维和铝箔增强环氧树脂(GLARE)进行交替堆叠复合。因各层厚度(0.2～0.3 mm)较小，因此，这种复合材料的制造成本极高。ITM推出的材料混杂复合是将高性能纤维和具有良好冲击性能的金属纤维根据需求进行特定的组合。这一复合技术的特点是各纤维在微观层次上的混杂[纤维间组合，图1a)]，避免材料在使用中出现分层现象，并显著提高复合材料的力学性能。此外，ITM提出的这一复合技术所采用的金属纤维由低成本的刨光金属纤维组成，它与高性能纤维采用高效率的喷气技术进行复合，可大幅降低材料的制造成本并实现广泛的技术应用。

1 开发新型混杂纱线的概念

用于开发新型混杂纱线的材料主要为2种或3种不同类型的纤维。纤维的选择取决于纱线增强体的类型。纤维增强体大都选用高性能长丝纱线或金属纤维。在复合材料的制备中，高性能长丝纱(主要是玻璃长丝纱线)用作低密度的高强度组分，而金属纤维(主要是低成本的刨光不锈钢短纤维)则用作延展性组分，以显著改善复合材料的耐损伤性能。ITM的这一项目首次实现了纤维在微观水平上的混杂制备了具有较高耐损伤性的复合材料，如图1a)右所示。这种新型材料是将含有双纤维组分的混杂纱线增强体与满足局部载荷要求的基体材料按一定的体积比进行复合。若使用热塑性纤维作为基体，则需将热塑性纤维直接混合到混杂纱线中，并在固化过程中形成较短的塑性基体流动路径以阻止空气进入，从而实现良好的复合性能。对于热固性复合材料，混杂纱线仅由两种增强纤维组成，高性能纤维和金属材料可在宏观或中观层间进行混杂，如图1a)左和图1b)所示。与以往的宏观或中观层间混杂技术相比，本研究在微观水平上实现的纤维混杂具有显著的优势。

图1 单向增强纤维混杂复合材料和纤维金属层压板的混杂

据统计，纤维在微观水平达到所需的均匀混杂状态时，材料的表面积将增加100倍。因增强纤维具有不同的刚度，纤维微观水平的混杂可大幅降低复合材料界面失效的风险，因此，这种方法制得的复合材料具有大规模开发和应用的潜力。

2 混杂技术的概念

理想的纤维微观混杂是通过喷气复合技术实现的。ITM采用RMT D型喷气变形机(H. Stähle公司，图2)实现新型高性能纤维和金属纱线的混杂。项目组对这一混杂工艺进行了广泛的探究，从而使不同类型、密度和刚度的纤维可以均匀、柔和地混杂在一起。由图2可知，在高性能纤维和金属纱线混杂制备过程中，长丝纱线1首先通过从动辊4(长丝纱线喂入区)直接喂入喷气箱5中。然后，一定细度和高开松度的金属短纤维纱条2通过牵伸系统3直接输送到空气喷嘴的出口。在高速气流作用下，具有较大刚度和密度的金属短纤维纱条被抓取并以限定的方式与长丝纱线混合。因此，金属短纤维纱可连续且均匀地混杂到长丝纱结构中，从而制得具有高混合度的混杂纱线。分纱辊6用来分配混杂纱线。混杂纱线通过固定装置7激活纱线中的热塑性纤维组分，从而使纱线结构固定并确保纱线具有较高的混合度。最后，将制备好的混杂纱线缠绕到纱管8上。

图2 用于实现新型高性能纤维和金属纱线混杂的喷气变形机

ITM研发的这一复合材料混杂工艺旨在实现3个主要目标。一是追求高混合度，为此，需将各纤维组分以很高的开松度喂入混合装置中，需根据混杂纱的特殊性能要求调节喷气变形机的气流，以确保短纤维有足够的动能与长丝纱进行混合。二是确保纤维的低损伤度，从而使复合材料具有较高的力学性能。为此，在喷气变形机中，气流需以与纤维的剪切灵敏度相适应的角度输入，并降低空气的压力，避免混杂纱形成高度密实的区域。通过使用单独的工作元件7可提高纱线的黏结力。三是实现纤维的高取向度排列，尤其是高性能纤维，从而满足复合材料设计时所需的载荷，提高复合材料的力学性能。项目组同时开发了特定的导向元件，并优化了喷气变形机中气体的流动模式。

3 HiMeJet型喷嘴

大量研究表明，常规的喷嘴不能满足这一新型混杂工艺的生产需求，因此ITM项目组开发了一种特殊的HiMeJet型喷嘴，用于同时加工金属短纤维和高性能长丝纱线。金属短纤维和长丝纱线的射流专利是开发HiMeJet型喷嘴的基础，同时考虑了不同纤维组分在密度和刚度方面的巨大差异。纤维在HiMeJet型喷嘴中的运动通过Solidworks辅助软件中的数值流体力学仿真模拟(嵌入在Solidworks的3D-CAD中)。该喷嘴包含压缩空气流入区、长丝纱线喂入区和拉瓦尔区3个区域，如图3所示。

图3 用于加工金属短纤维和高性能长丝纱线的HiMeJet型喷嘴

根据气体流动方向设计的第一区域为压缩空气流入区(蓝色)，可将空气流均匀地供应至拉瓦尔区。压缩空气在无湍流的情况下翻转90°进入拉瓦尔区。

同时，高性能长丝纱线经长丝纱线喂入区(绿色)缓慢喂入拉瓦尔区。这种高性能长丝纱线通常对剪切力非常敏感，因此可通过封装来保护其免受垂直压缩空气的影响，只有当气流沿着与纱线导入方向平行的方向流动时，纱线才会暴露在压缩空气中。在拉瓦尔区，空气最初被导入汇聚、缩小的区域，然后再流经发散、扩大的区域，最终运行速度高达600 m/s，从而获取了足够的动能，使喷嘴出口处高刚度、高致密度的金属短纤维发生偏转。另外，在发散和扩大区域，高性能长丝纱线能均匀地分布在增大的横截面上，从而在短纤维喂入区和喷嘴出口处实现了金属短纤维和高性能长丝纱最大程度的均匀混合。

4 结语

由高性能纤维(如玻璃纤维)和金属纤维(如不锈钢丝)组成的新型混杂纱线具有广阔的应用前景，可大幅提高复合材料的耐损伤性。

ITM的项目研究优化并提高了复合材料的力学性能，首次在微观层面实现了各纤维的均匀混合，降低了纤维损伤度，并提高了混杂纱线中各纤维的取向度。项目组对这种混杂纱线的加工技术进行了建设性的实施和广泛试验，制备出含有高性能混杂纱线的复合材料。这种新型复合材料在耐损伤性和制造成本方面具有显著优势，可作为一种新材料在相关领域广泛应用。