專利名稱：一種適用于纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)縫合的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有關(guān)纖維復(fù)合材料以及相關(guān)夾層結(jié)構(gòu)的縫合方法，特別是涉及用于飛機(jī)、航天器等飛行器、交通運(yùn)輸、建筑材料以及武器裝備所用由連續(xù)纖維和樹脂基體組成的纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)的縫合方法。
背景技術(shù)：
一般要求纖維復(fù)合材料具有(a)很高的比強(qiáng)度和很大的比模量，可以使結(jié)構(gòu)大幅度減少質(zhì)量；(b)非均質(zhì)和各向異性，使得纖維復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性，使纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有可能按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更好地達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)；(c)良好的抗疲勞性纖維復(fù)合材料中不同的相與界面能減緩和阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而推遲疲勞破壞的發(fā)生；(d)成型工藝性好，容易成型任意型面的零件、共固化和整體式的結(jié)構(gòu)；(e)良好的尺寸穩(wěn)定性，而且纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)還是可以調(diào)整的。作為一種兼具功能和結(jié)構(gòu)特性的新型材料，纖維復(fù)合材料的這些獨(dú)特的優(yōu)越性能使得其正廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，并已經(jīng)成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)中與鋁合金、鈦合金和鋼并駕齊驅(qū)的四大結(jié)構(gòu)材料之一。例如美國(guó)洛克希德.馬丁公司宣布F-35復(fù)合材料用量將達(dá)30％，其中大部分將是纖維復(fù)合材料；2001年波音公司公布無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)X-45復(fù)合材料用量X-45A復(fù)合材料用量為45％，未來(lái)生產(chǎn)型X-45B復(fù)合材料將達(dá)90％以上，其中大部分也都是纖維復(fù)合材料。21世紀(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用纖維復(fù)合材料的比例將占到1/3，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重量比上個(gè)世紀(jì)減少30％。纖維復(fù)合材料將采用復(fù)合材料縫合工藝和樹脂轉(zhuǎn)移成形技術(shù)等以便其用于主受力構(gòu)件，一方面減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，另一方面減少制造零件數(shù)，降低成本，縮短制造周期。
然而在纖維復(fù)合材料構(gòu)件總成本中制造成本占比例最大，因此低成本成型制造技術(shù)是目前發(fā)展重點(diǎn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的趨勢(shì)是發(fā)展液態(tài)成型紡織復(fù)合材料技術(shù)，即“用得起”的制造技術(shù)。主要包括紡織復(fù)合材料和樹脂傳遞模塑液態(tài)成型技術(shù)等。通過(guò)編織、經(jīng)編、針織、機(jī)織、縫紉等制造預(yù)成型體，以及液態(tài)成型如液態(tài)浸滲和樹脂轉(zhuǎn)移模塑，使整體制造的成本降低，層間增強(qiáng)，并達(dá)到減重的目的。
為了提高纖維復(fù)合材料的層間強(qiáng)度，降低層間的分層破壞，提高纖維復(fù)合材料的抗沖擊損傷能力，增強(qiáng)疲勞和損傷容限，使整體制造的成本降低，達(dá)到減重的目的，采用的方法有(a)選用高應(yīng)變纖維和高韌性樹脂來(lái)提高層合板的界面強(qiáng)度，但是纖維復(fù)合材料成本過(guò)高；(b)采用更加先進(jìn)的復(fù)合材料工程與工藝設(shè)計(jì)方法，這難免要受到目前復(fù)合材料制造工藝本身發(fā)展的限制；(c)采用層間插入高韌性材料及顆粒的技術(shù)，如夾層增強(qiáng)Interleaving技術(shù)，但是工藝本身較為復(fù)雜，雖說(shuō)整體有所增強(qiáng)，但是在沒有被增強(qiáng)的層間同樣會(huì)存在上述問(wèn)題；(d)沿著厚度方向的增強(qiáng)，即是說(shuō)沿著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的厚度方向上增加增強(qiáng)纖維材料，以提高抗分層能力，增加層間強(qiáng)度，如復(fù)合材料縫合技術(shù)(Stitching)和三維纖維編織(3-D Weaving)技術(shù)，如文獻(xiàn)1“L.K.Jain，etc，On the Effects ofStitching in CFRPs-II.Mode II Delamination Toughness，Composites Sciences andTechnology，Vol58(1998)，829-837”所介紹的。三維纖維編織技術(shù)沒有纖維縫合技術(shù)產(chǎn)生的平面纖維的損壞，但是工藝處理時(shí)會(huì)使結(jié)構(gòu)中存在較大基體的聚集塊；與二維相似層板結(jié)構(gòu)比較，平面力學(xué)性能大幅度降低，而采用纖維縫合技術(shù)時(shí)有平面纖維斷裂和樹脂空穴，但是不同的縫合方式可以彌補(bǔ)其不足。
先纖維復(fù)合材料的縫合是在將干態(tài)纖維(如簾子布、經(jīng)編織物等)或預(yù)浸料(如由碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維及其相互混雜纖維與環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、雙馬來(lái)酰亞安、聚酰亞安、熱塑性樹脂等組合而成的)以及夾層結(jié)構(gòu)按照一定的鋪層順序?qū)雍虾茫缓笫褂锰祭w維、玻璃纖維、芳綸纖維、硼纖維、碳化硅纖維等纖維做成的紗線用工業(yè)縫紉機(jī)或家用縫紉機(jī)或縫合機(jī)器人沿著垂直于鋪層平面的方向，一般而言為厚度方向，按照一定的工藝參數(shù)上下穿過(guò)，并在層合板平面內(nèi)沿著某一方向進(jìn)行移動(dòng)的縫紉方式。國(guó)際上目前基本上采用的是直線縫合格式，如圖1.1所示。
直線縫合可以一定程度地提高層間的破壞強(qiáng)度，但是卻降低了纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)的面內(nèi)性能，如降低了材料的抗拉、抗壓及抗彎剛度與抗拉、抗壓及抗彎強(qiáng)度等，如文獻(xiàn)2“A.P.Mourtiz，F(xiàn)lexural Properties of Stitched GRPLaminates，Composites A，Vol27，1996，523-530”所介紹的。為了改善直線縫合格式對(duì)于纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)造成的面內(nèi)性能降低以及層間破壞強(qiáng)度的提高程度，以期達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用水平。
國(guó)內(nèi)尚沒有進(jìn)行連續(xù)纖維和樹脂基體組成的纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)的縫合技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用。另外，在通常波浪線縫合這種方式只適用無(wú)紡粘合襯布，例如CN2327709Y專利，但是尚沒有用于飛機(jī)、航天器等飛行器、交通運(yùn)輸、建筑材料以及武器裝備所用的由連續(xù)纖維和樹脂基體組成的纖維復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于(1)為了改善直線縫合格式對(duì)于纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)造成的面內(nèi)性能降低以及層間破壞強(qiáng)度的提高程度，以便更好地發(fā)揮先進(jìn)復(fù)合材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是在飛機(jī)、航天器等飛行器、交通運(yùn)輸以及武器裝備領(lǐng)域應(yīng)用；(2)為了改善面板上縫線的美觀大方；(3)提高縫線的牢固程度和抗斷裂能力，使被縫合結(jié)整體上更加穩(wěn)定，而并非直線上的任意三點(diǎn)依舊是直線；為了提高纖維復(fù)合材料的層間強(qiáng)度，降低層間的分層破壞，提高纖維復(fù)合材料的抗沖擊損傷能力，增強(qiáng)疲勞和損傷容限，使整體制造的成本降低，達(dá)到減重的目的，從而提供一種具有韌性優(yōu)異、面內(nèi)性能好、美觀大方的適用于工業(yè)化應(yīng)用的纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)材料的縫合方法。
本發(fā)明的目的是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供一種纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)的縫合方法，包括采用縫紉機(jī)和縫合線，在纖維復(fù)合材料上需要縫合的地方進(jìn)行縫合；其特征在于所述的縫合走線格式采用波浪形格式走線，其中波浪形格式走線縫合針距a為0.2-10厘米；縫合走線行距b為0.2-10厘米；一個(gè)波浪形走線縫合長(zhǎng)度c為0.2-10厘米；波浪形走線縫合峰的高度d為0.2-10厘米。
所述的縫紉機(jī)包括家用縫紉機(jī)、工業(yè)縫合機(jī)械或自動(dòng)縫合機(jī)器人。
所述的縫合線包括碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、芳綸纖維等各類合成纖維縫合線以及棉纖維、麻纖維、絲纖維或各類天然纖維的縫合線。
所述的纖維復(fù)合材料包括碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維及其混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、雙馬來(lái)酰亞胺、聚酰亞胺等熱固性樹脂以及聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酮、聚醚砜、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚等熱塑性樹脂的纖維復(fù)合材料，或及其上述材料相應(yīng)的夾層結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提供的一種纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)的縫合方法，適用于先進(jìn)復(fù)合材料以及相關(guān)夾層結(jié)構(gòu)(含蜂窩芯材、泡沫芯材等)材料的縫合，諸如航空航天飛行器、交通運(yùn)輸行業(yè)(例如汽車業(yè)、造船業(yè)等)、石油化工(例如回收塔、反應(yīng)槽罐等)、(例如波紋瓦、建筑預(yù)制組件)、武器裝備、采礦工業(yè)、文體用品等領(lǐng)域所用材料的縫合。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)采用本發(fā)明的波浪形格式走線，在纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行縫合后的材料，由于纖維復(fù)合材料的層間強(qiáng)度得到提高，降低了層間的分層破壞，提高纖維復(fù)合材料的抗沖擊損傷能力，增強(qiáng)疲勞和損傷容限，使整體制造的成本降低，并達(dá)到減重的目的，更好地發(fā)揮先進(jìn)復(fù)合材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用，其性能特別是達(dá)到符合在飛機(jī)、航天器等飛行器、交通運(yùn)輸以及武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)的性能指標(biāo)見表1，從表1看出完全達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的需要。
由于本發(fā)明采用波浪線縫合格式，改變了縫合格式的方向，使縫合縫針行走的軌跡由直線變成了曲線，一、美觀大方，二、曲線上的任意三點(diǎn)形成了類似于數(shù)學(xué)上的三角形三點(diǎn)穩(wěn)定，使被縫合結(jié)整體上更加穩(wěn)定，而并非直線上的任意三點(diǎn)依舊是直線；三、與直線縫合相比，大幅度提高了纖維復(fù)合材料的抗斷裂能力，并將纖維復(fù)合材料面內(nèi)性能的弱化均勻化了。
表1 相關(guān)的力學(xué)性能表

注1-由靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)獲得；2-由靜態(tài)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)獲得；3-由靜態(tài)I型斷裂實(shí)驗(yàn)獲得；4-由靜態(tài)II型斷裂實(shí)驗(yàn)獲得。


圖1.1表示國(guó)際上目前采用的直線縫合的縫線排列示意2(a)本發(fā)明的復(fù)合材料波浪型縫合的縫線排列(俯視示意圖)圖2(b)本發(fā)明的復(fù)合材料波浪型縫合的縫線排列(A-A剖面示意圖)圖3本發(fā)明的復(fù)合材料的鎖式縫合示意4本發(fā)明的復(fù)合材料的波浪線縫合相關(guān)尺寸示意面說(shuō)明1-復(fù)合材料2-縫合走線3-針頭線 4-梭芯線a為縫合針距，b為縫合行距，c為縫合長(zhǎng)度，d為縫合寬度具體實(shí)施方式
實(shí)施例1參考圖2-4，采用的是普通的小型家用縫紉機(jī)(日本豐田集團(tuán)公司下屬的日本AISIN精工株式會(huì)社生產(chǎn)的Toyota牌家用小型縫紉機(jī))，和芳綸纖維(美國(guó)杜邦公司的牌號(hào)為Kevlar29的芳綸纖維)，欲縫制的纖維復(fù)合材料為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂為基體的復(fù)合材料1；該復(fù)合材料1由多層鋪疊而成的層合板；使用家用縫紉機(jī)，在其上進(jìn)行了波浪線格式的縫合走線2，其中縫合針距a為4mm，縫合行距b為5mm和10mm兩種，縫合長(zhǎng)度c為7mm，縫合寬度d為2mm，所述的縫合走線采用鎖式縫合，如圖3所示，針頭線3和梭芯線4。經(jīng)過(guò)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的斷裂實(shí)驗(yàn)，如表1所示，證明了本發(fā)明的波浪線鎖式縫合比目前國(guó)際流行的直線縫合在提高斷裂韌性、改善面內(nèi)力學(xué)性能上要好得多，達(dá)到了纖維復(fù)合材料強(qiáng)韌化的目的，在復(fù)合材料的工業(yè)化應(yīng)用中有著很大的前景。
實(shí)施例2采用的是普通的工業(yè)縫紉機(jī)，和碳纖維，欲縫制的纖維復(fù)合材料為玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂為基體的復(fù)合材料1；該復(fù)合材料1由多層鋪疊而成的層合板；使用家用縫紉機(jī)，在其上進(jìn)行了波浪線格式的縫合走線2，其中縫合針距a為10mm，縫合行距b為1mm和8mm兩種，縫合長(zhǎng)度c為0.2mm或10mm兩種，縫合高度d為0.2mm或10mm(如圖3所示)，所述的縫合走線采用鎖式縫合(如圖4所示)。經(jīng)復(fù)合材料力學(xué)理論分析，本發(fā)明的波浪線鎖式縫合可大幅度提高纖維復(fù)合材料的韌性和沿著厚度方向的剛度，實(shí)現(xiàn)了纖維復(fù)合材料增強(qiáng)增韌的目的，可用于纖維復(fù)合材料增強(qiáng)增韌的工業(yè)化生產(chǎn)。
實(shí)施例3采用的是自動(dòng)縫合機(jī)器人，和玻璃纖維，欲縫制的纖維復(fù)合材料為芳綸纖維增強(qiáng)聚酰亞安為基體的復(fù)合材料；該復(fù)合材料是先將干態(tài)芳綸纖維進(jìn)行縫合，而后采用RTM工藝將聚酰亞安樹脂融合到已經(jīng)縫合的干態(tài)芳綸纖維中；使用家用縫紉機(jī)，在干態(tài)纖維上進(jìn)行了波浪線格式的縫合走線，其中縫合針距a為0.2mm，縫合行距b為5mm和10mm兩種，縫合長(zhǎng)度c為3mm和6mm兩種，縫合高度d為5mm，所述的縫合走線采用鎖式縫合。經(jīng)數(shù)值模擬研究分析，本發(fā)明的波浪線鎖式縫合可大幅度提高纖維復(fù)合材料的韌性和沿著厚度方向的剛度，實(shí)現(xiàn)了纖維復(fù)合材料增強(qiáng)增韌的目的，可用于纖維復(fù)合材料增強(qiáng)增韌的工業(yè)化生產(chǎn)。
實(shí)施例4采用的是普通的小型家用縫紉機(jī)(國(guó)產(chǎn))，和芳綸纖維(美國(guó)杜邦公司的牌號(hào)為Kevlar29的芳綸纖維)，欲縫制的纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)為玻璃鋼蜂窩結(jié)構(gòu)，其面板為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基體的纖維復(fù)合材料，芯子為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基體的復(fù)合材料，采用相容性好的環(huán)氧樹脂膠粘劑；使用家用縫紉機(jī)，在其上進(jìn)行了波浪線格式的縫合走線，其中縫合針距a為6mm，縫合行距b為3mm和6mm兩種，縫合長(zhǎng)度c為5mm，縫合寬度d為4mm，所述的縫合走線采用波浪線鎖式縫合。經(jīng)研究分析，本發(fā)明的波浪線鎖式縫合比目前國(guó)際流行的直線縫合在提高纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的斷裂韌性、改善其整體面內(nèi)力學(xué)性能上要好得多，達(dá)到了纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化的目的，在復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的工業(yè)化應(yīng)用中有著很大的前景。
權(quán)利要求
1.一種適于纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)縫合的方法，包括采用縫紉機(jī)和縫合線，在纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)上需要縫合的地方進(jìn)行走線縫合；其特征在于所述的縫合走線格式采用波浪形格式走線，其中波浪形格式走線縫合針距a為0.2-10厘米；縫合走線行距b為0.2-10厘米；一個(gè)波浪形走線縫合長(zhǎng)度c為0.2-10厘米；波浪形走線縫合峰的高度d為0.2-10厘米。
2.按權(quán)利要求1所述的適于復(fù)合材料縫合的方法，其特征在于所述的縫合走線采用波浪線鎖式縫合。
3.按權(quán)利要求1所述的適于復(fù)合材料縫合的方法，其特征在于所述的縫紉機(jī)包括家用縫紉機(jī)、工業(yè)縫紉機(jī)或自動(dòng)縫合機(jī)器人。
4.按權(quán)利要求1所述的適于復(fù)合材料縫合的方法，其特征在于所述的縫合線包括碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維及其相互混雜纖維的各類合成纖維縫合線、棉纖維、麻纖維或絲纖維的天然纖維縫合線。
5.按權(quán)利要求1所述的適于復(fù)合材料縫合的方法，其特征在于所述的復(fù)合材料包括碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維及其混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、雙馬來(lái)酰亞胺、聚酰亞胺等熱固性樹脂以及聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酮、聚醚砜、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚等熱塑性樹脂的纖維復(fù)合材料，或及其上述材料相應(yīng)的夾層結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種纖維復(fù)合材料以及相關(guān)夾層結(jié)構(gòu)的縫合方法，該方法包括采用縫紉機(jī)和縫合線，在纖維復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)上需要縫合的地方進(jìn)行走線縫合；其特征在于所述的縫合走線格式采用波浪形格式走線，其中波浪形格式走線縫合針距a為0.2－10厘米；縫合走線行距b為0.2－10厘米；一個(gè)波浪形走線縫合長(zhǎng)度c為0.2－10厘米；波浪形走線縫合峰的高度d為0.2－10厘米。該方法提高了纖維復(fù)合材料的抗沖擊損傷能力，增強(qiáng)疲勞和損傷容限，使整體制造的成本降低，并達(dá)到減重的目的，更好地發(fā)揮先進(jìn)復(fù)合材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用，其性能特別是達(dá)到符合在飛機(jī)、航天器等飛行器、交通運(yùn)輸以及武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用。
文檔編號(hào)D02G3/46GK1616732SQ20031011348
公開日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2003年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月12日
發(fā)明者趙紅平, 李國(guó)耀, 馮西橋 申請(qǐng)人:清華大學(xué)