3D-композиты
В трехмерных композитах используются волокнистые заготовки, состоящие из нитей или жгутов, собранных в сложные трехмерные структуры. Их можно создать с помощью процесса 3D-ткачества, 3D-вязания, 3D-плетения или 3D-укладки коротких волокон. На 3D-преформу наносится смола для создания композитного материала. Трехмерные композиты используются в высокотехнологичных и высокотехнологичных приложениях для достижения сложных механических свойств. Трехмерные композиты спроектированы таким образом, чтобы реагировать на напряжения и деформации способами, которые невозможны с традиционными композитными материалами, состоящими из жгутов в одном направлении, или 2D-ткаными композитами, сэндвич-композитами или сложенными ламинатными материалами.
3D тканые композиты
[ редактировать ]Трехмерные тканые ткани представляют собой ткани, которым можно придать почти чистую форму со значительной толщиной. Для создания детали нет необходимости наслаивать слои, поскольку одна ткань обеспечивает полное трехмерное армирование. Трехмерное плетение представляет собой вариант процесса 2D- ткачества и является продолжением очень старой техники создания ткани двойного и тройного плетения. 3D-плетение позволяет изготавливать ткани толщиной до 10 см. [1] Волокна, расположенные в направлении толщины, называются z-пряжей, ткацкой основой или связующей пряжей для 3D-тканых тканей. Одновременно ткут более одного слоя ткани, и во время процесса Z-пряжа переплетает нити основы и утка разных слоев. В конце процесса плетения получается интегрированная трехмерная тканая структура значительной толщины. [2] Трехмерные тканые структуры позволяют создавать композитные материалы с объемной долей волокон около 50% как в трехмерных элементарных ячейках, так и в трехмерных ортогональных структурах. [3]
Трехмерные тканые структуры с угловым переплетением также распространены для создания гораздо более толстых тканых заготовок. В интерлок-структурах нити можно переплетать из одного слоя нитей в другой, а затем обратно в исходный слой, чтобы соединить соседние слои друг с другом. В сложных интерлок-структурах нити могут быть сплетены в определенных точках в несколько слоев для соединения нескольких слоев. Эти структуры имеют большое преимущество перед ламинированными материалами из-за превосходной устойчивости к расслоению слоев. [4]
Используя методы жаккардового плетения, такие как бифуркация, 3D-тканым заготовкам можно создавать практически бесконечные формы, начиная от стандартной двутавровой балки и заканчивая сложной двутавровой балкой с синусоидальной кривой, аэродинамическими профилями самолетов и многими другими формами. Тканые 3D-композиты, отделанные методом трансферного формования из смолы, производятся длиной более 26 футов. [5]
Тканые 3D-композиты используются для различных инженерных применений, включая роторы двигателей, носовые обтекатели и сопла ракет, опоры двигателя, каркас самолета, панели Т- и X-образной формы, передние кромки крыльев самолетов и двутавровые балки для гражданской инфраструктуры. [6]
Классификация 3D тканых тканей
[ редактировать ]В продаже имеется несколько типов 3D-тканых тканей; их можно классифицировать по технике плетения. [7]
- 3D-тканые интерлок-ткани — это 3D-тканые ткани, производимые на традиционном 2D- ткацком станке с использованием правильного дизайна и технологий переплетения, при этом ткач / Z-пряжа может проходить через всю толщину ткани или переходить от слоя к слою.
- 3D Ортогональные - тканые ткани — это 3D-тканые ткани, производимые на специальном 3D-ткацком станке. Процесс изготовления такой ткани был запатентован Мохамедом и Чжаном. [8] Архитектура трехмерного ортогонального тканого полотна состоит из трех разных наборов нитей; нити основы (y-пряжа), уточные нити (x-пряжа) и (z-пряжа). Z-пряжа укладывается по толщине преформы. В трехмерной ортогональной ткани нет переплетения нитей основы и утка, они прямые и перпендикулярны друг другу. С другой стороны, z-пряжи объединяют слои основы и утка путем переплетения (перемещения вверх и вниз) вдоль направления y по уточной пряже. Переплетение происходит на верхней и нижней поверхности ткани. [9] [10]
Преимущества
[ редактировать ]- Тканые 3D-ткани очень полезны в тех случаях, когда композитная структура подвергается нагрузкам вне плоскости, благодаря дополнительной прочности, обеспечиваемой z-образной нитью по всей толщине. Таким образом, он может лучше сопротивляться расслоению , то есть разделению слоев из-за внеплоскостных сил. [2]
- Ткани 3D обладают высокой формуемостью , а это означает, что они могут легко принимать форму формы в случае сложных композитных конструкций. [11]
- 3D-ткани имеют высокопористую структуру , что сокращает время настаивания смолы . [11]
- Ортогональные 3D-ткани имеют меньшую извитость пряжи или ее отсутствие (разница в длине пряжи до и после плетения); поэтому механические свойства волокон практически полностью используются в направлениях основы и утка. Таким образом, в этих направлениях можно извлечь выгоду из максимальной несущей способности высокопроизводительных волокон. [11]
- Форма 3D-тканых тканей может сужаться во всех трех направлениях в процессе плетения, создавая ткани почти чистой формы, такие как двутавровые балки и ребра жесткости. Это означает, что эти преформы можно помещать прямо в форму без каких-либо дополнительных трудозатрат. [1]
- Для создания детали нет необходимости наслоения, поскольку единая ткань имеет значительную толщину, что обеспечивает полное трехмерное армирование. [1]
- 3D-тканому материалу можно придавать различные формы и использовать его в биологических целях для создания замещающих тканей. [12]
3D плетеные композиты
[ редактировать ]« Технология 3D-плетения тканей является развитием хорошо зарекомендовавшей себя технологии 2-D плетения, при которой ткань создается путем переплетения двух или более систем пряжи с образованием целостной структуры». [13] Разработан в конце 1960-х годов с целью обойти проблемы, связанные с 2D-композитными ламинатами, и в то же время сохранить преимущества процесса плетения. [14] Плетеные конструкции, используемые в качестве композитных заготовок, имеют ряд преимуществ перед другими конкурирующими процессами, такими как намотка нитей и ткачество. [15]
Плетеные композиты обладают превосходной ударной вязкостью и усталостной прочностью по сравнению с композитами, навитыми нитями. Ткани имеют ортогональное переплетение, а косы могут быть построены в широком диапазоне углов от 10 до 85°. В процесс плетения может быть введен дополнительный набор осевых нитей для получения трехосных кос (рис. 1); трехосные косы более стабильны и обладают почти изотропными свойствами.
Плетенки могут изготавливаться как в виде бесшовных трубок, так и в виде плоских полотен с непрерывной кромкой. Композиты, изготовленные из плетеных заготовок, обладают превосходной прочностью и устойчивостью к растрескиванию по сравнению с широкоткаными композитами благодаря непрерывности волокон; Композиты с плетеными отверстиями (рис. 2) обладают примерно в 1,8 раза большей прочностью по сравнению с просверленными отверстиями, опять же благодаря непрерывности волокон.
Существует два основных типа 3D-плетенцев: роговые и гусеничные и колонные. В плетеных машинах 3D-плетения с роговой передачей используется большое количество традиционных роговых передач для движения носителя. Расположив роговые шестерни в форме квадрата, можно получить трехмерные сплошные оплетки с различными поперечными сечениями (например, Н-образным). [16] [17]
Применение плетеных 3D-композитов
- Лопасти гребных винтов, гребные валы, гребные винты
- Настил ферменных секций, посадочные площадки
- Кузова, шасси, приводные валы автомобилей
- Биомедицинские устройства
3D сшитые композиты
[ редактировать ]Сшивание ламинатов по толщине высокопрочной нитью оказалось простым и дешевым методом производства трехмерных композитов. Процесс сшивания в основном включает в себя прошивание пряжи с высокой прочностью на разрыв (например, стекла, углерода или кевлара) через неотвержденный ламинат препрега или слои сухой ткани с использованием промышленной швейной машины. [18] [19]
Исследования сообщают об улучшении механических свойств в плоскости благодаря сшиванию, тогда как другие обнаруживают неизмененные или ухудшенные свойства. Данные, собранные для сшитых ламинатов, показывают, что прочность на растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и открытое отверстие улучшается или ухудшается до 20. % при сшивании относительно несшитых ламинатов. [20]
Применение 3D-сшитых композитов
- Нахлесточные суставы
- Усиленные панели
- Соединения крыла с лонжероном самолета
3D-Z-закрепление
[ редактировать ]Этот альтернативный стандартному процессу сшивания метод был впервые представлен в конце 1980-х годов и был коммерчески разработан компанией Aztex как технология Z-Fiber . «Эта технология заключается во внедрении ранее отвержденных армирующих волокон в термопластическую пену, которая затем помещается поверх препрега или сухой ткани, укладывается и упаковывается в вакуумный пакет». 12 Пена разрушается при повышении температуры и давления, что позволяет волокнам медленно вдавливаться в укладку. Трехмерное армирование в отношении Z-образного крепления необходимо для создания механической связи между различными слоями композитной пластины, причем это звено представляет собой жесткий стержень из углеродного волокна в Z-образном креплении. Композиты с Z-штырями (углеродное волокно малого диаметра, внедренное в направлении толщины Z) — это средство обеспечения более высокой жесткости и прочности по всей толщине, которыми не обладают 2D-тканые композиты.
Применение 3D-композитов с Z-пинами
- Усиление панелей обшивки воздухозаборника и крепление шляповидных ребер жесткости на истребителе F/A-18 Super Hornet. [19]
Нанесение смолы на трехмерные преформы
[ редактировать ]Многие трехмерные преформы превращаются в сложные композитные материалы, когда смола наносится и отверждается внутри преформы для создания матрицы, армированной твердым волокном. Наиболее распространенной формой применения смолы для 3D-преформ является процесс трансферного формования смолы, при котором форма создается в форме преформы, а затем преформа помещается внутрь. Пресс-форму закрывают, а затем смолу матричного материала впрыскивают при определенной температуре и давлении, а затем дают затвердеть. Затем форма удаляется с внешней стороны трехмерного композитного материала. [20]
Механическая оценка 3D-композитов по сравнению с 2D-композитами
[ редактировать ]Микроструктура 3D-тканого композита в основном определяется архитектурой волокон тканой заготовки и процессом ткачества и в меньшей степени процессом консолидации. В процессе 3D-плетения случайно создаются различные типы дефектов, которые могут ухудшить качество тканого материала. Плоскость, толщина и ударные свойства 3D-композита. Исследования показали, что испытания различных 3D-композитных материалов показали, что «...прочность такая же или немного выше, чем у эквивалентного двумерного (2D) материала». По сравнению с 2D-композитом ударопрочность, сжатие после удара (CAI) и контроль расслоения значительно улучшаются с помощью 3D-композита без значительного снижения механических свойств в плоскости. [21]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с П. Шварц, «Структура и механика узлов текстильного волокна», Woodhead Publishing Ltd., 2008 г.
- ^ Jump up to: а б Ф.К. Кэмпбелл, Производственные процессы для современных композитов, Оксфорд, Великобритания: Elsevier, 2004.
- ^ Билисик, Кадир (2010). «Многоосная 3D тканая заготовка и свойства многоосных 3D тканых и 3D ортогональных тканых углеродно-эпоксидных композитов». Журнал пластмасс и армированных композитов . 29,8 (1173–186).
- ^ Де Люйкер, Э.; Морестин, Ф.; Бойсе, П.; Марсал, Д. (2009). «Моделирование предварительного формования композитного материала в формате 3D Interlock» (PDF) . Композитные конструкции . 88 (4): 615–23. дои : 10.1016/j.compstruct.2008.06.005 .
- ^ Макклейн и Геринг (2013). «Обзор последних разработок в области 3D-структур». Олбани Инженерные Композиты (AEC) .
- ^ «3D тканые композитные конструкции» . Балли Риббон Миллс . Проверено 20 июля 2016 г.
- ^ Н. Хокар, «Процессы формирования 3D-тканей: различие между 2D-ткачеством, 3D-ткачеством и неуказанным процессом без переплетения», Журнал Текстильного института, том. 87, нет. 1, стр. 97–106, 1996.
- ^ М.Х. Мохамед и З.-Х. Чжан, «Метод формирования трехмерных тканей переменной формы поперечного сечения». Патент США 5085252, 4 февраля 1992 г.
- ^ Н. Хокар, «3D-ткачество: теория и практика», Журнал Текстильного института, том. 92, нет. 2, стр. 193–207, 2001.
- ^ Н. Хокар, «Нубинг: объяснение процесса формирования нетканого трехмерного полотна», Журнал Текстильного института, том. 93, нет. 1, стр. 52–74, 2002.
- ^ Jump up to: а б с М. Х. Мохамед и К. К. Ветцель, «3D плетеный гибридный лонжерон из углерода и стекла для лопастей ротора ветряной турбины», Journal of Solar Energy Engineering, vol. 128, нет. Ноябрь, стр. 562–573, 2006 г.
- ^ Moutos FT, Glass KA, Compton SA, Росс AK, Герсбах CA, Гилак Ф, Эстес BT.Тканеинженерный хрящ анатомической формы с настраиваемой и индуцируемой доставкой антицитокинов для биологической шлифовки суставов. Proc Natl Acad Sci US A. 2016;113(31):E4513-22. дои: 10.1073/pnas.1601639113.
- ^ Миравете, Антонио (1999). Трехмерное текстильное армирование из композитных материалов . ЦРК Пресс.
- ^ Баннистер, М. (2001). «Претенденты на композиты в следующем тысячелетии – перспектива армирования». Составная часть А. 32 (901–910): 901–910. дои : 10.1016/S1359-835X(01)00008-2 .
- ^ Потлури, П.; Равал, А.; Ривальди, М.; Порат, И. (2003). «Геометрическое моделирование и управление трехосной оплеточной машиной для изготовления 3D-преформ». Композиты. Часть A: Прикладная наука и производство . 34 (6): 481–492. дои : 10.1016/S1359-835X(03)00061-7 .
- ^ Тада, М.; Осада, Т.; Накаи, А.; Хамада, Х. (2000). Материалы 6-го Международного симпозиума SAMPE . Токио.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Лаурин, Э.; Шнайдер, М.; Вульфхорст, Б. (2000). «Производство и анализ 3D плетеных текстильных преформ для композитов». Текскомп . 5 .
- ^ Муриц и Баннистер (1999). «Обзор применений современных трехмерных волокнистых текстильных композитов». Композиты. Часть A: Прикладная наука и производство . 30 (12): 1445–1461. дои : 10.1016/S1359-835X(99)00034-2 .
- ^ Jump up to: а б Тонг, Л.; Муриц, АП; Баннистер, М. (2002). 3D-полимерные композиты, армированные волокном . Эльзевир. ISBN 9780080439389 .
- ^ Jump up to: а б Муриц и Кокс (2000). «Механистический подход к свойствам сшитых ламинатов». Композиты 2000 . 31А (1–27).
- ^ Махмуд, А. Системы Грея – теория и применение .