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復合材料縫合技術(shù)是指采用縫合線使多層織物結(jié)合成準三維立體織物或使分離的數(shù)片織物連接成整體結(jié)構(gòu)的一種復合材料預制體制備技術(shù)。該技術(shù)起源于20世紀中后期，由于其可以提高復合材料層間損傷容限，大大改善復合材料抗沖擊性能而備受關(guān)注，并在近些年來得到了廣泛應(yīng)用。本文系統(tǒng)介紹了復合材料縫合技術(shù)的特點，主要縫合方式和工藝參數(shù)及其最優(yōu)的適用范圍，總結(jié)了縫合技術(shù)影響復合材料拉伸、壓縮、彎曲、層剪及沖擊后壓縮等重要力學性能的主要研究成果，最后對復合材料縫合技術(shù)的國內(nèi)外重大研究及應(yīng)用進展進行了闡述并提出了展望。

一、縫合技術(shù)的特點

相對于傳統(tǒng)的復合材料紡織、編織及鋪疊工藝來說，縫合技術(shù)主要具備以下特點：

① 可設(shè)計性強，縫合預制體的鋪層方向，鋪層距離和纖維結(jié)構(gòu)等均可以進行優(yōu)化組合，同時縫合方式和縫合區(qū)域也可以按需調(diào)整；② 縫合對原有纖維分布影響較小，而且通過縫合參數(shù)的合理設(shè)定可以獲得一定程度的整體結(jié)構(gòu)，并達到合理的均勻應(yīng)力狀態(tài)；③ 縫線可以承受大部分載荷，而且減少了周圍樹脂的應(yīng)力集中，可以顯著提高復合材料層間性能；④ 可高度自動化，目前已開發(fā)出用于提高縫合一致性和縫合效率的高度自動化縫合設(shè)備；⑤  裝配工藝優(yōu)異，縫合作為一種連接技術(shù)，與復合材料其他連接技術(shù)（粘接、鉚接等）相比，縫合復合材料整體性強，不易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。

二 、 主要縫合方式及工藝參數(shù)

在結(jié)構(gòu)應(yīng)用上主要采用3種縫合方式，即改進的鎖式縫合、鏈式縫合及簇絨法(tufting)縫合（詳見圖1所示）。鎖式縫合屬于雙面縫合，改進的鎖式縫合中，縫線被縫針從預制體一側(cè)帶入，與底線結(jié)套后再由縫針帶出進行下一個循環(huán)，上線與底線的結(jié)套處位于預制體表面，最大限度的減少了預制體厚度方向上的縫線及纖維彎曲及應(yīng)力集中效應(yīng)，具體如圖1（a）所示。鎖式縫合一般要求預制體具有較小的曲率變化，目前廣泛應(yīng)用于大尺寸壁板邊緣縫合及加強筋與蒙皮的連接縫合，縫合厚度可達20mm。

鏈式縫合屬于單面縫合，彎月形的縫針與擺線鉤針位于同一邊，隨著縫針沿縫線方向移動，彎針反復穿透預制體并使繞套相連，具體如圖1（b）所示。鏈式縫合通常適用于曲率較大且較薄的預制體縫合，縫合厚度一般不超過10mm。

Tufting縫合也是單面縫合的一種，縫線跟隨縫針從預制體一側(cè)穿透到另一側(cè)，縫針退出時將縫線留在預制體內(nèi)以完成縫合，具體如圖1（c）所示。Tufting縫合可以縫合較厚的預制體，但由于單純的Tufting縫合僅靠縫線與預制體內(nèi)部纖維的摩擦力來留住縫線，因此一般需要輔以其他的定位方式來保證縫線留在預制體內(nèi)部，提高縫合質(zhì)量。

主要的縫合參數(shù)包括縫線種類，縫線直徑，縫合密度及縫合方向等，這些工藝參數(shù)可以直接影響預制體固化后的性能。

選擇縫合線時主要考慮縫線的強度、耐磨性、耐溫性及其與相應(yīng)樹脂體系的匹配性，常見的縫線種類有碳纖維、玻璃纖維、凱芙拉纖維及滌綸。耐高溫的凱芙拉纖維，如凱夫拉（Kevlar 29），質(zhì)輕、耐磨、韌性高，目前廣泛應(yīng)用與航空領(lǐng)域。

圖1 主要縫合方式示意圖

直徑大的縫線可以更好地提高復合材料的層間損傷容限，但同時也會加大預制體內(nèi)部的纖維彎曲、損傷以及制件內(nèi)部縫線處的樹脂堆積，從而導致制件拉伸、壓縮強度的降低，因此應(yīng)根據(jù)預制體結(jié)構(gòu)，合理選擇縫線直徑。

縫合密度主要包括縫線的針距和行距2個參數(shù)，縫合密度越大，預制體內(nèi)部的纖維損傷及纖維屈曲現(xiàn)象越嚴重，預制體體內(nèi)部的富脂區(qū)域也越多，對制件面內(nèi)性能影響也越大；反之，縫合密度越低，制件層間性能改善也越小。因此，應(yīng)合理設(shè)計縫合密度，以提高復合材料制件整體性能。中航復合材料有限責任公司的趙龍等[5]研究表明，縫合密度為5～6針/cm2時，材料的綜合性能最佳。

預制體通常采用的縫合方向為0°、45°和90°，復合材料的拉伸強度受縫合方向的影響較大，其中，0°縫合的制件強度降低最少，而45°和90°縫合相當。

三、縫合對復合材料力學性能的影響

縫合會造成預制體內(nèi)部纖維的屈曲和損傷，并在縫線處易形成富脂區(qū)，從而形成應(yīng)力集中點，這是縫合導致材料面內(nèi)性能下降的主要原因；但縫合會大大提高復合材料的層間損傷容抗，并且縫線的存在還會阻止裂紋的擴展等，因此縫合對復合材料力學性能的影響存在一定的復合效應(yīng)。

大量的研究表明，縫合會導致材料拉伸強度的降低，而且由于縫合本身的特性，材料的破壞模式與傳統(tǒng)的復合材料層合板有較大的不同，并且隨著縫合密度與縫線直徑的增大，拉伸強度會逐漸降低。但魏玉卿等和吳剛等研究發(fā)現(xiàn)，縫合密度≤5~6針/cm2時，材料的拉伸破壞模式主要為纖維的斷裂，縫合復合材料的拉伸強度損失率不大。

縫合對材料壓縮強度的影響并不是簡單的增減關(guān)系，受層合板鋪層設(shè)計以及縫合參數(shù)的影響，縫合復合材料層合板的壓縮強度有時提高有時降低。程小全等[10]研究發(fā)現(xiàn)縫合使0°單向?qū)雍习宓膲嚎s性能降低較多，約達24%，但卻對90°層合板的壓縮性能影響極小。吳剛等[9]研究了鋪層為[45/0/～45/90]4S和[90/45/90/～45/0/～45/90/45/90」2S縫合層合板的壓縮性能，發(fā)現(xiàn)縫合對其壓縮性能降低不大，而且改變縫合參數(shù)，其壓縮性能還有提高的趨勢，0°方向的縫合對層合板壓縮性能影響最小。

許多學者發(fā)現(xiàn)縫合雖然使復合材料層合板的彎曲性能有所下降，但下降程度一般不會超過20%，而且縫合密度對材料彎曲性能的影響不大[11-13]。但劉莉[14]在其研究中發(fā)現(xiàn)適當優(yōu)化縫合密度可以提高材料的彎曲性能，比如縫合密度為4針/cm2的材料，其彎曲強度比縫合前彎曲強度提高27.8%。孫其永[15]還對縫合三維編織復合材料的彎曲性能進行了系統(tǒng)研究，得出編織角為20°，搭接長度為70mm，中密度縫合的縫合連接三維編織復合材料試件的彎曲性能比較優(yōu)異的結(jié)論。

復合材料縫合層合板的剪切強度隨著縫合密度的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，這是由于縫合密度過大時，纖維損傷和縫線處富脂導致應(yīng)力集中明顯，使得層合板的剪切強度反而有所降低。縫合密度最優(yōu)值的焦點取決于層合板的鋪層順序以及縫合參數(shù) [16] 。縫合能夠顯著提高層合板的GIC值，增加縫合密度，縫線強度，降低縫線的楊氏模量，增加試件的厚度及軸向剛度，均可提高試件的GIIC值。縫合能夠明顯降低復合材料層合板的沖擊損傷，提高層合板的沖擊后壓縮強度（CAI），許多試驗表明，合理設(shè)計縫合參數(shù)可以使層合板的CAI提高40%以上，甚至可達到400%。

四、縫合技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

縫合技術(shù)已有近30年的應(yīng)用歷史，它可以對復合材料結(jié)構(gòu)件進行厚度方向的增強，主要用于改善復合材料結(jié)構(gòu)件的損傷容限。目前，縫合設(shè)備已經(jīng)從第1代人工控制的工業(yè)縫紉機，第2代計算機控制的平面縫合設(shè)備發(fā)展到了第3代多臺計算機控制的多針頭縫合設(shè)備，可實現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)的二維及三維縫合。近幾年來，液體成型工藝的迅速發(fā)展，更為縫合技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。無論是固體火箭發(fā)動機噴管喉襯、擴張段、延伸錐、剎車盤、螺釘、飛機機翼等都采用了復合材料縫合技術(shù)。

美國國家航空航天局（NASA）的ACT計劃研制了13.5m×2.7m的縫合/RFI半翼展機翼壁板，如圖2所示，并且成功進行了200座飛機半翼展盒段地面試驗。同時，波音公司還研制了用于大尺寸復雜結(jié)構(gòu)件（如機身曲板）縫合的第3代縫合設(shè)備。此外，美國的空軍萊特試驗室和美國海軍航空兵總司令部還聯(lián)合制定了ALAFS計劃，該計劃確定了翼身整體設(shè)計、機翼結(jié)構(gòu)布局、內(nèi)部管路設(shè)置、機身油箱設(shè)計、梁的布置、內(nèi)部筋條布置和上下大梁連續(xù)性設(shè)計等7大關(guān)鍵技術(shù)，縫合復合材料的RTM及RFI成型技術(shù)將是實現(xiàn)該計劃的主要技術(shù)方案。

圖2    RFI半跨度縫合翼板

目前國內(nèi)，特別是中航復合材料有限責任公司已經(jīng)成功將縫合/RTM、縫合/RFI、縫合/VARI技術(shù)成功應(yīng)用于各類復合材料結(jié)構(gòu)件，大大提高了復材結(jié)構(gòu)件的層間強度、沖擊阻抗以及整體性，并降低了結(jié)構(gòu)件的裝配成本。圖3-6給出了國內(nèi)研制的一些典型縫合/LCM結(jié)構(gòu)件。

圖 3  縫合/RTM整體成形三腔盒段結(jié)構(gòu)

圖 4   縫合/RFI整體成形帽形加筋壁板

圖 5   縫合/RFI整體成形J形高加筋變厚度多墻整體壁板

圖 6   縫合/VARI整體成形的T形加筋壁板結(jié)構(gòu)件

五、結(jié)語

復合材料縫合技術(shù)很好的解決了傳統(tǒng)復合材料層間性能低，沖擊損傷容限小的問題。目前國內(nèi)液體成型技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，伴隨著第3代縫合設(shè)備的進一步優(yōu)化以及復合材料制造成本的降低，復合材料縫合技術(shù)不僅可以在航空航天領(lǐng)域受到重視，還將在船舶，汽車等領(lǐng)域得到推廣，為各類結(jié)構(gòu)及功能件的輕量化作出巨大貢獻。

文/陳靜    王海雷 

中航復合材料有限責任公司

 航空工業(yè)復合材料技術(shù)中心