多功能新型编织复合材料的设计、制造和表征
1. 导读
复合材料在航天、海洋、轨道交通等高端装备中的应用显著增加。随着以上高端装备的不断发展及其服役环境的复杂性，多功能性能已成为复合材料结构的重要趋势和热点问题。具体来说，多功能复合材料除了具有主要的机械性能外，还具有一些特定的功能，比如说，具有电磁屏蔽、吸收和传输能力。通常情况下，具有承载能力和电磁性能的多功能复合材料通常以高强度外表面和各种核心材料组成的夹层结构为设计原则。例如，泡沫多孔复合材料和蜂窝夹层复合材料。
作为一种潜在的多功能复合材料，三维编织网格桁架夹层结构（WLTS）因较好的可设计性和制造工艺多样性，所以受到越来越多的关注。复合材料的表皮由拟周期性倾斜的桩纤维相互强连接交织而成，具有较高的表皮-芯抗脱粘性能。但随着厚度的增加，其力学性能逐渐变差。此外，纺织造技术已经非常成熟，可以大规模生产，降低了制造成本。注意到WLTS通常由玻璃纤维制成，它在电磁传输方面有潜在的优势。
研究者主要关注基本力学性能，对多功能性能的研究较少。南京航空航天大学Hualin Fan、广西大学等多名研究者，为突破薄板厚度限制，提高薄板的力学性能，设计并制作了编织点阵夹心复合材料。利用自由空间技术系统对其电磁传输性能进行了研究。通过爆炸试验研究了其抗爆炸性能。相关成果以题为“Double-layer woven lattice truss sandwich composite for multifunctional application： Design, manufacture and characterization”发表在了复合材料顶刊《Composites Part B》期刊。
2. 图文速递
2.1 新型编织复合材料的设计和原理
图1. 单层和双层WLTS复合材料的空间特性。
图2. 单层WLTS板强度随厚度变化
▲1-图解：
图1所示，本文所采用的WLTS复合材料的增强体是一种由玻璃纤维纱连续编织而成的三维整体夹层织物。三维纺织品的空间框架可以看作是由上表层、下表层和中核心层组成的三层网络结构。核心层参与上层和下层织物的交织，以隔离和支持皮肤。经纱通常是由多股纤维缠绕、加捻而成，易产生弯曲变形。因此，在上下表面之间穿梭的纱线不是直的，而是弯曲和扭曲的。因此，经纱方向的芯桩为8型，纬纱方向的芯桩为1型。通常，相邻纬纱桩之间的距离小于相邻经纱桩之间的距离。同时，由于织造工艺的原因，纬桩往往会发生倾斜。
▲2-图解：
图2所示，随着桩高的增加，芯桩的抗弯能力变差，复合材料容易失去稳定性。结果表明，跨度为160 mm的厚板在经纱方向的抗弯强度略大，而在纬向方向的抗弯强度更小。桩身越高，桩身的抗剪能力就越弱。因为在相同的芯密度和荷载下，芯高越高，施加在芯桩根部的弯矩越大，更容易发生破坏。所以，WLTS不能做得足够厚。
2.2 新型编织复合材料的制造工艺
图3. 新型编织复合材料DWLTS复合板制造工艺示意图。
图4. 由3D玻璃纤维织物制成的双层点阵夹芯结构。
▲3-图解：采用真空输液工艺（VIP）和真空袋成型工艺（VBMP）生产DWLTS面板。与手工铺层相比，使用VIP和VBMP方法可以得到树脂分布更均匀的面板，且不会出现明显的富树脂区。如图3所示，制造过程包括三个步骤。第一步通过VIP制备单层WLTS复合材料，如图3（a）所示。首先，在钢化玻璃模具上铺设模具织物、三维编织玻璃纤维织物和流动介质。然后铺设真空袋，通过真空泵将系统中的空气抽出，在模腔内形成负压（0.09 MPa）。真空袋中空气通过真空泵抽出后，模具腔内3D机织物被压平，可近似为2D机织物。然后，通过真空压力将不饱和环氧树脂压入模腔，使织物浸渍。待树脂完全渗入织物后，将真空袋取出，芯桩即可立起。后脱模后，用水射流将固化后的织物切割成设计尺寸，最终制成单层WLTS复合板材（图4）。本文使用的树脂为含固化剂的混合物，树脂与固化剂的配比为3：1。具体制造工艺可参考文献。
图5. （a）测量电磁传输性能的自由空间技术系统示意图和（b）测量的DWLTS平板的电磁波传输谱。
▲5-图解：采用由一对标准增益喇叭天线、微波吸收金字塔、矢量网络分析仪和一台个人计算机组成的自由空间技术系统，测量了DWLTS复合材料面板的电磁传输性能，如图5（a）所示。两根天线分别作为发射源和接收源，通过精密同轴电缆分别连接到矢量网络分析仪的1号端口和2号端口。通过测量透射散射参数S21（代表2端口增益），获得透射率，表征DWLTS复合材料面板的电磁性能。
通常情况下，电磁波的传播与介电常数和介质损耗有关。因此，采用低介电常数、低切线损耗、高强度、结构优化的纤维和树脂，可以进一步提高DWLTS的传输性能。编织的点阵晶格拓扑有利于波的传播，而加厚的层对波的传播有衰减作用。在本研究中，当半波长从17.6 mm变化到8.3 mm时，8.5 ~ 16 GHz的电磁波相互作用可能会增强和衰减电磁波的传输，与20相近。6mm和7.3 mm, DWLTS和WLTS的厚度。通过分析和试验，应在适当的层厚下获得层状结构的平衡。
2.4 新型编织复合材料的抗爆炸试验研究
图6. （a）现场爆炸方案；（b）位移和应变传感器的布置。
▲6-图解：通过爆炸实验，得到了DWLTS面板的抗爆炸性能，如图6所示。面板尺寸800800mm，四边用钢螺栓固定，固定宽度100mm。钢板跨度为600毫米。TNT块直接挂在盘子中央的正上方。一个自由场压力传感器放置在距离TNT 2000毫米的水平距离上。面板下放置3个引伸计（U1到U3）和9个应变计（S1到S9）来测量下表皮的挠度和应变。在下面定期画边长50mm的黑线方格，观察损伤情况
2.4 新型编织复合材料的损伤特性分析
图7. 不同距离爆炸下的损伤模式。
图8. 与比例距离相关的代表性损伤模式。
▲7-图解：一般来说，结构对电磁波的传输性能主要由材料的介电特性和结构重构决定。对于前者，低介电常数和低介电损耗是制备透明材料的两个必要条件。对于结构-施工而言，电磁波在传播过程中应尽量减少反射和折射，这正是具有离散核心层的WLTS的优势所在。结果表明：爆炸后，上表面出现发黑现象，并发生变形，可能会影响结构的电磁波传输性能。首先，爆炸产生的高温导致上表面发黑，这很可能会改变材料的介电性能。在爆炸荷载作用下，工作面和芯桩发生变形。其中，工作面向内凹，芯桩倾斜，增加了电磁波的反射和折射，不利于电磁波的传播。需要注意的是，表皮的变形很容易被表征，而核心桩由于较低的可见性而很难被表征。
3 小结
本文采用VIP和VBMP设计制作了具有优良抗爆性能和电磁波传输性能的DWLTS复合板。实验结果表明：面板在4.5 8.5 GHz和16 17.2 GHz时的电磁透射率均超过80%，在4.9 GHz时的最大透射率达到98.27%。通过爆炸实验，揭示了DWLTS的临界尺度距离。直到缩放距离达到1.026 m/kg1/3时，面板损伤较小。两层拓扑结构大大提高了力学性能。在强爆炸条件下，其弹性和柔韧性使其具有优良的抗爆性能。基体开裂、纤维断裂和芯桩断裂是面板的主要损伤模式。由于本研究中的面板没有破碎，因此爆炸后面板仍能恢复到初始状态，具有优良的抗爆性能。两种复合材料面板的层间表面未见脱粘现象，说明复合材料的界面结合强度满足抗爆破性能要求。所提出的共固化制造工艺保证了界面强度，是一种可靠、低成本的防护结构制造方法。总之，DWLTS复合板是一种结构可设计性强、制造成本低的多功能复合材料。
