三維針刺技術研究進展

陳小明， 李晨陽， 李 皎， 謝軍波， 張一帆， 陳 利

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院, 天津 300387； 2. 天津工業大學 先進紡織復合材料 教育部重點實驗室, 天津 300387； 3. 天津工業大學 機械工程學院, 天津 300387)

立體織物增強復合材料主要包括三維編織復合材料、三維機織復合材料、縫合復合材料和三維針刺復合材料等，由于其優異的層間性能，在航空航天、國家防御和軌道交通等高技術領域得到較為廣泛的應用[1]。

三維針刺是立體織物的低成本制備技術，網胎中的短切纖維通過刺針帶入到織物的厚度方向，提升了織物的層間強度，且由于其自動化程度高、交貨周期短、成本低，一直以來都是國內外的熱點研究內容。1988年，Olry提出了平板織物均勻化成型技術[2]，經過30多年的發展，三維針刺技術從平板針刺成型逐漸發展到復雜異型曲面的針刺成型；面對針刺損傷問題和針刺織物厚度方向上缺乏貫穿性連續纖維等不足，低損傷針刺成型技術和多組元混雜結構等新結構的針刺成型也得到了研究人員的廣泛關注；同時，三維針刺復合材料在實驗表征、理論分析和數值模擬方面也得到了廣泛研究，為其產業化應用奠定了重要的基礎。為了更好地了解三維針刺技術的研究情況，本文闡述了三維針刺技術的最新進展，并對現有三維針刺技術發展水平和面臨的挑戰進行了總結，以期為三維針刺技術的發展提供參考。

1 三維異型針刺成型裝備

為了滿足航空航天、國家防御等領域材料降成本的迫切需求，異型三維針刺織物的應用日益廣泛，異型織物針刺成型裝備技術近年來也得到了快速發展，現有的針刺異型裝備主要包括回轉體針刺成型裝備和自由曲面織物針刺成型裝備。

1.1 回轉預制體針刺成型裝備

在平板針刺機的基礎上，研究人員對工作臺進行改進，發明了多種回轉預制體的專用針刺成型裝備。圖1(a)示出一種用于制備變直徑回轉預制體針刺成型裝備[3]，采用伺服電動機驅動曲柄滑塊機構，實現針刺往復運動，同時采用仿形針板和仿形剝網板實現仿形針刺成型，滿足多層變直徑回轉預制體的針刺生產要求，主要解決現存工藝操作過程中生產效率低、成本高等問題；圖1(b)示出一種臥式圓柱形回轉體針刺機[4]，通過采用剝網運動執行器和壓力傳感器，實現剝網板在線壓力監測及調節，有效控制針刺產品密度，實現高精度針刺成型，適用于等直徑回轉體針刺成型；封頂織物的針刺成型設備也得到了廣泛關注，如異形截面立體織物針刺機[5]，集成球面針刺裝置和平面針刺裝置，其中球面針刺裝置用于封頂織物的頂部針刺成型；碳纖維坩堝預制體制備的針刺機[6]，采用伺服電動機作為動力，針刺角度可控，能夠滿足不用外形坩堝的針刺成型，以及導彈殼體的專用針刺機[7]，取代了人工操作使得生產效率大大提高，確保尺寸精度的同時達到量產的要求。上述異型針刺機多是在傳統平板針刺上進行結構改進，采用大型的針板進行針刺成型，效率較高，但是專用性強，織物構型的適應性有限，通常需要針對特定織物構型進行量身設計。

圖1 回轉體專用針刺成型裝備Fig.1 Special needle punching equipment for rotary preform.

為了提高異型針刺機對預制體品形的適應性，研究人員開發了柔性針刺機技術[8-9]。圖2為多軸聯動回轉預制體柔性針刺機[8]。針刺頭通過伺服電動機控制擺動，適應性強，可實現多品形變截面回轉體預制體的針刺成型。同時，提出了用于無芯模的回轉預制體針刺成型的支撐裝置[10]，可有效針對飛行器天線罩等封頂織物無芯模區的針刺成型。

圖2 回轉體柔性針刺成型裝備Fig.2 Flexible needle punching equipment for rotary preform

1.2 自由曲面織物針刺成型裝備

基于六關節機器人的針刺設備可很好地滿足自由曲面織物的針刺成型，如圖3所示。一種針刺機器人裝備[11-12]，包括六關節工業機器人、氣動針刺頭和回轉工作臺，可滿足復雜曲面織物的三維針刺成型；另外，研究人員初步建立了針刺機器人路徑規劃方法[13]，實現了針刺機器人的位姿計算，以及機器人可執行程序的輸出，然而，商用的針刺路徑規劃CAD/CAM軟件技術仍需深入的研究。

圖3 自由曲面針刺機器人Fig.3 Needle punching robot for free-form surfaces preform

此外，為進一步提高針刺成型質量和滿足復雜小型預制體織物針刺成型，帶力反饋的針刺機器人工作臺[14]、用于小批量多品形小型針刺織物針刺成型的手提氣動針刺槍[15]，以及基于紗線針刺的織物增材制造技術[16](如圖4所示)得到了研究人員的廣泛關注。

圖4 針刺織物3D打印機Fig.4 3D printer for needle-punched fabric

雖然異型織物自動化針刺成型技術得到了較快的發展，適用于復雜自由曲面預制體的機器人針刺技術也得到了初步研究。然而，通用的針刺機器人軌跡規劃CAD/CAM軟件技術尚不成熟，已成為復雜曲面預制體快速、高質量針刺成型織造的卡脖子問題，亟待突破。面對復雜預制體高質高效的針刺成型需求，急需構建機器人新型智能針刺頭，實現剝網板壓力和針刺深度的實時調控；需要建立針刺頭刀庫以及快換系統，實現基于分區的高效針刺成型；同時，突破多工位、多機器人高效協同針刺織造智能生產線關鍵技術，集成針刺過程智能檢測和基于針刺力大數據的針刺織物性能智能評價，實現針刺自動化到針刺智能化的跨越發展。

2 三維針刺刺針

三維針刺刺針的構型和織物的成型質量有密切關系，根據所用纖維原材料和最終產品所需特性，需要采用不同長度、工作部位形狀及鉤刺分布與性能的合適構型針型。常見的刺針主要有：標準三角形刺針、漸變鉤刺針、錐形針、Cross STAR?(星形四角)、Tri STAR?(星形三角)、水滴形針和Twisted等[17-18]，如圖5所示。其中，標準三角形刺針能夠滿足各種用途預制體的針刺成型，適用范圍廣；漸變鉤刺針和錐形針適用于預刺及天然纖維、再生纖維及高韌性纖維(如對位芳綸)的針刺；Cross STAR?主要應用于面料厚重的土工布及對各向同性要求較高的場合；Tri STAR?應用于對抗撕裂強度要求嚴格的土工布(產品面密度較輕)；水滴形針通常適于有底布的加工，如過濾氈或用于家具裝潢面料的針刺。

圖5 格羅茨-貝克特刺針截面Fig.5 Cross section of Groz-Beckert needles

為了提高針刺成型質量，科研人員不斷開展新型刺針的研發，包括正刺刺針[18]、活動刺鉤刺針[19]、雙向刺鉤刺針[20]等。圖6(a)示出一種正刺刺針[18]。針葉上的刺鉤為正向刺鉤，即刺鉤的開口方向朝向針柄的方向，在針板上將此刺針與原有倒刺刺針呈交錯狀放置，保證針刺機的刺針進出纖網時都有刺針對其進行鉤刺固結，大大提高了工作的效率，節省了能源消耗，提高了經濟效益；活動刺鉤刺針[19]如圖6(b)所示。該針帶有活動的針鉤，在穿入布體時將針鉤放置在針體針尖部位，避免對布體表面造成破壞，刺針退出布體時將針鉤展開，便于使布體內部纖網更好的纏結，減少了在刺入布體時因針鉤的阻力使其發生彎曲的可能性，延長了刺針的使用壽命；圖6(c)示出具有雙向刺鉤的刺針[20]。刺鉤有正向和反向，分布在針葉上，中間設置的弧形凸起將二者間隔開，刺針在刺向和退出纖網時連續起到鉤刺固結的作用，使針刺效率得到大幅度提升；此外，研究人員為了提高針刺效率，提出了一種高效刺針結構[21]，當刺針向下運動刺入纖維網內，頂針接觸到工作平臺后受到阻力壓縮，促使齒軌帶動主齒輪轉動，推動刺針外殼旋轉，刺針外殼旋轉使得更多的纖維絲纏繞到螺旋葉上，從而提升了針刺效率，由于刺針結構復雜和尺寸的限制，具體實現較為困難。

圖6 新型三維針刺刺針Fig.6 New three-dimensional needle punching needles.

圖6(d)示出橢圓形截面的刺針[22]。在針刺過程中，這種橢圓截面可把經紗和緯紗撐開，降低刺鉤與其接觸的可能性，減少對基布的損傷。

通過刺針刺鉤的雙向設計，可提高厚度方向纖維的帶入量，提高針刺成型效率；橢圓截面刺針，可有效減小針刺對基布的剪切損傷。然而，針刺損傷一直是共性難題，發展新型低損傷智能刺針，基于智能材料，通過光、電、熱或磁場實現針刺過程中刺針鉤刺的可控智能開合，建立新型智能刺針的設計理論與方法，突破預制體低損傷針刺成型，有待探索。

3 三維針刺織物結構

近年來，研究人員提出了多種三維針刺織物的新結構，主要包括多組元混雜針刺織物、仿形針刺織物、梯度針刺織物和針刺/縫合耦合織物等。

通過調控織物的組分，包括織物的材料組成、材料的質量比，采用多組元混雜針刺成型，可滿足針刺織物增強復合材料在不同應用場景下的結構功能一體化要求，如圖7所示的碳纖維/金屬復合針刺織物[23]。該織物是將結構單元層疊置進行多次、多角度接力針刺制備而成，其單元層包括碳纖維平面織物、碳纖維網胎和金屬材料，采用該增強織物制備出的復合材料具備優良的層間性能和導電性能，是電動力機車和無軌電車饋電用復合材料的首選材料。

圖7 多組元混雜針刺織物Fig.7 Multi-component hybrid needle punched fabric

依據織物的構型，設計連續纖維的鋪放路徑，實現仿形織造，整體提升織物及其復合材料的性能，如圖8所示。一種仿形立體織物[24]，包括X-Y平面仿形單元層和貫穿所述X-Y平面仿形單元層的Z向纖維束，X-Y平面至少包含一層仿形連續纖維層，面內力學性能好，同時通過Z向針刺纖維束，實現了X-Y平面仿形單元層之間的有效連接，該仿形立體織物可作為新型飛行器的承力件。

圖8 仿形針刺織物Fig.8 Contoured needle-punched fabric

此外，通過針刺織物的變密度梯度設計，滿足針刺復合材料的承載、防熱要求，同時有效的減重，是當前針刺復合材料的一個重要研究方向。一種可調控其密度的針刺織物[25]，如圖9(a)所示。針刺過程為將單元層逐個疊放針刺成型，每個單元層是由至少2層、且其中至少1層含有水溶性纖維構成。由于織物不同區域對密度有著不同要求，要先通過添加水溶性纖維制成等密度的織物，之后再通過溶解掉水溶性纖維來實現對密度的調控；圖9(b)為不同密度層構成的針刺織物[26]，表現為由外向內，密度逐層遞減，廣泛應用于航空、航天等領域中，如高速飛行器外殼部分，或者密度由內向外逐層遞減的，如發動機的噴管部分。

圖9 梯度針刺織物Fig.9 Gradient needle punched fabric.

雖然網胎中的短切纖維通過刺針帶入到織物的厚度方向，提高了織物的層間性能，然而，針刺織物缺乏全厚度的貫穿性連續纖維，其層間性能有待加強，針刺和縫合耦合是進一步提高針刺織物層間性能的有效手段。針刺/縫合耦合織物在剎車盤和飛行器天線罩已得到了成功的應用。

綜上，三維針刺技術適用于各種形狀織物(或預制體)的成型制備。然而，現有的三維針刺織物的體積密度相對較低，高體積密度、高性能保持率的針刺新工藝有待探索；同時，為了適應更為復雜的應用場景，滿足結構功能一體化的要求，三維針刺織物需要進一步朝著多組元材料、仿形、變密度梯度結構、針刺/縫合或針刺/編織耦合等異構化方向發展。

4 三維針刺復合材料

4.1 三維針刺復合材料的力學性能

三維針刺復合材料廣泛的應用于熱防護系統和熱場材料，近年來國內外研究人員從高溫拉伸、高溫彎曲、高溫壓縮和沖擊等方面開展了廣泛的研究。研究人員針對三維針刺C/C(碳/碳)復合材料，設計了不同溫度下材料的彎曲性能實驗研究[27]，結果表明：三維針刺C/C復合材料具備良好的抗彎曲性能，載荷-撓度曲線在400 ℃以下表現出彈性、脆性失效形式，而讓溫度繼續升高的情況下，曲線呈現出明顯的韌性和塑性失效。針刺C/C復合材料的高溫剪切性能實驗研究表明：在一定范圍內，材料剪切強度隨溫度升高而增加，在室溫下，針刺C/C復合材料表現為纖維拔出及斷裂的破壞形式；在高溫下，纖維與基體界面緊密結合，少量纖維拔出，發生脆性斷裂破壞[28]。不同溫度條件下針刺C/C復合材料的拉伸、壓縮實驗研究結果顯示：針刺C/C復合材料拉伸、壓縮強度均隨溫度升高而先升高后降低，拉、壓模量均隨著溫度的升高而呈現線性下降[29]。除了高溫拉伸、壓縮和彎曲性能， 三維針刺C/C復合材料的高溫和高速沖擊性能研究結果表明[30]：當面板厚度為3 mm時，三維針刺C/C和Inconel每單位質量吸收的能量幾乎相同，然而三維針刺C/C復合材料可承受的溫度是Inconel板的2倍，且密度低4.4倍；此外，研究人員通過X-CT(計算機X線斷層掃描)和數字體積關聯技術，原位觀測了三維針刺C/SiC(碳/碳化硅)復合材料的壓縮過程[31]，研究結果表明：三維針刺C/SiC復合材料的壓縮破壞失效受微觀結構的影響，這主要歸因于針刺加工導致的固有缺陷； 在面外壓縮中，高強度來自針刺引入的厚度方向纖維的穩定作用，這在抵抗基布和基體之間的界面裂紋擴展方面非常有效。

4.2 理論分析和數值模型

針對三維針刺C/SiC復合材料的非線性力學行為，研究人員建立了組合彈塑性損傷模型[32]，該模型可以準確地描述三維針刺復合材料偏軸拉伸和剪切非線性應力應變行為。 基于剪滯與有限差分法模型[33]，研究人員研究了針孔尺寸和分布對三維針刺復合材料應力分布的影響，結果發現在疊層循環針刺過程中，每個針孔的擴大，特別是斷纖維的積累，是導致高針刺密度條件下抗拉強度降低的主要原因；結合三維針刺復合材料的內部特征和實驗觀測結果，通過貝葉斯推斷方法建立了針孔間距和纖維損傷的關系[34]，可用于構建具有不同針刺工藝的三維針刺復合材料的材料設計數據庫。

在數值模擬方面，科研人員基于三維針刺復合材料的細觀結構，建立了數值分析模型，較為深入地研究了三維針刺復合材料的變形和失效機制。YU等[35]基于micro-CT技術構建了針刺C/C復合材料數值模型，通過有限元分析方法揭示了單軸拉伸和壓縮的失效機制，研究結果表明：在單軸加載下，復合材料基體損傷首先發生并快速擴展開，纖維束損傷總是出現在針刺點位置，并沿著垂直于單軸加載方向擴展，數值計算的應力-應變曲線和實驗值高度吻合，多軸載荷的數值模擬有待深入研究。此外，研究人員提出了不同的單胞模型[36-38]進行剛度預報，如基于纖維的代表性單胞模型[36]，以通過分層建模方案來預測三維針刺C/C復合材料的彈性常數，以及基于圓弧梁和拉伸彈簧單元的單胞模型[37-38]，采用圓弧梁單元表征損傷的纖維束，拉伸彈簧單元表征層間的針刺纖維束，拉伸和彎曲的數值預測結果與實驗較好吻合。關于三維針刺復合材料的強度預報相對較少。

針對三維針刺復合材料，國內外科研人員通過實驗表征、理論分析和數值模擬的方法開展了廣泛的研究，然而三維針刺復合材料常常被用在高濕、高熱及氧化的環境中，還需要進一步深入探究在多場耦合條件下三維針刺復合材料的力學行為、熱物理性能和破壞失效機制；另一方面，三維針刺復合材料的結構較為復雜，目前多通過細觀結構觀測進行有限元建模，基于虛擬纖維模型和針刺工藝數值模擬進行針刺織物建模[39]，再深入開展針刺復合材料性能有限元分析，有待進一步系統的研究。此外，基于人工智能算法[40]和針刺復合材料的結構特征，預測針刺復合材料的性能，也是值得研究的課題。

5 結束語

國內外科研人員對三維針刺自動化裝備、刺針刀具技術、三維針刺織物及其復合材料開展了廣泛的研究，取得了豐富的研究成果。發明了回轉結構和自由曲面預制體的柔性針刺成型裝備、提出了多種低損傷新型刺針、發展了多種新型針刺織物結構。同時，通過先進的實驗測試手段、理論分析和數值模擬方法對三維針刺復合材料進行表征，明晰了變形和失效機制，為其產業化應用打下了扎實的基礎。為進一步推動三維針刺技術的發展，未來還需要從以下幾方面開展深入的研究。

1)通用的針刺機器人軌跡規劃CAD/CAM軟件技術尚不成熟，已成為復雜曲面預制體快速、高質量針刺成型織造的“卡脖子”問題，亟待突破。

2)發展新型低損傷智能刺針，基于光、電、熱或磁場實現針刺過程中刺針鉤刺的可控智能開合，建立新型智能刺針的設計理論與方法，突破預制體高質量針刺成型，有待深入的研究。

3)相比三維編織物、三維機織物和縫合織物，三維針刺織物的體積密度相對較低，高體積密度的針刺新工藝有待探索；為了適應更為復雜的應用場景，滿足結構功能一體化的應用要求，三維針刺織物需要進一步朝著多組元材料、梯度結構、仿形結構、針刺/縫合或針刺/編織耦合異構化等方向發展。

4)三維針刺復合材料常常被用在高濕、高熱及氧化的環境中，還需要進一步深入探究在多場耦合條件下三維針刺復合材料的力學行為、熱物理性能和破壞失效機制；此外，由于三維針刺復合材料的結構較為復雜，目前多通過細觀結構觀測進行數值建模，進一步基于虛擬纖維模型和針刺工藝數值模擬進行針刺織物建模，開展針刺織物及其復合材料性能數值分析，建立優化模型，構建材料數據庫，有待系統深入的研究。同時，基于人工智能算法和材料的微細觀結構，預測針刺復合材料的性能，有待探索。