1 引 言
材料是社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，而新材料則是社會進(jìn)步的重要里程碑。21世紀(jì)是復(fù)合材料飛速發(fā)展的時代。三維編織復(fù)合材料作為復(fù)合材料的一個領(lǐng)域，是以三維整體織物作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型織物復(fù)合材料。隨著纖維復(fù)合材料編織技術(shù)的不斷發(fā)展，編織復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能逐漸顯示出較強(qiáng)的競爭力。RTM工藝則是綜合性能最好的一種成型工藝，和其它傳統(tǒng)復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)相比，RTM有許多優(yōu)點(diǎn)：能夠制造高質(zhì)量、高精度、低孔隙率、高纖維含量的復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件，是成型三維整體編織構(gòu)件的有效方法。RTM-三維編織技術(shù)融合了RTM與三維編織各自的特點(diǎn)，從而使制品具有更加優(yōu)異的性能。以RTM工藝制作的三維整體編織復(fù)合材料，可大幅度提高層間剪切強(qiáng)度和整體損傷容限，使復(fù)合材料由原來的次承力結(jié)構(gòu)件成為主承受構(gòu)件之一。
2 RTM工藝及發(fā)展
RTM是樹脂傳遞模塑工藝的縮寫(Resin TransferMolding)，一般指在模具的型腔里預(yù)先鋪放增強(qiáng)材料，合模后，在一定的溫度和壓力下將樹脂注入模具，浸漬織物增強(qiáng)體并固化，最后脫模得到制品的一種工藝。RTM成型工藝是從濕法鋪層和注塑工藝演衍生出來的一種新的復(fù)合材料成型工藝，是目前航天航空先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展方向之一。運(yùn)用于航天產(chǎn)品的RTM成型工藝制造的復(fù)合材料，其使用的纖維增強(qiáng)體采用編織成型，產(chǎn)品價格較高，但隨著國內(nèi)多家企業(yè)對編織技術(shù)、編織機(jī)械的大力發(fā)展，編織體的價格已大幅下降，為RTM成型技術(shù)在航天產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用提供了可能。RTM技術(shù)是一種適宜多品種、中小批量、高質(zhì)量復(fù)合材料生產(chǎn)的成型技術(shù)，近年來得到聲迅速發(fā)展。美國國家宇航局對RTM給予了高度重視，并認(rèn)為該技術(shù)是制造結(jié)構(gòu)材料的一種成本低、效益好的方法。RTM與纏繞、拉擠等幾種復(fù)合材料制備技術(shù)的綜合比較見表1。從表1可以看出，RTM在這幾項(xiàng)低成本制造技術(shù)中的綜合優(yōu)勢是明顯的。
進(jìn)入21世紀(jì)后，RTM技術(shù)朝著高技術(shù)、多領(lǐng)域方面發(fā)展，伴隨而來的是清潔、自動、快速、低成本、高質(zhì)量的復(fù)合材料制造技術(shù)和低壓力、低投資的設(shè)備及模具。進(jìn)一步研究缺陷形成機(jī)理和影響因素，建立高效、準(zhǔn)確的RTM成型工藝過程和模擬模型、相關(guān)軟件和技術(shù)的進(jìn)一步完善，可使其對實(shí)際制造過程具有準(zhǔn)確的預(yù)測、指導(dǎo)和實(shí)時控制功能，以保證構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量，降低材料孔隙率，提高纖維體積含量。RTM技術(shù)發(fā)展將成為復(fù)合材料主要制造技術(shù)之一。
3 三維編織復(fù)合材料及發(fā)展
傳統(tǒng)層合復(fù)合材結(jié)構(gòu)抵抗損傷導(dǎo)致的層間破壞能力較低，因此使得研究人員致力于研發(fā)一種全新概念的復(fù)合材料三維編織復(fù)合材料。三維編織預(yù)制件及其復(fù)合材料除了有著傳統(tǒng)復(fù)合材料所固有的重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)外，還有著傳統(tǒng)復(fù)合材料所不具備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。傳統(tǒng)的復(fù)俁材料制件層與層之間存在純基體區(qū)，即層與層之間沒有纖維增強(qiáng)。由于基體的性能比較低，傳統(tǒng)的層合板復(fù)合材料具有一些難以克服的弱點(diǎn)，如厚度方向的剛度和強(qiáng)度低、面內(nèi)剪切和層間剪切強(qiáng)度低、易分層、沖擊韌性和損傷容限水平低等。三維編織復(fù)合材料則克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料分層的缺點(diǎn)，從理論上講三維編織復(fù)合材料可以達(dá)到任意厚度，而且沿厚度方向有纖維增強(qiáng)，形成了不分層的整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。從不同結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織預(yù)制件的橫截面看，編織物的厚度方向有纖維穿過，并且與沿其它方向分布的纖維相互交織、交叉在一起，是一個完全的整體結(jié)構(gòu)，根本不存在“層”的概念。因此，三維編織復(fù)合材料具有良好的層間性能、抗沖擊性能和其他一些優(yōu)良性能。同時，三維編織復(fù)合材料可以直接織造成各種異型件，避免了后加工造成的纖維損傷，提高了復(fù)合材料的損傷容限。美國宇航局從20世紀(jì)80年代末開始的先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)(ACT)計劃，對編織復(fù)合材料進(jìn)行了全方位的研究，并取得了一系列的成果，編織復(fù)合材料納入了紡織工業(yè)的自動化生產(chǎn)概念。作為一種在工程上很有應(yīng)用潛力的編織復(fù)合材料，三維編織增強(qiáng)體RTM成型的復(fù)合材料得到了工程界的重視，在研發(fā)工作上也取得了很大的成績，具有很好的發(fā)展前景。
4 RTM-三維編織材料及其應(yīng)用
RTM-三維編織復(fù)合材料是一種新型的、性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，是采用編織方法先將纖維做成預(yù)制件，然后采用RTM工藝將低粘度的樹脂注入到已鋪好預(yù)制件的模具中，最后進(jìn)行固化。由于RTM工藝對制件不施加外力，而是借助注射壓力將液態(tài)樹脂注放密封的模腔，因此不會改變織物的原結(jié)構(gòu)，是成型三維編織復(fù)合材料較為理想的工藝。采用新型的編織方法， 用RTM工藝成型的RTM-三維編織復(fù)合材料克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料諸多不足，獲得了優(yōu)異的力學(xué)性能，因而逐漸得到了人們的重視。雖然用RTM成型三維編織復(fù)合材料技術(shù)上存在著許多優(yōu)點(diǎn)，但目前國內(nèi)外的RTM技術(shù)在成型三維編織復(fù)合材料還存在一些難點(diǎn)和問題：大面積、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具型腔內(nèi)，模塑過程中樹脂的流動不均衡，而這個動態(tài)過程無法觀察，難以進(jìn)行預(yù)測和控制；樹脂對纖維的浸漬不夠理想，制品內(nèi)存在空隙率較高、纖維干斑等現(xiàn)象。要解決上述難點(diǎn)和問題，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上改進(jìn)RTM-三維編織復(fù)合材料的成型工藝是一條有效的途徑。
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