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研究·碳纤维复合材料三维编织物的缝合连接技术研究

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本文摘要:(由ai生成)

三维编织复合材料具有整体网状结构,克服了传统层板复合材料的缺点,展现出良好的设计性和抗冲击性。然而,单一编织技术难以满足复杂形状预制件的需求,缝合技术成为关键连接手段。本文探讨了三维编织技术、缝合技术及缝合连接三维编织技术,包括编织方法、缝合工艺参数及连接形式,以期促进缝合与三维编织结合的异型复合材料的发展。


三维编织复合材料是一种整体网状结构的复合材料,是20世纪80年代随三维整体编织技术的出现而产生的。它不但克服了传统的层板复合材料分层、开裂敏感和损伤扩展快,厚度方向强度低,抗冲击损伤性能差等缺点,而且拥有良好的可设计性、可制作整体异型制件等优点。因此,在结构材料领域中受到极大关注。


随着三维编织复合材料应用领域的逐步扩大,实际应用对其提出了新的问题。单一的三维编织技术往往不能满足复杂形状预制件一次编织成型,必须通过连接才能满足工程设计和整体性的要求。因此连接设计在三维编织复合材料结构中也是必不可少的关键环节。三维编织复合材料的连接包含两个方面的内容,一是预制件的缝合连接;二是成型复合材料的胶接。到目前为止,很多学者对第二个方面的内容进行了研究。


Kinloch研究了影响结构胶接接头性能的大部分因素,认为胶接剂的应力-应变特性是影响接头强度的最重要的材料性能。Har-tsmith已经对胶接接头,特别对先进纤维复合材料与金属材料的胶接接头进行了全面的设计研究。缝合技术作为一种三维编织预制件的连接方法,有效地解决了三维编织制作复杂形状异型件存在的局限性。但对于缝合连接处的工艺设计和连接强度问题,国内外相关研究资料还很少。本文主要就缝合连接技术,缝合连接形式以及缝合连接破坏模式进行探讨,以期为进一步开发和利用缝合与三维编织相结合的异型复合材料起到积极作用。

1.三维编织技术

三维编织技术是二维编织的拓展。它通过携纱器精确地沿着预先确定的轨迹在平面上移动,使许多同一方向排列的纤维相互交织构成网状的整体结构,最后打紧交织面而形成不同形状的预制件。二步法和四步法编织代表了该领域的主流。每种方法有方形编织和圆形编织两种形式。


四步法编织既可以只有编织纱系统,也可以有编织纱和轴纱两个纱线系统。编织纱的携纱器沿行向和列向交替运动,形成“z”字形运动轨迹,并沿斜向穿过内部区域,运动到边界后停顿一步后,改变运动方向返回到内部区域。所有的携纱器遍历所有的边界,经过若干步后回到初始位置。轴纱均匀地加在编织纱中间,每根轴纱周围都被编织纱交织包绕。由于纱线的一个运动循环分为四步,故称四步法。而二步法编织必须有编织纱和轴纱两个纱线系统。在编织过程中,轴纱静止不动,编织纱按一定规律在轴纱间相互交错运动,并把轴纱绑紧形成三维编织预制件。其纱线在机器上的排列形式经过两个运动步骤后,恢复到初始状态。


三维编织预制件和复合材料除了有着传统复合材料所固有的优点外,例如重量轻、强度高等,还有着以下几个独特的优点:①三维编织预制件从理论上讲可以达到任意的厚度,并且厚度方向有增强纤维通过;②采用三维编织技术可以直接编织成不同形状的异型整体件;③三维编织预制件的纱线结构具有可设计性;④采用三维编织技术完全可以实现对高性能纤维的编织。

2. 缝合技术及工艺参数

缝合技术发展至今已有悠久的历史,但它在复合材料领域的应用才不过几十年,并且多被应用在缝合层合板复合材料上。它是提高结构损伤容限和层间断裂韧性的有效途径。缝合工艺使用碳、玻璃、Kevlar做成的缝合线在工业缝纫机上对织物进行厚度方向的缝合。缝线仅占复合材料纤维体积含量的百分之几。目前芳纶纤维由于其特殊的耐磨性、良好的抗冲击韧性和较低的纤维密度,在缝合过程中得到广泛应用。锁式缝合和链式缝合是缝合线迹的两种基本型式。锁式缝合会在面纱与底纱之间形成两个缝合线圈,在织物中间相交,产生应力集中;点改进的锁式缝合可以穿过织物厚度,提高分层韧性和损伤容限,因此使用较多;链式缝合类似于针织,缝合线多次挠曲,操作复杂,使用较少。


缝合工艺参数决定复合材料的结构参数和力学性能以及连接工艺过程所产生的残余应力。主要的缝合工艺参数有缝线的股数、缝合密度、缝合方向及缝合针等。

(1)缝线的股数

Kevlar纤维纱线加捻合股制成缝合线,加捻的目的是使其成为圆形截面和更紧密地结合,这样易于穿过针眼和有良好的耐磨损性,然而加捻成股后,纤维的强度下降约35%。

(2)缝合密度

缝合过程中,缝针会对各个方向的纤维造成一定程度的损伤。缝合密度越大,缝针穿过的次数越多,纤维受损伤的程度就越严重;缝合密度越小,厚度方向的纤维数量也就越少,阻止厚度方向破坏的力也就越小。因此必须选择适当的缝合密度。

(3)缝合方向

常采用的缝合角度有0°、45°、90°等。

(4)缝合针

缝合过程中如果针尖太锋利,纤维很容易被缝针切断,使性能降低;反之,如果针尖太钝,针尖进入纤维的阻力太大,不利于缝合效率的提高。只有选择适当的缝针,才会既可最小限度地损伤纤维又可最大限度地提高缝合效率。

3. 缝合连接三维编织技术

当连接件比较薄时,可采用单搭接连接,在搭接端头DB和CA处,由于没有纤维通过,只是靠树脂与整体胶接在一起,所以拉伸时承力很小,主要为BF或AE(即一半厚度的构件)承力,端头处是整个构件中最薄弱的部分,强度最低。对于中等厚度板,采用双搭接缝合连接比较适宜。这样可以使搭接端头分布在尽可能多的截面上,从而提高搭接端头处的强度。对于形状异常复杂的制品,可采用增加搭接层数的办法,这样有利于不同结构与形状的变化,如预留孔、预留凹槽等,同时每层厚度也可通过减少纱线等改变编织工艺达到变化几何形状的目的。当连接件很厚时,宜选用斜面搭接缝合连接,其搭接角度在6~8°范围可获得很高的连接效率。但是,由于所需角度非常小,工艺上很难实现。因此,对厚的连接件通常采用阶梯形搭接缝合连接,这种形式可以通过编织过程中的减纱工艺来得到。阶梯形搭接缝合连接具有双搭接缝合连接和斜面搭接缝合连接两种连接的特性,通过增加台阶数,使之接近于斜面搭接连接角(一般6~8°),同样可获得较高的连接效率。


选用何种搭接方式主要是根据制件的几何形状的变化的复杂性开设不同形状的窗口、预留不同形状的凹糟、预埋各种金属件等具体情况来决定,并且要使缝合连接工艺尽可能简单、成本尽可能低、连接强度尽可能大。

3.2 缝合连接基本破坏模式

实验表明,缝合连接在拉伸载荷作用下,出现的主要破坏模式可能有以下四种:①接头端部的拉伸破坏;②缝合区域剪切破坏;③接头两端同时拉伸破坏;④剥离破坏。


除这四种基本破坏模式外,还可能会发生组合破坏。缝合连接发生何种模式破坏,与缝合连接形式、连接件的厚度、搭接长度、缝合工艺参数、编织物的结构及载荷性质有关。在连接几何参数中,缝合连接件的厚度起着极为重要的作用。当连接件很薄,连接强度足够时,连接件发生拉伸破坏;当连接件较厚,偏心力矩尚小时,易在连接区域发生剪切破坏;当连接件厚度到一定程度,搭接长度不够时,在偏心力矩作用下,将发生剥离破坏。剥离破坏将使缝合连接的承载能力显著下降,应力求避免。

4. 结语

缝合技术作为一种复合材料预制件的有效连接方法,与三维编织的结合可以很好地满足实际应用中对复杂形状预制件的要求,从而进一步拓宽三维编织复合材料的应用领域。为了最大程度的发挥缝合连接三维编织技术的优势,我们还需要进一步研究和探讨搭接长度以及缝合工艺参数对连接强度的影响,确立能够指导设计和实际生产的工艺方法及技术参数。相信随着研究的深入,缝合连接三维编织复合材料的性能会越来越完善,应用也会越来越广。


来源:天津工业大学

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来源:碳纤维生产技术
断裂复合材料理论材料
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首次发布时间:2024-07-24
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关注·康得新陷资金危局 百亿碳纤维项目停滞

本文摘要:(由ai生成)*ST康得因资金流动性不足暂停部分业务,其控股股东康得集团投资的碳纤维项目多因资金问题停滞。山东荣成康得碳谷、常州康得复合材料等项目停工或未建设,而廊坊中安信及康得复材一期虽投产但已停产。康得集团碳纤维项目面临困境。存于北京银行(5.800, -0.05, -0.85%)西单支行的122亿元资金去向谜题未解,由此引发的*ST康得(002450.SZ)资金危局仍在发酵。5月31日,*ST康得公告表示,因资金流动性不足,为确保核心业务不受影响,基于业务和产品结构调整的需要,公司决定2019年5月31日起暂停部分面向长期布局的业务和部分盈利状况不佳的业务。此前,*ST康得实际控制人、康得集团董事长钟玉承认上市公司与控股股东康得集团的资金存在混用情况,大股东对上市公司资金的占用,除了股票质押补仓,主要用于投资碳纤维项目。不过,《中国经营报》记者在廊坊、荣成、常州等地走访调查发现,康德集团布局的碳纤维项目,因资金问题,多半已经处于停滞状态。多地项目停摆钟玉曾在公开场合表示,公司此前已经承诺过多次,未来碳纤维业务会装进上市公司。一方面碳纤维业务是公司业务发展的一个链条,另一方面装入上市公司后,将来融资更便利,也有利于扩大规模。“碳纤维注入的最终时点需要根据产业成熟情况以及资本市场环境共同确定,装入的准确时间具有不确定性。从目前产业发展情况看,2019年启动2020年装入的可能性较大。”时任*ST康得董事会秘书杜文静曾如是说。在钟玉布局的碳纤维项目中,位于山东荣成的康得碳谷科技有限公司(以下简称“康得碳谷”)可谓是大手笔。5月8日,记者在该项目现场走访,现场守卫工人告诉记者,该项目已经停工一段时间了,具体时间不确定。公开资料显示,康得碳谷成立于2017年8月,项目占地6600亩,总投资500亿元,分五期建设,计划于2023年全部建成达产,可年产高性能碳纤维6.6万吨、高性能碳纤维复合材料3万吨。2017年9月,*ST康得公告称,拟与控股股东康得集团、荣成市国有资本运营有限公司共同投资康得碳谷,增资合计130亿元。据天眼查信息显示,*ST康得和荣成国资各出资20亿元,分别占增资后注册资本总额的14.29%;康得集团出资90亿元,占增资后注册资本总额的71.42%。记者了解到,康得碳谷于2018年2月正式动工,同年8月一期工程已经入设备安装调试阶段。但在后来,该项目进展并不顺利。此外,据记者调查了解,位于常州的常州康得复合材料有限公司(以下简称“常州康得”)碳纤维项目并未建设。据了解,该项目原本计划投资120亿元,分三期建成,项目首期将于2019年6月建成投产。据天眼查信息显示,常州康得属于康得集团旗下孙公司,注册资本为12亿元,大股东康得复合材料有限责任公司(以下简称“康得复材”)持有其60%股权。据工商资料显示的地址(常州市新北区春江镇中央花苑241号)记者走访并未发现公司住所。5月8日上午11时许,在常州市春江镇人民政府103室,一位规划审批科的工作人员告诉记者,这个项目因投资方资金链问题,还未真正开始就已经结束。在康得集团布局的碳纤维项目中,位于河北省廊坊市高新技术产业开发区内的中安信技术有限公司(以下简称“中安信”)及康得复材,目前一期项目都已投产。据《廊坊日报》报道,中安信项目总投资50亿元,将分两期建成年产15000吨原丝、5100吨碳丝的高性能碳纤维生产基地,全部采用国际领先的干喷湿纺工艺,规模位居国内第一、世界第五。其中,本次建成投产的一期项目年产5000吨原丝、1700吨碳丝,是我国单体规模最大、具有国际先进水平的高性能碳纤维生产线,产品可满足民用航空、高端工业对高性能碳纤维的需求。2018年8月,廊坊市政府办公室发布的信息显示,廊坊高新区康得复材二期年产12500吨碳纤维复合材料项目开工建设;目前,康得复材年产30万件的碳纤维复合材料汽车轻量化部件一期工程已建成,年产1360万平方米的碳纤维织物厂房也已投入生产。天眼查信息显示,中安信成立于2011年7月,注册资本6.5亿元,康得复材成立于2014年9月,注册资本6.25亿元,法人同为钟玉。其中,*ST康得出资占注册资本比例14.4%,康得集团出资额占注册资本45.6%。2019年5月7日,记者在廊坊高新区走访了解到,中安信和康得复材属于兄弟企业,且中安信业务位于康得复材的上游。中安信工作人员向记者表示,2016年8月一期项目已投产,投产有两年多的时间;不过,目前该厂已经停产两个多月。此种说法得到了廊坊高新区管委会相关工作人员的证实,该工作人员称,今年3月左右,中安信就已经停产,高新区正在想办法向上级部门申请复产。康得复材战略计划部孙部长告诉记者,目前中安信及康得复材这两个工程项目处于建设期当中,两个项目的二期都处于暂停状态。这属于河北省重点项目,各级领导都非常关心,对于两个项目二期暂停情况都已向相关部门做过报备。记者就上述情况向*ST康得方面询问,对方表示不便回复。资金问题待解关于项目暂停的原因,孙部长向记者表示:“是由于资金方面面临的困难。”据其介绍,康得复材项目共占地400亩,总投资33亿元。2013年开始进行前期的准备,2014年~2015年期间开工建设,2017年一期工程建设完成,整体规划,分期建设。二期正在建设当中。2017年9月就已经在试生产,目前环评批复也已经下来了,但由于整个项目环评竣工验收还未下来,只有等到环评验收通过后,才能批量生产。“公司产品主要面向汽车前装市场(汽车零部件)。飞机、工业工程等市场,风电市场也在做,但是现在还没打开。”孙部长表示,根据我们的判断,目前碳纤维产业处于“滚雪球”的中间阶段,未来需求量有巨大空间。“目前来看生产情况基本是稳定的。”孙部长说,首先人员队伍基本稳定,目前有1/3左右的人员流失,其中,60%是公司主动裁员;40%是主动离职。公司目前虽然有一定的流动资金困难,但还是不断在往前推进。“目前公司运转资金,我们是准备好了的,是够的。”孙部长表示:“公司正常运转是没有问题的。因为政府也帮了我们很多,政府也出了资金。廊坊高新区一直在支持我们,无论企业遇到什么困难,政府都在帮助企业融资纾困,经营性债务等等方面提供信用担保之类的工作,帮助我们解决企业现在面临的困境。”事实上,除了廊坊项目之外,位于荣成的项目也因资金问题而停摆。2018年5月18日,针对荣成项目的投资进展情况,*ST康得在回复深交所问询函中称,其20亿元增资款已到位,荣成市国有资本运营有限公司出资的20亿元也已到位,但大股东康得集团的90亿元仅到位2亿元。公司表示,已在2017年10月,将康得集团的出资方式调整为现金及其所持中安信科技有限公司股权的方式出资,于2018年12月31日前完成。不过,2018年12月*ST康得发布公告显示,将其时间表延长至2019年6月30日前。“我们正在联系投资方。”荣成高新区管委会人士告诉记者,由于投资方康得集团资金出现问题,项目暂时停工。该项目主体工程已经建设,工程还没有完成,具体投资金额仍未合算。此次资金风波,让外界对康得资金实力产生疑虑。去年5月,康得新在《关于深交所问询函回复的公告》中披露,康得集团总资产为175.58亿元,净资产25.37亿元,利润总额仅为1.08亿元,对应资产负债率高达85.56%。事实上,在资金承压的同时,*ST康得的部分应收账款回款也出现了异常。2018年年报显示,该公司应收账款余额为48.65亿元,计提坏账准备12.28亿元;此外,根据年报披露,审计机构尚未完成对康得新相关客户的走访和核实,独立董事认为,从应收账款的历史数据和回款情况分析,应收账款全额或大部分收回的可能性不大。*ST康得方面表示,目前该公司客户的回款已经出现异常,公司正在进一步核查,客户回款出现异常的原因。据*ST康得方面透露,其在自查过程中审查了相关的合同、发票、出入库单据、验收单据、运输单据、记账凭证,现有交易资料显示符合一般商业逻辑。2018年年报发布后,*ST康得对上述交易持续自查,但由于相关人员离职或失联,业务资料交接缺失,客户配合意愿较差,出于谨慎考虑,*ST康得尚不能排除存在个别工作人员违反内控制度进行违规操作的可能性。来源:中国经营报特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络,发布的目的在于传递更多信息及分享,并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责,也不构成任何其他建议。版权归原作者所有,任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议,请第一时间联系我们,我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公 众号稳定发展,本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台,对广告内容的真实性或有效性不做评价,请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关,特此声明。来源:碳纤维生产技术

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