高级复合材料的抗皱新方法

高级复合材料的抗皱工艺一直是该行业发展的瓶颈问题。全球业界都在此领域展开不懈的努力研究。

现代复合材料产业的诞生要追溯到20世纪60年代，那时人们发明了芳纶和碳纤维在内的高性能连续纤维。多年来，这类纤维的可用性日益提升，加之拥有了高比强度和刚度特性，使一系列先进的工程结构在航空航天和汽车领域得以迅速应用与发展。

基于不同基体体系（通常是聚合物）的连续纤维增强复合材料，其结构性能可以根据具体的设计要求、工艺条件和制造方法进行调整。例如，与铝相比，基于碳纤维的聚合物基复合材料部件的定制设计可使其重量降低30%，甚至与钢材料相比降低了70%。

不过，要制造出高品质、可靠的纤维复合结构却困难重重，这与增强材料的连续性直接相关。特别是用纺织形态制作具有一定几何复杂性的结构时，如双弯曲部件，这一弱点更加凸显。

这些制造问题也引发业界地干（未固化）增强体及其固化体的变形和成型机理进行研究。从20世纪70年代后期起到现在，各种不同形式材料的研究仍在继续，相关的自动化成型工艺也在不断发展，并且制造工艺也日益复杂化。

复合材料制造面临挑战

随着单向纤维复合材料的成功应用，多向纤维的复合材料也在改变产品设计的速度、强度及成本。目前用于制造纺织纤维材料和预成型材料及在模具中的精确定位的技术，通常与高科技应用有关，这些应用要求部件的公差较低才能通过质量测试。

另一方面，现有的纺织纤维类型和结构、生产技术及其广泛的组合领域，其优化的通用设计策略与成型过程模糊不清，而以下挑战目前被认为是与纺织复合材料产品和预制件的高效和可再生制造最为相关:（1）通过正确选择织物材料及其铺层，优化制造步骤的设置及废物管理，如采用近似纯洁净化的生产方法和对干燥和预浸渍织物进行无缺陷处理，从而减少缺陷且降低生产成本；（2）实现高保真的仿真工具，在复杂的三维形状零配件成型方面尤为如此。

纺织复合材料的生产过程中，一个主要的难题就是起皱，设计师认为这是质量问题的关键，因为起皱会导致最终结构的力学性能和使用寿命降低80%，可能会给公司造成巨大的经济损失。起皱的严重程度受各种制造因素影响，包括模具选择、材料特性、叠层结构、刀具与零件的相互作用以及加工设备的质量等。

在本质上，尖角或紧固件边缘（对成型性要求较高之处）产生过较大的剪切角会导致交织纤维产生屈曲，降低相邻层间的层间粘合力。因此，了解制造过程的每一步和材料系统的成型机理是减少这些褶皱和控制最终部件性能的关键。

预测模拟模型的成功方法

当前，几乎已非常接近地预测，在纺织复合材料时需施加何种适当的力才能减少终端产品的褶皱，即通过在织物边缘施加适当二维边界的方法即可实现，然后使用工具使其与实际的三维场景形成关联。

加拿大哥伦比亚大学（UBC）研究人员提出一种新的方法以研究纺织复合材料的起皱／去皱形态。相关研发人员最近在该校奥肯那根（Okanagan）校区的复合材料研究网络实验室进行了多步骤测试，即依靠双轴夹具框架进行测试，该测试可评估在不同剪切角度下形成的不同尺寸平滑的褶皱所需力的大小。

专业图像处理和三维扫描使分析所需的力可凸显它对材料起皱和去皱形态造成的影响。该项目负责人博士生阿明·拉希迪（Armin Rashidi）表示，他们对梭织物起皱和去皱特性的分析揭示了一种新的现象，即纱线几何形状或生产过程中的不可控来源等各种参数影响起皱形态。

他们认为可建立与二维特征相关测试和实际的3D机织物的成型操作模式，进而可基于修改压边模具或压边框的几何形状，实现数字模拟设计的精确去皱。事实证明，预测数值模型可减少成型优化过程中的试验和误差。

另一种测试设备称为复合材料的“数字孪生体”，它可精确预测褶皱的大小和形状。通过数字模拟实现所提及的去皱方法。全世界都有多个团队在进行这类研究。值得一提的是，哥伦比亚大学的研究人员最近推出一种混合建模框架，用于预测三维表层织物的成型模式，它具有无与伦比的时间效率。在这种混合框架下，他们实施了多步骤优化设计方法，其中基于运动学的可初步模拟产生褶皱的部分区域，以及相应的剪切角范围，然后完整的有限元模型可进一步精确捕获褶皱的位置和大小。

该研究的下一步是，进行张力辅助成型试验和改进压边几何概念，在成型过程中施加最佳边界力，从而帮助实现最低成本的“被动”减皱。

抗皱新工艺前景一片光明

新的复合材料工艺正在改变产品在先进制造领域的设计和建造方式。轻质复合材料结构的制造趋势及其自动化制造过程表明，这类材料的需求正在增加；为提高资源效率，减少二氧化碳排放和开发能以绝对新颖的想法满足消费者需求的组件，正是复合材料研发的重要基础。然而，纺织复合材料的制造商更倾向于寻找新的方法以确保最终产品无缺陷，尤其是起皱方面，因为它会效降低其力学性能。

目前，随着高保真仿真工艺的不断研发，依靠定制测试设备和表征夹具，控制合理的成形系统进行模拟研究，全球业界这方面的能力都在不断提高。随着这一领域的不断创新，包括更多的聚合物树脂和织物增强材料的出现，新型成型装置不断涌现，进一步的研究为制造商提供了最新的分析方法，它特别促使在不同加工周期下多层织物复合材料的成型水平上升到更高的水平。

此外，随着传感嵌入式特征和覆盖方法的持续发展，业界认为，高级复合材料的褶皱问题，无论是宏观还是微观方面的加工工艺，其基本成型机制下的创新研发都将为这一领域带来福音，因为在不久的将来，复合材料4.0版将为此开辟解决问题的新兴途径，利用可靠的数字化来完成成型过程，促使褶皱问题完美解决。

（据美国《高级纺织资源》网https://advancedtextilessource.com/2018/08/06/tacklingwrinkling-in-advanced-textile-composites/近期资料）