E.Schmidt, A.Abdkader, C.Cherif

德累斯頓工業(yè)大學 紡織機械與高性能材料技術研究所(德國)

目前，新產(chǎn)品在輕型結構、材料利用率、減少溫室氣體排放、日益增長的安全性和更高的性能需求等方面都要求具備一定的梯度特性和相關的生產(chǎn)加工技術。傳統(tǒng)的復合材料僅使用一種高性能纖維作為增強體，其承載力僅局限在某一范圍內。多種高性能纖維增強體的常規(guī)組合方式包括在宏觀[層間組合，圖1a)左]和中觀[(層內組合，圖1a)中]水平進行纖維的混合，使其在增強體中具有分層或混雜的結構。但這種混合方式會使復合材料分層而降低其力學性能。應用在航空領域的材料通常將玻璃纖維和鋁箔增強環(huán)氧樹脂(GLARE)進行交替堆疊復合。因各層厚度(0.2～0.3 mm)較小，因此，這種復合材料的制造成本極高。ITM推出的材料混雜復合是將高性能纖維和具有良好沖擊性能的金屬纖維根據(jù)需求進行特定的組合。這一復合技術的特點是各纖維在微觀層次上的混雜[纖維間組合，圖1a)]，避免材料在使用中出現(xiàn)分層現(xiàn)象，并顯著提高復合材料的力學性能。此外，ITM提出的這一復合技術所采用的金屬纖維由低成本的刨光金屬纖維組成，它與高性能纖維采用高效率的噴氣技術進行復合，可大幅降低材料的制造成本并實現(xiàn)廣泛的技術應用。

1 開發(fā)新型混雜紗線的概念

用于開發(fā)新型混雜紗線的材料主要為2種或3種不同類型的纖維。纖維的選擇取決于紗線增強體的類型。纖維增強體大都選用高性能長絲紗線或金屬纖維。在復合材料的制備中，高性能長絲紗(主要是玻璃長絲紗線)用作低密度的高強度組分，而金屬纖維(主要是低成本的刨光不銹鋼短纖維)則用作延展性組分，以顯著改善復合材料的耐損傷性能。ITM的這一項目首次實現(xiàn)了纖維在微觀水平上的混雜制備了具有較高耐損傷性的復合材料，如圖1a)右所示。這種新型材料是將含有雙纖維組分的混雜紗線增強體與滿足局部載荷要求的基體材料按一定的體積比進行復合。若使用熱塑性纖維作為基體，則需將熱塑性纖維直接混合到混雜紗線中，并在固化過程中形成較短的塑性基體流動路徑以阻止空氣進入，從而實現(xiàn)良好的復合性能。對于熱固性復合材料，混雜紗線僅由兩種增強纖維組成，高性能纖維和金屬材料可在宏觀或中觀層間進行混雜，如圖1a)左和圖1b)所示。與以往的宏觀或中觀層間混雜技術相比，本研究在微觀水平上實現(xiàn)的纖維混雜具有顯著的優(yōu)勢。

圖1 單向增強纖維混雜復合材料和纖維金屬層壓板的混雜

據(jù)統(tǒng)計，纖維在微觀水平達到所需的均勻混雜狀態(tài)時，材料的表面積將增加100倍。因增強纖維具有不同的剛度，纖維微觀水平的混雜可大幅降低復合材料界面失效的風險，因此，這種方法制得的復合材料具有大規(guī)模開發(fā)和應用的潛力。

2 混雜技術的概念

理想的纖維微觀混雜是通過噴氣復合技術實現(xiàn)的。ITM采用RMT D型噴氣變形機(H. St?hle公司，圖2)實現(xiàn)新型高性能纖維和金屬紗線的混雜。項目組對這一混雜工藝進行了廣泛的探究，從而使不同類型、密度和剛度的纖維可以均勻、柔和地混雜在一起。由圖2可知，在高性能纖維和金屬紗線混雜制備過程中，長絲紗線1首先通過從動輥4(長絲紗線喂入?yún)^(qū))直接喂入噴氣箱5中。然后，一定細度和高開松度的金屬短纖維紗條2通過牽伸系統(tǒng)3直接輸送到空氣噴嘴的出口。在高速氣流作用下，具有較大剛度和密度的金屬短纖維紗條被抓取并以限定的方式與長絲紗線混合。因此，金屬短纖維紗可連續(xù)且均勻地混雜到長絲紗結構中，從而制得具有高混合度的混雜紗線。分紗輥6用來分配混雜紗線。混雜紗線通過固定裝置7激活紗線中的熱塑性纖維組分，從而使紗線結構固定并確保紗線具有較高的混合度。最后，將制備好的混雜紗線纏繞到紗管8上。

圖2 用于實現(xiàn)新型高性能纖維和金屬紗線混雜的噴氣變形機

ITM研發(fā)的這一復合材料混雜工藝旨在實現(xiàn)3個主要目標。一是追求高混合度，為此，需將各纖維組分以很高的開松度喂入混合裝置中，需根據(jù)混雜紗的特殊性能要求調節(jié)噴氣變形機的氣流，以確保短纖維有足夠的動能與長絲紗進行混合。二是確保纖維的低損傷度，從而使復合材料具有較高的力學性能。為此，在噴氣變形機中，氣流需以與纖維的剪切靈敏度相適應的角度輸入，并降低空氣的壓力，避免混雜紗形成高度密實的區(qū)域。通過使用單獨的工作元件7可提高紗線的黏結力。三是實現(xiàn)纖維的高取向度排列，尤其是高性能纖維，從而滿足復合材料設計時所需的載荷，提高復合材料的力學性能。項目組同時開發(fā)了特定的導向元件，并優(yōu)化了噴氣變形機中氣體的流動模式。

3 HiMeJet型噴嘴

大量研究表明，常規(guī)的噴嘴不能滿足這一新型混雜工藝的生產(chǎn)需求，因此ITM項目組開發(fā)了一種特殊的HiMeJet型噴嘴，用于同時加工金屬短纖維和高性能長絲紗線。金屬短纖維和長絲紗線的射流專利是開發(fā)HiMeJet型噴嘴的基礎，同時考慮了不同纖維組分在密度和剛度方面的巨大差異。纖維在HiMeJet型噴嘴中的運動通過Solidworks輔助軟件中的數(shù)值流體力學仿真模擬(嵌入在Solidworks的3D-CAD中)。該噴嘴包含壓縮空氣流入?yún)^(qū)、長絲紗線喂入?yún)^(qū)和拉瓦爾區(qū)3個區(qū)域，如圖3所示。

圖3 用于加工金屬短纖維和高性能長絲紗線的HiMeJet型噴嘴

根據(jù)氣體流動方向設計的第一區(qū)域為壓縮空氣流入?yún)^(qū)(藍色)，可將空氣流均勻地供應至拉瓦爾區(qū)。壓縮空氣在無湍流的情況下翻轉90°進入拉瓦爾區(qū)。

同時，高性能長絲紗線經(jīng)長絲紗線喂入?yún)^(qū)(綠色)緩慢喂入拉瓦爾區(qū)。這種高性能長絲紗線通常對剪切力非常敏感，因此可通過封裝來保護其免受垂直壓縮空氣的影響，只有當氣流沿著與紗線導入方向平行的方向流動時，紗線才會暴露在壓縮空氣中。在拉瓦爾區(qū)，空氣最初被導入?yún)R聚、縮小的區(qū)域，然后再流經(jīng)發(fā)散、擴大的區(qū)域，最終運行速度高達600 m/s，從而獲取了足夠的動能，使噴嘴出口處高剛度、高致密度的金屬短纖維發(fā)生偏轉。另外，在發(fā)散和擴大區(qū)域，高性能長絲紗線能均勻地分布在增大的橫截面上，從而在短纖維喂入?yún)^(qū)和噴嘴出口處實現(xiàn)了金屬短纖維和高性能長絲紗最大程度的均勻混合。

4 結語

由高性能纖維(如玻璃纖維)和金屬纖維(如不銹鋼絲)組成的新型混雜紗線具有廣闊的應用前景，可大幅提高復合材料的耐損傷性。

ITM的項目研究優(yōu)化并提高了復合材料的力學性能，首次在微觀層面實現(xiàn)了各纖維的均勻混合，降低了纖維損傷度，并提高了混雜紗線中各纖維的取向度。項目組對這種混雜紗線的加工技術進行了建設性的實施和廣泛試驗，制備出含有高性能混雜紗線的復合材料。這種新型復合材料在耐損傷性和制造成本方面具有顯著優(yōu)勢，可作為一種新材料在相關領域廣泛應用。