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經編技術在航空航天領域的應用, 提升航空航天技術創新發展

時間:2019-01-27 16:36:53        來源:

經編是一種高效的織物加工方法,是產業用特別是航空航天領域紡織材料理想織造手段產品結構豐富尺寸穩定性強、適型性強、可設計性強,綜合性能優越,在多個領域以織物或復合材料的形式被廣泛應用,如衛星天線航空航天飛行器的殼體與內飾等。本文系統地總結了用于航空航天領域的主要經編結構特征,闡述其生產設備技術創新發展同時介紹了幾種典型經編結構在航空航天領域的應用情況,并對經編結構在航空航天領域的未來發展方向做了展望。

根據航空航天領域對經編織物和經編復合材料的應用需求,主要涉及的結構包括:經編網眼結構、經編軸向結構和經編3D間隔結構。

經編擅長形網眼織物,具有網眼大小與形狀可控、無結頭、表面光滑、質輕等優勢,已經被廣泛用于醫學、建筑和航空航天等多個領域。隨著新型織造原料的研發、織造設備的改進以及織造工藝的優化,以高性能紗線甚至金屬絲材作為織造原料的經編網眼織物的開發已經逐步獲得成功。使經編網眼結構不僅用于服裝、裝飾織物和常規產業用領域,更能滿足航空航天等高端領域的需要。此外,作為柔性結構,該類織物在保證尺寸穩定性和功能性的同時,還有利于展開和折疊收納,具備獨特的優勢。

經編軸向織物由軸向紗和捆綁紗兩個紗線體系組成,其絲束平行伸直排列,形成紗線層,由經編地組織沿厚度方向進行綁縛,形成一個穩定的整體,使得諸如碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維或芳綸等高性能纖維的力學性能得到了最大程度發揮。經編軸向結構是典型的無屈曲結構,紗層軸向對稱,取向性強,可設計性強,由于其紗層無交結,因此,極大程度地避免了紗線交結部位樹脂聚集區的出現,同時具有良好的樹脂導流性和浸潤性,成型性能優異,成為制備超薄、超厚的平面或曲面復合材料的理想增強結構。所以,在航空航天領域中,尤其在飛行器殼體的制備中,經編軸向增強復合材料得到了越來越多的關注和應用。

經編3D間隔結構是一種在雙針床經編機上生產的典型的三維經編成形結構,由2層面紗和間隔紗組成,具有良好的空間可塑性。通過經編織物的纖維排布、密度調整和結構變化,滿足氣體可通過性、液體可流動性和固體可嵌入性等功能,實現經編材料的集熱、儲能、供排水和傳感等性能。在應用中,實現功能整合,符合功能導向的需要,是理想的輕質、超厚復合材料增強體和功能材料載體。

經編結構以其豐富多樣、柔性、輕質、高強特點在航空航天領域得到越來越多的應用。未來經編結構將以超薄、超厚、功能集成等作為主要發展方向,同時,新結構的研發將使經編結構在有效替代傳統結構的同時,提升部件的綜合性能。

當今,經編裝備技術正向著高生產效率、高精細度和高穩定性的方向發展,經編產品的品質與功能得到了有力提升,使其更能滿足航空航天領域高品質、高標準的要求。

生產經編網眼產品的設備以少梳櫛特里科或拉舍爾經編機為主,可滿足經編網眼結構多樣、可設計性強的要求,根據最終用途,可對網孔的形狀、大小、孔隙率等進行調整,且織物質量輕、結構穩定、易收納,尤其適合航空航天用可展開金屬天線網狀結構的開發與織造。隨著高速經編機電子橫移技術的發展以及新材料結構件的應用,織造網眼結構的經編設備正在向著功能化、穩定化的方向發展。

電子橫移機構的應用,使得組織變化方便快捷,并且打破了傳統設備花型受限的局面,提升了花型變化靈活度,使得網眼結構形成方法多樣,網眼尺寸與形狀可根據設計需要而改變。并且,優化后的織造技術與編織工藝更利于極細金屬材料的連續織造,是開發不同密度、不同接收頻率的航空航天衛星天線的良好設備。此外,隨著以碳纖維復合材料為主的新型輕質高強結構件在經編機上的應用,進一步降低了部件的疲勞損耗,使經編設備的精度得到了提升,確保設備運行的穩定性,也緩解了金屬材料的編織難度,同時,恒張力控制技術與在線疵點檢測技術的發展,也為實現金屬天線網狀結構穩定的高質量生產提供了有利條件

多軸向經編機自1981年問世以來,通過不斷的技術創新與完善,已經成為了無屈曲紡織結構織造和高性能紡織復合材料增強體制備的重要裝備。目前國內外設備生產廠家致力于進一步提升多軸向經編設備的高速化和精準化,為高標準航空航天領域復合材料構件的生產奠定了基礎

德國KarlMayer(卡爾邁耶)公司生產的馬里模型多軸向經編機,設計最高機速達到1400r/min,產量為240m/h。國內企業近年來也在經編多軸向設備的研發中取得了顯著成績,打破了國外設備的技術壟斷提高了鋪緯高速定位精度,有效地提升了整機速度,最高機速可達1350r/min。同時,江蘇潤源、宏發縱橫等企業還成功研發了用于織造碳纖維的多軸向經編機,填補了國內設備在該領域的空白。

此外,設備生產商還通過技術整合與集成對多軸向經編機進行了創新設計。卡爾邁耶將鋼絲花梳技術和電子提花原理應用于多軸向經編機,配合碳纖維條帶喂入模塊,通過橫移運動生產出在指定位置和方向進行紗線襯入,為優化航空航天結構件的設計,實現特殊部件的定向增強提供了可能性。

雙針床經編機是織造經編3D間隔結構的典型設備,可通過調整脫圈板距離實現不同厚度間隔織物的編織。常規經編3D間隔織物的隔距在0.3~65mm范圍內,隨著技術的不斷提升,現在經編3D間隔織物的隔距可達到100~300mm,極少數可達650mm以上,形成了超大隔距、超厚經編3D間隔結構。經編3D間隔織物的應用范圍也相應地得到了進一步的拓展,并成為了航空航天飛行器功能化輕質板材的理想選擇之一。

此外,隨著產品功能的細化,對于經編3D間隔成形體的結構復雜性要求越來越高,以適應產品抗彎曲、抗剪切和抗壓等高性能需求,這也催生了雙針床經編機的結構改進與技術整合。例如,國外設備生產商將多軸向經編襯紗技術與雙針床3D間隔結構相結合,創造出雙針床多軸向經編機,并且通過穿紗設計調整兩個面紗之間的連接程度,實現T形、H形等異形經編3D間隔結構的編織。這類設備可實現新型復合材料預制體的生產,同時也為提升航空航天飛行器關鍵部位中的結構支撐部件的整體性和穩定性提供了硬件支持

經編織造設備是航空航天用高性能經編結構制備的基礎,對經編設備關鍵部件的性能提升將提高部件的抗疲勞性能,保證設備穩定性,延長使用壽命;此外,電子橫移、恒張力控制與在線疵點檢測等新型控制技術的應用,使經編設備向著精細化、智能化的方向發展;同時,織造技術的整合與集成創新,也將為新型結構的研發提供有效的解決方案

隨著航天通訊技術的發展,口徑衛星天線發揮著越來越重要的作用,并且對于天線的可收納與可展開的柔性特征也有更高的要求。經編網眼結構既可滿足大尺寸衛星天線的織造要求,以減小地面接收裝置面積和體積;同時可收縮便于火箭承載,并在使用時展開成工作狀態。此外,還可通過對經編網眼結構的網眼形狀、網孔大小、孔隙率等規格以及織造材料等的調整,滿足低頻和高頻衛星天線的力學性能要求和信號傳輸功能要求。因此,對于可展開衛星天線這一用途,柔性經編網眼結構是理想的選擇。

國內多所高校相繼開展了對經編衛星天線的研究。東華大學針對頻段和高頻段衛星天線,設計了14種經編網眼結構,采用舌針編織,選擇凸輪式梳櫛橫移機構,縮短送經路徑,并優化牽拉卷取結構,且通過調整金屬紗線的彎曲剛度等手段成功采用直徑為0.03mm的單根金屬絲進行編織。此外,還建立了新型組織結構金屬網的線圈結構模型,對其網狀結構的尺寸和力學性能進行模擬預測江南大學等高校也將可展開衛星天線中的金屬經編網眼結構的可編織性能作為研究重點之一,并且成功地在特里科和拉舍爾經編機上實現了多種結構的編織。

航空領域是復合材料的傳統應用領域,主要用于飛行器機翼機身整流罩舷窗引擎罩蓋等。目前,小型商務機和直升飛機的復合材料用量已達55%左右;民航大型客機使用復合材料的比例為:空客A350XWB52%、波音78750%、加拿大龐巴迪C系列46%、空客A38025%、中國商飛C91912%。預計到2018年,機身中復合材料所占比重將提高到77.4%,航空發動機占4.8%,飛行器內飾占17.8%。經編軸向織物結構非常適用于飛機殼體一類低曲率大部件的成型,可制成超薄或超厚復合材料,比強度高,耐疲勞。如今,碳纖維雙軸向/多軸向經編結構增強的復合材料部件已經被成功應用于空客A380的外翼翼梁、空客A400M貨艙門和波音787大型客機的厚承壓框等部件。

卡爾邁耶公司將金屬絲與0/90和±45碳纖維襯紗相結合,形成具有顯著導電性的復合材料增強結構并用于飛機殼體的制備,使復合材料在具備杰出的機械性能和低密度的同時,滿足高空飛行中防雷電的需要,彌補了航天復合材料中導電性能差的弱勢。

江南大學通過對曲面經編多層多軸向復合材料殼體Feature專題研究紡織導報China Textile Leader 2018產業用紡織品專刊91的力學性能實驗研究和數值模擬,系統揭示了該類超薄、超厚殼體構件在準靜態沖擊低速沖擊條件下的面內和層間失效形式與損傷機理,為輕質高強的曲面經編多軸向結構增強復合材料在飛行器殼體上的應用奠定了理論基礎。

由于3D經編間隔結構密度與厚度可根據實際用途進行靈活設計與制備,同時在結構內部的連接紗具有加固、支撐、保持厚度、反射聲波等作用,因此該結構具有良好的緩沖性能、隔熱性能以及聲波反射與折射性能,可被廣泛應用于飛機內飾,如桌板、側壁版、天花板、行李箱架和地板等,是航空航天器艙內溫度保持和降低噪音優良選材,并大幅減輕飛機內部結構的自重,還可充分利用間隔結構中的空隙進行傳感器嵌入與布線,進一步提升其功能用途。

另外,3D經編間隔織物還成功地應用于飛機座椅等關鍵部件。通過與聚氨酯泡沫等填充材料的結合,形成具有卓越減震效果的多孔結構,同時保持良好的抗壓強度、抗壓剛度與能量吸收能力,在長時間使用的情況下,實現座椅面料的保形、透氣與彈性,有效提升乘客的乘坐舒適度。

經編技術的革新、經編結構的創新以及產品功能的提升將極大程度地拓展經編產品在航空航天領域的應用。在此過程中,必須進一步開拓思路,通過新材料研發、織造和成形裝備的改造升級,拓寬經編產品種類,細化產品分類。另外,要充分利用經編材料生產效率高、可設計性強、綜合性能優異的特點,擴展其應用范圍,促進經編織物及經編結構增強復合材料在航空航天領域的推廣。隨著經編結構創新和成型加工一體化生產技術的提升以及生產系統的完善,高性能經編材料的開發將進一步提高產品的機械強度,滿足特殊工作環境,如高溫、高濕、高寒環境等的需要,同時具備自適應性、自修復性和可回收再生性,為航空航天領域提供專業性能更強、綜合性能更高的經編材料,使該類材料在高性能、多用途、良性循環的狀態下健康發展。

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