西安工程大学樊威教授团队在3D缝合复合材料方面取得系列进展

3D缝合是指用缝线贯穿2D织物厚度方向使其连接成3D立体结构，或使分离的多块织物连接成整体结构的一种技术。采用该技术制备的3D缝合复合材料具有优异的抗分层性能，并且相比3D编织和3D机制预制体具有更低生产成本。因此，近些年来在航空、航天、船舶和汽车等领域获得广泛应用（图1）。

图1 3D缝合复合材料原理图及其应用领域

樊威教授团队以题“A review on three-dimensional stitched composites and their research perspectives”在复合材料领域顶级期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing（SCI一区Top，IF: 9.46）发表综述文章，从缝合方法、缝合设备、缝合参数和缝合复合材料的力学性能等方面对三维缝合复合材料进行了系统介绍（图2），并提出了当前亟需解决的科学问题与工程问题。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106730。论文第一作者为樊威教授团队硕士研究生宋晨阳，共同第一作者为刘涛副教授，通讯作者为樊威教授。

图2 3D缝合方式及其设备类型

基于此，樊威教授团队以3D缝合复合材料为研究对象，首先研究了缝合对复合材料弯曲疲劳失效机理的影响，该研究借助高速摄影技术原位捕捉2D层合复合材料和3D缝合复合材料在不同应力水平载荷作用下疲劳损伤扩展过程（图3），分析了两种复合材料弯曲疲劳损伤演化机理之间的差异。研究表明：不同于2D层合复合材料难以判断灾难性疲劳失效，3D缝合复合材料失效前发生缝线的损伤断裂，这种损伤可通过设计缝线而被监测，从而预判结构件的失效。此外，研究表明采用力学性能更为优异的纤维作为缝线有望改善3D缝合复合材料弯曲疲劳性能。该研究成果以“Flexural fatigue properties and failure propagation of 3D stitched composites under 3-point bending loading”为题发表在疲劳领域顶级期刊International Journal of Fatigue（SCI一区Top, IF：5.489）上，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106507。论文第一作者为樊威教授团队硕士研究生宋文，共同第一作者为刘涛副教授，通讯作者为樊威教授。

图3 低应力水平下弯曲疲劳失效过程

在揭示缝合对复合材料疲劳性能影响规律的基础上，继而采用不同缝线（碳纤维缝线、PBO缝线）制备了3D缝合复合材料，研究不同类型缝线对3D缝合复合材料弯曲疲劳性能的影响规律。结果表明：以韧性更好的PBO作为缝线的3D缝合复合材料比采用T700碳纤维作为缝线的3D缝合复合材料具有更高的弯曲疲劳性能（图4）。该研究成果以“Effects of stitching yarn types on flexural fatigue properties of 3D stitched carbon fiber composites”为题发表在聚合物性能和测试方面的权威期刊Polymer testing（SCI一区Top, IF：4.28）上。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2022.107744。论文第一作者为樊威教授团队硕士研究生宋文，共同第一作者为刘涛副教授，通讯作者为樊威教授。

图4 (a) 3DSC-Carbon和3DSC-PBO的归一化S-N拟合曲线；(b) 疲劳载荷下3DSC-Carbon和3DSC-PBO的循环蠕变曲线

此外，课题组在室温和100 ℃下研究了缝线类型（碳纤维缝线、芳纶缝线、PBO缝线、蚕丝缝线）对3D缝合复合材料层间剪切性能的影响规律及其失效机理。该研究首次定量测定了纤维/树脂在100 ℃下的界面强度（图5），并对其机理进行了深入研究。结果表明，TFB-碳纤维表现出最好的界面强度，其次为TFB-蚕丝和TFB-PBO，TFB-芳纶界面强度最弱，比室温下界面强度降低了65.1%。对3D缝合复合材料进行了双切口剪切实验测试，研究了不同缝线对缝合复合材料层间剪切强度（ILSS）影响，同时采用高速摄影系统对复合材料在室温下的破坏过程进行了记录和捕捉（图6）。结果表明：碳纤维作为缝线，在室温和100 ℃下都表现出良好的阻碍分层扩展的作用，但缝合过程中由于碳纤维本身的脆性，会产生较多纤维断丝。而PBO纤维、蚕丝纤维和芳纶纤维则弥补了碳纤维的这种缺点。在工程应用中PBO纤维是继碳纤维外更适合航空、航天等先进领域考虑在室温下应用的缝线，但该种纤维价格较为昂贵。3DAFSCs在四种缝合复合材料中ILSS最低。芳纶纤维和蚕丝纤维较碳纤维和PBO纤维成本低廉。因此，在满足力学性能要求的情况，采用耐高温的芳纶纤维作为缝线更适合应用于高温场，蚕丝纤维可以在室温件下替代碳纤维作为缝线进行缝合。具体的选择情况还应根据实际应用条件决定。但这一发现将为低成本、高性能航空复合材料的设计和制备提奠定理论基础，促进3D缝合复合材料应用领域的扩展。相关研究结果以“Effects of stitch yarns on inter-laminar shear behavior of three-dimensional stitched carbon fiber epoxy composites at room temperature and high temperature”为题发表在国际多学科综合学术期刊Advanced Composites and Hybrid Materials上（中科院大类学科二区，Q1分区, IF: 11.806）。原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-022-00526-y。论文共同第一作者为樊威教授团队硕士研究生孙岩和宋晨阳，通讯作者为樊威教授。

图5 高温对不同种类缝线/环氧树脂基体界面性能的影响

图6 缝线和温度对复合材料ILSS的影响及室温下复合材料失效过程

西安工程大学樊威教授带领的“智能-功能纺织复合材料创新团队（入选陕西高校青年创新团队）”长期从事结构-功能一体化纺织复合材料的研发及应用工作，可以研发和生产如图7所示的各种类型的纤维集合体，特别是3D编织、3D机织，3D缝合、3D针织、3D针刺各类高性能能纤维预制件及其复合材料。相关纤维集合体的设计和加工工艺在樊威教授主编的“十四五”普通高等教育本科部委级规划教材《纤维集合体设计》（图8）中有详细介绍。欢迎科研界和产业界的朋友一起合作交流。

图7 纤维集合体的形态            

图8 纤维集合体设计教材

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