三維編織復(fù)合材料是仿織復(fù)合材料之一,是由采用編織技術(shù)織造的纖維編織物(又稱三維預(yù)成形件)所增強(qiáng)的復(fù)合材料,其具有高的比強(qiáng)度、比模量、高的損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、抗開裂和疲勞等優(yōu)異特點(diǎn)。三維編織復(fù)合材料作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料,倍受工程界關(guān)注,業(yè)已成為航空、航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料,并在汽車、船舶、建筑領(lǐng)域、體育用品和醫(yī)療器械等方面得到了廣泛應(yīng)用。
三維編織復(fù)合材料的發(fā)展是因?yàn)閱蜗蚧蚨蛟鰪?qiáng)材料所制得的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度低、抗沖擊性能差、不能用作主承力件,L.R.Sanders于1977年把三維編織技術(shù)引入工程應(yīng)用中。所謂3D編織技術(shù)是通過長(zhǎng)短纖維在空間按一定的規(guī)律排列,相互交織而獲得的三維無縫合的完整結(jié)構(gòu),使復(fù)合材料不再存在層間問題,且抗損傷能力大大提高。其工藝特點(diǎn)是能制造出各種規(guī)則形狀及異形實(shí)心體,并可使結(jié)構(gòu)件具有多功能性,即編織多層整體構(gòu)件。目前三維編織的方式大約有20多種,但常用的有4種,分別是極線編織(polar braiding)、斜線編織(diagonal braiding or packing braiding)、正交線編織(orthogonal braiding)和繞鎖線編織(warp interlock braiding)。三維編織中又有多種型式,例如二步法三維編織、四步法三維編織、多步法三維編織[1]。
樹脂傳遞模塑法發(fā)展史
三維編織復(fù)合材料成型工藝主要有樹脂傳遞模塑法[2](RTM,Resin Transfer Molding),它是將液態(tài)樹脂注入閉合模具中浸潤(rùn)增強(qiáng)材料并固化成型的工藝方法,是近年來發(fā)展迅速地適宜多品種、中批量、高質(zhì)量先進(jìn)復(fù)合材料制品生產(chǎn)地成型工藝,它是一種接近最終形狀部件的生產(chǎn)方法,基本無需后續(xù)加工。
RTM技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代的“MARCO”方法,最初是為成型飛機(jī)雷達(dá)罩發(fā)展起來的。RTM雖然成本較低,但其技術(shù)要求較高,特別是對(duì)原材料及模具的要求較高,大規(guī)模推廣有一定的困難,因而發(fā)展緩慢。到了20世紀(jì)80年代,由于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求的各項(xiàng)法規(guī)日趨嚴(yán)格;同時(shí),隨著原材料、工藝的發(fā)展和成型技術(shù)的不斷進(jìn)步,加上RTM工藝自身諸多的優(yōu)點(diǎn),例如,模制件公差小、有很高的表面質(zhì)量、比SMC(Sheet Molding Compound),片狀模塑料模塑壓力小、生產(chǎn)加工組織方式多種多樣、投資少、生產(chǎn)效率較高等特點(diǎn)而受到各國(guó)的重視。80年代末,隨著世界政治經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化,RTM被認(rèn)為是解決先進(jìn)復(fù)合材料高成本問題的重要技術(shù)之一。日本將RTM 和拉擠兩項(xiàng)工藝推薦為最有發(fā)展前途的工藝。美國(guó)NASA將RTM技術(shù)列入其先進(jìn)復(fù)合材料計(jì)劃(ACT計(jì)劃),并組織開展了大量的研究工作,同時(shí)民用復(fù)合材料界在生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期和環(huán)保新要求的壓力下出現(xiàn)了RTM研究和應(yīng)用的熱潮。
1985年前后,以縮短成型周期、提高表面質(zhì)量平順性和提高質(zhì)量穩(wěn)定性為目標(biāo)的第二代RTM 開始得到應(yīng)用。以更高效率為特點(diǎn)的第三代RTM成型工藝在20世紀(jì)90年代中期開始得到應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)RTM 工藝起步于20世紀(jì)80年代末期,受當(dāng)時(shí)國(guó)際RTM技術(shù)高速發(fā)展的影響,RTM注射設(shè)備和工藝方法一度形成“熱點(diǎn)”。但是由于受當(dāng)時(shí)原材料配套系統(tǒng)不完善和基礎(chǔ)工藝?yán)碚撗芯壳啡钡挠绊懀茨苄纬梢?guī)?;a(chǎn),大部分設(shè)備都處于閑置狀態(tài)。20世紀(jì)90年代以后,國(guó)內(nèi)一些單位(如天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所)積極研究和推廣RTM工藝技術(shù),從原材料、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)與制造、表面技術(shù)和基礎(chǔ)理論以及工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)等方面,開展了系統(tǒng)的研究工作。進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著三維編織技術(shù)的快速發(fā)展,RTM工藝技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和其他軍用設(shè)施和產(chǎn)品上得到了較多應(yīng)用,隨著Light-RTM和SCRIMOP在游艇和風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用,該類型工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)越來越多地得到了大家的認(rèn)可。
RTM工藝一個(gè)重要的發(fā)展方向是大型部件的整體成型。其工藝方法以VARTM、Light-RTM、SCRIMP工藝為代表。RTM工藝技術(shù)的研究和應(yīng)用涉及多種學(xué)科和技術(shù),是當(dāng)前國(guó)際復(fù)合材料最活躍的研究領(lǐng)域之一。其主要研究方向包括:低粘度、高性能樹脂體系的制備及其化學(xué)動(dòng)力學(xué)和流變特性;纖維預(yù)成形體的制備及滲透特性;成型過程的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù);成型過程的在線監(jiān)控技術(shù);模具優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù);新型工藝設(shè)備的開發(fā);成本分析技術(shù)等。
RTM工藝特點(diǎn)
RTM以其優(yōu)異的工藝性能,廣泛地應(yīng)用于艦船、軍事設(shè)施、國(guó)防工程、交通運(yùn)輸、航空航天和民用工業(yè)等領(lǐng)域[3]。其主要特點(diǎn)如下:
(1)模具制造和材料選擇靈活性強(qiáng),根據(jù)不同的生產(chǎn)規(guī)模,設(shè)備的變化也很靈活,制品產(chǎn)量在1000~20000件/年之間。
(2)能夠制造具有良好表面質(zhì)量、高尺寸精度的復(fù)雜部件,在大型部件的制造方面優(yōu)勢(shì)更為明顯。
(3)易實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)、夾芯結(jié)構(gòu);靈活地調(diào)整增強(qiáng)材料的類型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以滿足從民用到航空航天工業(yè)不同性能的要求。
(4)纖維含量最高可達(dá)60%。
(5)RTM成型工藝屬于一種閉模操作工藝,工作環(huán)境清潔,成型過程苯乙烯排放量小。
(6)RTM成型工藝對(duì)原材料體系要求嚴(yán)格,要求增強(qiáng)材料具有良好的耐樹脂流動(dòng)沖刷性和浸潤(rùn)性,要求樹脂黏度低,高反應(yīng)活性,中溫固化,固化放熱峰值低,浸漬過程中黏度較小,注射完畢后能很快凝膠。
(7)低壓注射,一般注射壓力<30psi(1psi=68.95Pa),可采用玻璃鋼模具(包括環(huán)氧模具、玻璃鋼表面電鑄鎳模具等),模具設(shè)計(jì)自由度高,模具成本低。
(8)制品孔隙率較低。與預(yù)浸料模壓工藝相比,RTM工藝無須制備、運(yùn)輸、貯藏冷凍的預(yù)浸料,無須繁雜的手工鋪層和真空袋壓過程,也無須熱處理時(shí)間,操作簡(jiǎn)單。
但是RTM 工藝由于在成型階段樹脂和纖維通過浸漬過程實(shí)現(xiàn)賦形,纖維在模腔中的流動(dòng)、纖維浸漬過程中以及樹脂的固化過程都對(duì)最終產(chǎn)品的性能有很大的影響,因而導(dǎo)致了工藝的復(fù)雜性和不可控性增大。