编织穿刺复合材料制备方法及穿刺机设计

摘要

本篇论文介绍了本人于2013年在法国GEMTEX实验室完成的毕业课题。作为欧洲项目IMS&CPS下属工作组WP5预成型体研发的一部分，本课题对编织穿刺复合材料预成型体的制备工艺进行了研究。
　　从十九世纪开始，人们便对编织工艺进行研究。二维编织复合材料作为一项重要的复合材料基体成型工艺，与其他织物复合材料制造工艺相比更加简单，纤维弯曲扭曲程度小，纤维性能保持率高，结构整体性能表现优异，特别适合于管状、工字梁等异性截面型材的制造，其高生产率、高自动化水平以及高成品率和低制造成本等优点使其一直是国内、外研究织物复合材料的重点之一。
　　缝合工艺，是指通过使用高性能纤维，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶等，对纺织物进行穿刺或缝合将其由二维结构转变为准三维结构，或将散块织物连接构成整体结构的技术。穿刺工艺，作为缝合工艺中的一种新型的缝合方式，由于其工艺原理简单，对材料破坏性小，机械性能保持率高，近年来吸引了学者的注意。
　　本课题主要分为两个部分，分别是编织工艺和穿刺工艺。研究过程可以分为三个阶段。第一阶段，我们采用玻璃纤维，通过改变编织参数，生产不同结构的筒状编织物；第二阶段，我们提出了穿刺机的设计概念、设计了基本零件并将其组装以实现单一方向的穿刺；第三阶段，我们运用自行设计的机器使用碳纤维缝线对所生产的玻璃纤维编织物进行穿刺。最后我们将得到的穿刺编织物进行树脂浸渍，由于时间有限，我们将在后续阶段对所得产品进行显微镜观察和机械性能测试。
　　在本课题的实施阶段本人主要做的工作是对穿刺机进行设计。在设计开始阶段首先对穿刺工艺的影响因素进行思考并将其列出，主要包括织物和纱线的3D取向、穿刺织物的层数、穿刺用纱线的特征、穿刺密度、穿刺深度、纱线张力、压脚压力、穿刺针的形状等。接下来对穿刺机的功能进行构思，并从四个方面对穿刺机进行了设计。穿刺机的结构包括穿刺针系统、压脚装置、缝合纱喂入系统以及机器骨架。每个系统也有各自的功能。通过穿刺针系统可以实现对织物的穿刺，并且调整其穿刺深度；使用缝合纱喂入系统可以将缝合纱储存在纱架上，并且喂入预加张力恒定的缝合纱；使用压脚装置可以实现对织物压力的调整，并防止缝合纱从织物中抽离；机器骨架则是为了安装各个零件、支撑织物，并实现缝合装置的位移，以实现对穿刺密度的测量与控制。
　　本文为接下来的博士课题《航空用编织增强复合材料缝合拼接制造技术的开发与优化》奠定了基础。