三维编织物的缝合连接技术研究

    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^[1]。
    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^[2]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^[3,4]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。