纺织结构复合材料研究进展

李娅菲 田佾鑫 肖凤娟

摘要：相比于传统的铝合金等金属材料，CFRP材料的电导率要低得多，遭受雷击后能量的聚集及向材料内部的释放也要严重得多。在雷电流声冲击、焦耳热、洛伦兹力等多种效应的耦合作用下，复合材料结构会在表面形成明显的可见损伤，并因电流向结构内部的注入和能量累积而形成更为显著的内部损伤，严重影响材料的结构完整性和可靠性。本文对纺织结构复合材料研究进展进行分析，以供参考。

关键词：纺织结构;复合材料;研究进展

引言

随着复合材料逐渐成为航空航天、轨道交通等多个领域的主要应用材料之一，其结构和复杂性也一直挑战着加工工艺，尤其是大型复合材料结构件的加工。各大制造企业在质量、生产周期和加工成本等方面寻求改进方案，专门用于复合材料加工的解决方案正在成为一个影响产品质量和效率的重要的因素。

1研究目的及背景

复合材料由于具有优良的力学性能、稳定的化学性质、完善的成型工艺和强大的结构可设计性等不可比拟的综合性能优势，而被广泛的应用于航天、航空等等诸多军、民用产业。航天领域由于对重量的极致敏感而成为最早研发并尝试使用复合材料的领域之一，现已普遍将复合材料的设计与使用能力作为衡量行业水平的重要标准，这就需要从材料设计角度出发提出更高的性能指标和功能要求。复合材料是由增强相（本文主要研究的是碳纤维，CarbonFiber）、连续相（环氧树脂，EpoxyResin）和界面相（纤维与树脂接触的微小区域）组成的多相体系。其各项性能的提升离不开对于碳纤维和环氧有机高分子的不断研究，由此衍生出了T700、T1100、M70、M80等一系列高强高韧的碳纤维以及酚醛树脂、环氧烯烃树脂、双马来酰亚胺树脂等一系列高纯、高强、高模量的新树脂相继投入量产。可以说，对于碳纤维和环氧树脂的性能研究已经取得了显著的进步，复合材料的力学性能也取得了一定程度上的提升。经过不懈努力，增强相碳纤维的模量已经能够达到理想状态下石墨的90%左右，商用碳纤维的最大强度也已经超过了7GPa，然而对于纤维与树脂性能的不断突破，复合材料的相关力学性能并未表现出相应的增长。然而碳纤维增强树脂基复合材料的性能不仅仅依赖于增强相与连续相的发展，两相界面增强是目前国内外较为简单、普遍的提高复合材料综合性能的方法。复合材料的两相界面是指由增强相内部物理、化学性质产生变化的区域开始到连续相中物化性质趋于一致的，长度为几纳米到微米之间区域。界面相的有效形成主要取决于两相的物理、化学或物化协同作用，可以说，界面相的性质与结构不仅仅对复合材料的力学性能产生重要的影响，而且对其各项功能具有决定性作用。与此同时，纳米二硫化钼作为一种新兴的类石墨烯二维层状纳米材料，属于典型的过渡金属硫化物。其微观结构与石墨烯类似，层内是强的共价键结合，层间是较弱的范德华力在相互作用。基于其优异的各项性能，可以实现在提升复合材料机械性能的同时赋予材料新的功能。

2一种复合材料加工工艺技术

加工单元设计，通过切削参数的试验验证结论，现有主轴单元在转速和功率方面无法满足该大型工件的生产需求，而且受机床龙门架结构以及工件孔距、电机外形尺寸等限制，单主轴配单电机结构无法使用，只能通过“单电机+多轴器”的结构满足加工需求。当前市场上传统多轴器为齿轮传动结构，传动效率高，但是相对转速低，一般不超过1000rpm，且加过程中多出现噪音大、变速箱重量偏大等问题，需要增加安装支撑;最重要的是一旦齿轮和变速箱确定后，不能更改中心距，如果产品发生变更，则只能报废变速箱重新制作，生产成本高。根据前期切削参数验证，需要配置一台1.5kW伺服电机作为输出动力源并配合1：3减速器，实现单轴输出扭矩4.77N·m，输出转速1500r/min。因该大型结构件需要24h连续生产，考虑到主轴电机在连续工作后会产生发热严重现象，将会导致主轴电机卡死报警，或者直接烧毁线圈，丧失扭矩，因此需要在电机外侧增加冷却装置，根据现场工况和装配空间，选择风冷结构，通过压缩空气进行冷却。

3纺织结构复合材料研究进展

3.1二维纺织结构复合材料

不光现在科技对复合材料有强烈需求，古代人同样发挥了自身的聪明才智对复合材料进行研究和使用，例如我国古代采用粮食杆和黏土进行混合用于建造墙体，国外也有企业采用亚麻等材料编织衣服。一直到1920年，纺织材料第一次出现在航空领域，用于增强飞机机翼的的强度和抗风性，从此以后，纺织复合材料逐步走向高精尖仪器的制备和维护，美国有研究人员将纺织复合材料用于鼻椎的增强，近年来复合材料也逐步应用于层合板中，因其交强的横向承受能力，所以制成的层合板具有超强的抗打击能力和剪切性。直到1960年，随着编织工艺的逐步改进，二维编织结构也被引入复合材料的概念中，编织也是构建三维复合材料的手段和方法之一，也是最早用于改善三维复合材料成品的结构和性质。

3.2三维编织结构复合材料

近年来维编织结构复合材料也逐步走进人们视野，如果将三维复合材料中加入三维编织的概念个技术，就可以更增强成品或者零件的硬度，也是目前研究最多的纺织结构。自从1960年，Popper首次提出了可以使用这项技术生产碳/碳三维编织复合材料，并且将其用于火箭发动机需要隔绝高温金属零部件的部分，不仅可以减少发动机一大部分甚至是一半的重量，因此逐步有更多的研究人员研究三维编织结构复合材料。Frank首次将三维编织复合材料制作工艺进行优化和总结，提出了一整套完整的操作方式和技术，进而Aeke、LiW、LiJ、分别提出了二步法、四步法、六步法编织三维预成型体，在此基础上，Kosta提出用多步法編织三维预成型体，至此，编制的结构以及编制体的环境能力，成品抗压能力。整体性以及其韧性都得到了很好的研究，三维编织结构复合材料可以完成极高的任务，制成各种形状的几何结构，并且不需要额外的操作技术，就可以很好的链接各部件，形成一个完整的整体，并且轻度的划痕和损伤也可以自愈，因此，我们得出结论三维编织复合材料制作工艺明显优于二维层合板工艺，但是现在仍存在一些不足限制了此项技术的应用，例如尺寸的控制和仪器的不足，只有极少的三维编织结构复合材料可以推广和应用。

结束语

针对大型复合材料结构件的多孔系加工要求对机床主轴单元系统进行改造，通过重新设计内冷主轴单元、优化切削参数，重新设计切削刀具等方法，在工件表面孔间距过小、龙门结构刚性差的情况下，彻底解决了加工过程中切屑瘤现象严重，孔口倒角刮擦、翻边严重等问题，并大大提升了该大型工件钻孔加工的效率和质量，在节约生产成本的同时也为其它大型复合材料结构件的加工提供了借鉴方案。

参考文献

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