高級復合材料的抗皺新方法

高級復合材料的抗皺工藝一直是該行業發展的瓶頸問題。全球業界都在此領域展開不懈的努力研究。

現代復合材料產業的誕生要追溯到20世紀60年代，那時人們發明了芳綸和碳纖維在內的高性能連續纖維。多年來，這類纖維的可用性日益提升，加之擁有了高比強度和剛度特性，使一系列先進的工程結構在航空航天和汽車領域得以迅速應用與發展。

基于不同基體體系（通常是聚合物）的連續纖維增強復合材料，其結構性能可以根據具體的設計要求、工藝條件和制造方法進行調整。例如，與鋁相比，基于碳纖維的聚合物基復合材料部件的定制設計可使其重量降低30%，甚至與鋼材料相比降低了70%。

不過，要制造出高品質、可靠的纖維復合結構卻困難重重，這與增強材料的連續性直接相關。特別是用紡織形態制作具有一定幾何復雜性的結構時，如雙彎曲部件，這一弱點更加凸顯。

這些制造問題也引發業界地干（未固化）增強體及其固化體的變形和成型機理進行研究。從20世紀70年代后期起到現在，各種不同形式材料的研究仍在繼續，相關的自動化成型工藝也在不斷發展，并且制造工藝也日益復雜化。

復合材料制造面臨挑戰

隨著單向纖維復合材料的成功應用，多向纖維的復合材料也在改變產品設計的速度、強度及成本。目前用于制造紡織纖維材料和預成型材料及在模具中的精確定位的技術，通常與高科技應用有關，這些應用要求部件的公差較低才能通過質量測試。

另一方面，現有的紡織纖維類型和結構、生產技術及其廣泛的組合領域，其優化的通用設計策略與成型過程模糊不清，而以下挑戰目前被認為是與紡織復合材料產品和預制件的高效和可再生制造最為相關:（1）通過正確選擇織物材料及其鋪層，優化制造步驟的設置及廢物管理，如采用近似純潔凈化的生產方法和對干燥和預浸漬織物進行無缺陷處理，從而減少缺陷且降低生產成本；（2）實現高保真的仿真工具，在復雜的三維形狀零配件成型方面尤為如此。

紡織復合材料的生產過程中，一個主要的難題就是起皺，設計師認為這是質量問題的關鍵，因為起皺會導致最終結構的力學性能和使用壽命降低80%，可能會給公司造成巨大的經濟損失。起皺的嚴重程度受各種制造因素影響，包括模具選擇、材料特性、疊層結構、刀具與零件的相互作用以及加工設備的質量等。

在本質上，尖角或緊固件邊緣（對成型性要求較高之處）產生過較大的剪切角會導致交織纖維產生屈曲，降低相鄰層間的層間粘合力。因此，了解制造過程的每一步和材料系統的成型機理是減少這些褶皺和控制最終部件性能的關鍵。

預測模擬模型的成功方法

當前，幾乎已非常接近地預測，在紡織復合材料時需施加何種適當的力才能減少終端產品的褶皺，即通過在織物邊緣施加適當二維邊界的方法即可實現，然后使用工具使其與實際的三維場景形成關聯。

加拿大哥倫比亞大學（UBC）研究人員提出一種新的方法以研究紡織復合材料的起皺／去皺形態。相關研發人員最近在該校奧肯那根（Okanagan）校區的復合材料研究網絡實驗室進行了多步驟測試，即依靠雙軸夾具框架進行測試，該測試可評估在不同剪切角度下形成的不同尺寸平滑的褶皺所需力的大小。

專業圖像處理和三維掃描使分析所需的力可凸顯它對材料起皺和去皺形態造成的影響。該項目負責人博士生阿明·拉希迪（Armin Rashidi）表示，他們對梭織物起皺和去皺特性的分析揭示了一種新的現象，即紗線幾何形狀或生產過程中的不可控來源等各種參數影響起皺形態。

他們認為可建立與二維特征相關測試和實際的3D機織物的成型操作模式，進而可基于修改壓邊模具或壓邊框的幾何形狀，實現數字模擬設計的精確去皺。事實證明，預測數值模型可減少成型優化過程中的試驗和誤差。

另一種測試設備稱為復合材料的“數字孿生體”，它可精確預測褶皺的大小和形狀。通過數字模擬實現所提及的去皺方法。全世界都有多個團隊在進行這類研究。值得一提的是，哥倫比亞大學的研究人員最近推出一種混合建模框架，用于預測三維表層織物的成型模式，它具有無與倫比的時間效率。在這種混合框架下，他們實施了多步驟優化設計方法，其中基于運動學的可初步模擬產生褶皺的部分區域，以及相應的剪切角范圍，然后完整的有限元模型可進一步精確捕獲褶皺的位置和大小。

該研究的下一步是，進行張力輔助成型試驗和改進壓邊幾何概念，在成型過程中施加最佳邊界力，從而幫助實現最低成本的“被動”減皺。

抗皺新工藝前景一片光明

新的復合材料工藝正在改變產品在先進制造領域的設計和建造方式。輕質復合材料結構的制造趨勢及其自動化制造過程表明，這類材料的需求正在增加；為提高資源效率，減少二氧化碳排放和開發能以絕對新穎的想法滿足消費者需求的組件，正是復合材料研發的重要基礎。然而，紡織復合材料的制造商更傾向于尋找新的方法以確保最終產品無缺陷，尤其是起皺方面，因為它會效降低其力學性能。

目前，隨著高保真仿真工藝的不斷研發，依靠定制測試設備和表征夾具，控制合理的成形系統進行模擬研究，全球業界這方面的能力都在不斷提高。隨著這一領域的不斷創新，包括更多的聚合物樹脂和織物增強材料的出現，新型成型裝置不斷涌現，進一步的研究為制造商提供了最新的分析方法，它特別促使在不同加工周期下多層織物復合材料的成型水平上升到更高的水平。

此外，隨著傳感嵌入式特征和覆蓋方法的持續發展，業界認為，高級復合材料的褶皺問題，無論是宏觀還是微觀方面的加工工藝，其基本成型機制下的創新研發都將為這一領域帶來福音，因為在不久的將來，復合材料4.0版將為此開辟解決問題的新興途徑，利用可靠的數字化來完成成型過程，促使褶皺問題完美解決。

（據美國《高級紡織資源》網https://advancedtextilessource.com/2018/08/06/tacklingwrinkling-in-advanced-textile-composites/近期資料）