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复合材料缝合技术与应用进展
复合材料缝合技术是指采用缝合线使多层织物结合成准三维立体织物或使分离的数片织物连接成整体结构的一种复合材料预制体制备技术.该技术起源于20世纪中后期,由于其可以提高复合材料层间损伤容限,大大改善复合材料抗冲击性能而备受关注,并在近些年来得到了广泛应用.本文系统介绍了复合材料缝合技术的特点,主要缝合方式和工艺参数及其最优的适用范围,总结了缝合技术影响复合材料拉伸、压缩、弯曲、层剪及冲击后压缩等重要力学性能的主要研究成果,最后对复合材料缝合技术的国内外重大研究及应用进展进行了阐述并提出了展望.
一、缝合技术的特点
相对于传统的复合材料纺织、编织及铺叠工艺来说,缝合技术主要具备以下特点[1,2] ：
①可设计性强,缝合预制体的铺层方向,铺层距离和纤维结构等均可以进行优化组合,同时缝合方式和缝合区域也可以按需调整；②缝合对原有纤维分布影响较小,而且通过缝合参数的合理设定可以获得一定程度的整体结构,并达到合理的均匀应力状态；③缝线可以承受大部分载荷,而且减少了周围树脂的应力集中,可以显著提高复合材料层间性能；④可高度自动化,目前已开发出用于提高缝合一致性和缝合效率的高度自动化缝合设备；⑤装配工艺优异,缝合作为一种连接技术,与复合材料其他连接技术（粘接、铆接等）相比,缝合复合材料整体性强,不易产生局部应力集中.
二、主要缝合方式及工艺参数
在结构应用上主要采用3种缝合方式,即改进的锁式缝合、链式缝合及簇绒法( t u f t i n g )缝合（详见图1所示）.锁式缝合属于双面缝合,改进的锁式缝合中,缝线被缝针从预制体一侧带入,与底线结套后再由缝针带出进行下一个循环,上线与底线的结套处位于预制体表面,最大限度的减少了预制体厚度方向上的缝线及纤维弯曲及应力集中效应,具体如图1（a）所示.锁式缝合一般要求预制体具有较小的曲率变化,目前广泛应用于大尺寸壁板边缘缝合及加强筋与蒙皮的连接缝合,缝合厚度可达20mm.
链式缝合属于单面缝合,弯月形的缝针与摆线钩针位于同一边,随着缝针沿缝线方向移动,弯针反复穿透预制体并使绕套相连,具体如图1（b）所示.链式缝合通常适用于曲率较大且较薄的预制体缝合,缝合厚度一般不超过10mm.
T u f t i ng缝合也是单面缝合的一种,缝线跟随缝针从预制体一侧穿透到另一侧,缝针退出时将缝线留在预制体内以完成缝合,具体如图1（c）所示.Tufting缝合可以缝合较厚的预制体,但由于单纯的Tufting缝合仅靠缝线与预制体内部纤维的摩擦力来留住缝线,因此一般需要辅以其他的定位方式来保证缝线留在预制体内部,提高缝合质量[3].
主要的缝合参数包括缝线种类,缝线直径,缝合密度及缝合方向等,这些工艺参数可以直接影响预制体固化后的性能[4].
选择缝合线时主要考虑缝线的强度、耐磨性、耐温性及其与相应树脂体系的匹配性,常见的缝线种类有碳纤维、玻璃纤维、凯芙拉纤维及涤纶.耐高温的凯芙拉纤维,如凯夫拉（Kevlar 29）,质轻、耐磨、韧性高,目前广泛应用与航空领域.
直径大的缝线可以更好地提高复合材料的层间损伤容限,但同时也会加大预制体内部的纤维弯曲、损伤以及制件内部缝线处的树脂堆积,从而导致制件拉伸、压缩强度的降低,因此应根据预制体结构,合理选择缝线直径.
缝合密度主要包括缝线的针距和行距2个参数,缝合密度越大,预制体内部的纤维损伤及纤维屈曲现象越严重,预制体体内部的富脂区域也越多,对制件面内性能影响也越大；反之,缝合密度越低,制件层间性能改善也越小.因此,应合理设计缝合密度,以提高复合材料制件整体性能.中航复合材料有限责任公司的赵龙等[5]研究表明,缝合密度为5 ～6针/ c m2时,材料的综合性能最佳.
预制体通常采用的缝合方向为0°、45°和90°,复合材料的拉伸强度受缝合方向的影响较大,其中,0°缝合的制件强度降低最少,而45°和90°缝合相当.
三、缝合对复合材料力学性能的影响
缝合会造成预制体内部纤维的屈曲和损伤,并在缝线处易形成富脂区,从而形成应力集中点,这是缝合导致材料面内性能下降的主要原因；但缝合会大大提高复合材料的层间损伤容抗,并且缝线的存在还会阻止裂纹的扩展等,因此缝合对复合材料力学性能的影响存在一定的复合效应.
大量的研究[6-9]表明,缝合会导致材料拉伸强度的降低,而且由于缝合本身的特性,材料的破坏模式与传统的复合材料层合板有较大的不同,并且随着缝合密度与缝线直径的增大,拉伸强度会逐渐降低.但魏玉卿等[8]和吴刚等[9]研究发现,缝合密度≤ 5 ～6针/ c m2时,材料的拉伸破坏模式主要为纤维的断裂,缝合复合材料的拉伸强度损失率不大.
缝合对材料压缩强度的影响并不是简单的增减关系,受层合板铺层设计以及缝合参数的影响,缝合复合材料层合板的压缩强度有时提高有时降低.程小全等[10]研究发现缝合使0°单向层合板的压缩性能降低较多,约达24%,但却对90°层合板的压缩性能影响极小.吴刚等[9]研究了铺层为[45/0/～45/90]4S和[90/45/90/～45/0/～45/90/45/90」2S缝合层合板的压缩性能,发现缝合对其压缩性能降低不大,而且改变缝合参数,其压缩性能还有提高的趋势,0°方向的缝合对层合板压缩性能影响最小.
许多学者发现缝合虽然使复合材料层合板的弯曲性能有所下降,但下降程度一般不会超过20%,而且缝合密度对材料弯曲性能的影响不大[11-13].但刘莉[14]在其研究中发现适当优化缝合密度可以提高材料的弯曲性能,比如缝合密度为4针/ c m2的材料,其弯曲强度比缝合前弯曲强度提高27.8%.孙其永[15]还对缝合三维编织复合材料的弯曲性能进行了系统研究,得出编织角为20°,搭接长度为70m m,中密度缝合的缝合连接三维编织复合材料试件的弯曲性能比较优异的结论.
复合材料缝合层合板的剪切强度随着缝合密度的增加呈现先升高后下降的趋势,这是由于缝合密度过大时,纤维损伤和缝线处富脂导致应力集中明显,使得层合板的剪切强度反而有所降低.缝合密度最优值的焦点取决于层合板的铺层顺序以及缝合参数[16].缝合能够显著提高层合板的G I C值,增加缝合密度,缝线强度,降低缝线的杨氏模量,增加试件的厚度及轴向刚度,均可提高试件的G I I C值.缝合能够明显降低复合材料层合板的冲击损伤,提高层合板的冲击后压缩强度（C A I）,许多试验表明,合理设计缝合参数可以使层合板的C A I提高40%以上,甚至可达到400%[9-10,17].
四、缝合技术的应用现状
缝合技术已有近30年的应用历史,它可以对复合材料结构件进行厚度方向的增强,主要用于改善复合材料结构件的损伤容限.目前,缝合设备已经从第1代人工控制的工业缝纫机,第2代计算机控制的平面缝合设备发展到了第3代多台计算机控制的多针头缝合设备,可实现多种结构的二维及三维缝合.近几年来,液体成型工艺的迅速发展,更为缝合技术的广泛应用奠定了良好的基础.无论是固体火箭发动机喷管喉衬、扩张段、延伸锥、刹车盘、螺钉、飞机机翼等都采用了复合材料缝合技术[18].
美国国家航空航天局（N A S A）的A C T计划研制了13.5m ×2.7m的缝合/ R F I半翼展机翼壁板,如图2所示,并且成功进行了200座飞机半翼展盒段地面试验.同时,波音公司还研制了用于大尺寸复杂结构件（如机身曲板）缝合的第3代缝合设备.此外,美国的空军莱特试验室和美国海军航空兵总司令部还联合制定了A L A F S计划,该计划确定了翼身整体设计、机翼结构布局、内部管路设置、机身油箱设计、梁的布置、内部筋条布置和上下大梁连续性设计等7大关键技术,缝合复合材料的R T M及R F I成型技术将是实现该计划的主要技术方案[10].
目前国内,特别是中航复合材料有限责任公司已经成功将缝合/RTM、缝合/ R F I、缝合/ V A R I技术成功应用于各类复合材料结构件,大大提高了复材结构件的层间强度、冲击阻抗以及整体性,并降低了结构件的装配成本.图3-6给出了国内研制的一些典型缝合/LCM结构件[2].
五、结语
复合材料缝合技术很好的解决了传统复合材料层间性能低,冲击损伤容限小的问题.目前国内液体成型技术已经日趋成熟,伴随着第3代缝合设备的进一步优化以及复合材料制造成本的降低,复合材料缝合技术不仅可以在航空航天领域受到重视,还将在船舶,汽车等领域得到推广,为各类结构及功能件的轻量化作出巨大贡献.
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