大型機器縫合復合材料技術
時間:2006-03-02
縫合織物增強復合材料是用高性能纖維縫線將多層二維纖維織物縫合在一起，經復合固化而成的紡織復合材料，它通過引入貫穿厚度方向的纖維來提高抗分層能力，增強層間強度、模量、抗剪切能力、抗沖擊性能、抗疲勞能力等力學性能。采用縫合復合材料可以提高復合材料制件的力學性能，從而滿足新型制件的要求。
航天科工集團第三研究院第306研究所為了進一步減輕新型號用的尾艙和天線罩的結構重量，改善和提高其性能，克服傳統的縫合復合材料層間強度低的弱點，為了保證這兩個制件的質量和數量，特委托天津工業大學研制滿足要求的縫合復合材料制件。為此，國防科工委給天津工業大學下達了“大型構件機器縫合復合材料研制”這一重點科研項目。
主要內容
1.研制成功了“曲面殼體預制件縫合設備”和“高性能纖維織物對接縫合設備”，解決了縫合紗線張力控制、基布低損傷均勻進給等關鍵技術，使之適合高性能纖維縫線和高性能基布的縫合。
2.全面研究了縫合復合材料預制件的縫合工藝。
（1）對縫合類型、縫合針距進行了優化，確定了縫合的最佳工藝。（2）研究出圓周三等分、層片分組預縫合、對接縫合、加固縫合等縫合技術和變形鎖式線跡縫合工藝，解決了表面為不可展開雙曲弧面殼體預制件的縫合難題。實現了用碳纖維二維機織物做基布、用芳綸纖維做縫線縫合出表面為不可展開弧面殼體復合材料的整體預制件。
3.優化并確定了三維整體編織加強筋條預制件的編織工藝，完成了三維編織加強筋條預制件的編織。
4.完成了適用于高性能樹脂的高溫樹脂傳遞模塑（ResinTransferMolding，RTM）設備的研制。
5.優化了采用RTM技術制造三維紡織復合材料制件的工藝:
（1）采用RTM工藝樹脂流動模擬技術，分析和研究了三種不同樹脂的粘度、注入溫度、注入壓力對樹脂充模過程的影響，解決了模具注入口、排氣口的設計，優化和確定了三種不同樹脂RTM的充模工藝。（2）分析和研究了三種不同樹脂的固化過程、適用期和工藝性，確定了不同樹脂的固化制度。（3）制造了脫模工裝設備，確保復合材料制件脫模時不受損傷。
性能指標
研制出縫合復合材料制件和其他三維紡織復合材料制件共550余件。研制的縫合復合材料制件的性能達到或超過預期要求，經測試，縫合復合材料試件具有較高的拉伸強度和模量，環氧樹脂基碳纖維二維機織布縫合復合材料，在纖維重量含量超過55%時，其強度達到了639.2MPa，拉伸模量達到了74GPa。
縫合復合材料尾艙達到了使用要求，通過了靜力試驗，重量較金屬尾艙減輕35.5%。
石英纖維縫合天線罩預制件的纖維體積含量、與模具的符合性、結構尺寸等滿足使用要求。
天津市科學技術信息研究所針對“表面為不可展開弧面的機器縫合復合材料的制造方法”檢索了19個國內外數據庫后，得出結論：在檢索的范圍內，國內未見采用機器縫合復合材料并形成不可展開弧面的報道；國外已分別檢到機器縫合三維復合材料預制品以及具有不可展開弧面的復合材料縫合制品的文獻報道，但未見與該項目機器縫合二維機織物制造不可展開弧面復合材料相同的文獻報道。
應用前景
縫合復合材料具有以下特點：良好的層間性能；低成本、高效率；可設計性和加工性。縫合可應用于復合材料的連接，代替傳統的機械和黏接技術，提高構件的整體性能。所以，縫合復合材料具有很好的應用前景。
本項目形成了一套實現表面為不可展開弧面的錐套體的機器縫合復合材料制件的縫合工藝和設備，形成了一套實現樹脂基三維紡織復合材料復合固化的樹脂傳遞模塑（RTM）工藝和設備。為我國在航天、航空、以及其他領域中使用高性能縫合復合材料和RTM技術奠定了堅實的基礎。 (本文已被瀏覽
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