3D-kompositer

Tredimensionella kompositer använder fiberförformar konstruerade av garn eller trådar arrangerade i komplexa tredimensionella strukturer. Dessa kan skapas från en 3D-vävprocess, en 3D-stickningsprocess, en 3D-flätningsprocess eller en 3D-läggning av korta fibrer. Ett harts appliceras på 3D-förformen för att skapa kompositmaterialet. Tredimensionella kompositer används i högkonstruerade och högtekniska tillämpningar för att uppnå komplexa mekaniska egenskaper. Tredimensionella kompositer är konstruerade för att reagera på spänningar och töjningar på sätt som inte är möjliga med traditionella kompositmaterial som består av enkelriktade tows, eller 2D-vävda kompositer, sandwich-kompositer eller staplade laminatmaterial.

3D vävda kompositer

Tredimensionella vävda tyger är tyger som kan formas till nästan nettoform med avsevärd tjocklek. Det finns inget behov av skiktning för att skapa en del, eftersom ett enda tyg ger den fullständiga tredimensionella förstärkningen. Det 3D-vävda tyget är en variant av 2D- vävprocessen , och det är en förlängning av den mycket gamla tekniken att skapa dubbel- och trippelvävt tyg. 3D-vävning möjliggör tillverkning av tyger upp till 10 cm i tjocklek. Fibrer placerade i tjockleksriktningen kallas z-garn, varpvävare eller bindgarn för 3D-vävda tyger. Mer än ett lager tyg vävs samtidigt, och z-garn sammanflätar varp- och inslagsgarn av olika lager under processen. I slutet av vävprocessen produceras en integrerad 3D-vävd struktur, som har en betydande tjocklek. Tredimensionella vävda strukturer kan skapa kompositmaterial med fibervolymfraktioner på cirka 50 % i både 3D-enhetscell och 3D ortogonala strukturer.

Tredimensionella vävda strukturer med vinkellåsning är också vanliga för att skapa mycket tjockare vävda förformar. I interlock-strukturerna kan garn vävas från ett lager av garn till ett annat och sedan tillbaka till det ursprungliga lagret för att låsa intilliggande lager till varandra. I komplexa sammanlåsningsstrukturer kan garn vävas vid specificerade punkter i flera lager för att sammanfoga flera lager. Dessa strukturer har en stor fördel jämfört med laminerade material på grund av deras utmärkta motstånd mot skiktdelaminering.

Genom att använda jacquardvävda tekniker som bifurkation, kan de vävda 3D-förformarna skapas till nästan oändliga former, allt från en standard I-Beam till en komplex sinuskurva I-Beam, till Aircraft Airfoils och många andra former. 3D-vävda kompositer, färdiga med hartsöverföringsgjutning har producerats som är längre än 26 fot.

3D-vävda kompositer används för olika tekniska tillämpningar, inklusive motorrotorer, raketnoskoner och munstycken, motorfästen, flygplansramverk, T- och X-formade paneler, framkanter för flygplansvingar och I-balkar för civil infrastruktur.

Klassificering av 3D-vävda tyger

Det finns flera typer av 3D-vävda tyger som är kommersiellt tillgängliga; de kan klassificeras enligt deras vävteknik.

1. 3D-vävda interlock-tyger , är 3D-vävda tyger som produceras på en traditionell 2D- vävväv , med rätt vävdesign och tekniker, det kan antingen ha vävaren/z-garnet som går genom hela tygets tjocklek eller från lager till lager.
2. 3D ortogonala vävda tyger , är 3D-vävda tyger som produceras på en speciell 3D-vävväv. Processen för att bilda ett sådant tyg patenterades av Mohamed och Zhang. Arkitekturen hos det 3D ortogonala vävda tyget består av tre olika uppsättningar garn; varpgarn (y-garn), inslagsgarn (x-garn) och (z-garn). Z-garn placeras i förformens genomgående tjockleksriktning. I 3D ortogonalt vävt tyg finns det ingen sammanflätning mellan varp- och inslagsgarn och de är raka och vinkelräta mot varandra. Å andra sidan kombinerar z-garn varpen och väftskikten genom att fläta (flytta sig upp och ner) längs y-riktningen över väftgarnet. Sammanflätning sker på ovan- och undersidan av tyget.

Fördelar

• 3D-vävda tyger är mycket användbara i applikationer där kompositstrukturen utsätts för belastning utanför planet, tack vare den extra styrkan som tillhandahålls av z-garnet i dimensionen genomgående tjocklek. Således kan den bättre motstå delaminering , vilket är separationen av skikt på grund av krafter utanför planet.
• 3D-vävda tyger har en hög formbarhet , vilket innebär att de lätt kan ta formen av formen vid komplexa kompositdesigner.
• 3D-vävda tyger har en mycket porös struktur, vilket minskar hartsinfusionstiden .
• 3D ortogonala vävda tyger har mindre eller ingen garnkrympning (skillnaden i längd på garn, före och efter vävning); därför används fibrernas mekaniska egenskaper nästan fullt ut i varp- och väftriktningar. Således skulle den kunna dra nytta av den maximala belastningskapaciteten hos högpresterande fibrer i dessa riktningar.
• Formen på 3D-vävda tyger kan avsmalnande i alla tre riktningarna under vävningsprocessen, vilket ger tyger i nästan nätform som I-balkar och förstyvningar. Detta innebär att dessa förformar kan placeras direkt i formen utan extra arbetsarbete.
• Det finns inget behov av skiktning för att skapa en del, eftersom det enda tyget har en avsevärd tjocklek som ger den fullständiga tredimensionella förstärkningen.
• Det 3D-vävda tyget kan formas till olika former och kan användas i biologiska tillämpningar för att skapa ersättningsvävnader

3D-flätade kompositer

" 3D-flätade tyger är en förlängning av den väletablerade 2-D-flätningstekniken där tyget är konstruerat genom sammanflätning av två eller flera garnsystem för att bilda en integrerad struktur." Utvecklad i slutet av 1960-talet, i ett försök att kringgå problemen relaterade till 2D-kompositlaminat men samtidigt behålla fördelarna med flätningsprocessen. Flätade strukturer, som används som kompositförformar, har ett antal fördelar jämfört med andra konkurrerande processer, såsom filamentlindning och vävning.

Flätade kompositer har överlägsen seghet och utmattningshållfasthet i jämförelse med filamentlindade kompositer. Vävda tyger har ortogonal sammanflätning medan flätorna kan konstrueras över ett brett spektrum av vinklar, från 10 till 858. Ytterligare en uppsättning axiella garner kan införas i flätningsprocessen för att producera triaxiala flätor (Fig. 1); triaxiala flätor är mer stabila och uppvisar nästan isotropa egenskaper.

för 3d-kompositer

Flätor kan tillverkas antingen som sömlösa rör eller platta tyger med en kontinuerlig kant. Kompositer framställda med de flätade förformarna uppvisar överlägsen styrka och sprickbeständighet jämfört med breddukskompositer, på grund av fiberkontinuitet; Kompositer med flätade hål (Fig. 2) uppvisar cirka 1,8 gånger styrkan jämfört med borrade hål, återigen på grund av fiberkontinuitet.

för 3d-kompositer

Det finns två huvudtyper av 3D-flätor, hornredskap och spår- och pelartyper. Hornväxeltyp 3D-flätare använder ett stort antal traditionella hornväxlar för framdrivning av bärare. Genom att anordna hornväxlarna i en kvadrat kan 3D solida flätor med en mängd olika tvärsnitt (t.ex. H-sektion) produceras.

Tillämpningar av 3D-flätade kompositer

• Propellerblad, framdrivningsaxlar, propellrar
• Fackverksdäck, landningsplattor
• Bilkarosser, chassi, drivaxlar
• Biomedicinska apparater

3D-sydda kompositer

Stygn av laminat i genomgående tjockleksriktning med en höghållfast tråd har visat sig vara en enkel, billig metod för att producera 3D-kompositer. Syprocessen innebär i grunden att garn med hög draghållfasthet (t.ex. glas, kol eller Kevlar) sys genom ett ohärdat prepreg-laminat eller torra tyglager med en industriell symaskin.

Studier rapporterar en förbättring av de mekaniska egenskaperna i planet på grund av sömmar, medan andra finner oförändrade eller försämrade egenskaper. Data som samlats för häftade laminat visar att spänningen, kompressionen, böjningen, skjuvningen och hållfastheten i öppna hål förbättras eller försämras upp till 20 % genom sömmar i förhållande till de för osömda laminat.

Tillämpningar av 3D-sydda kompositer

• Knäleder
• Förstyvade paneler
• Flygplan ving-till-spar leder

3D Z-Pinning

Denna alternativa metod till standardsömnadsprocessen introducerades först i slutet av 1980-talet och utvecklades kommersiellt av företaget Aztex som Z-Fiber-teknologi. "Denna teknik består av att bädda in tidigare härdade förstärkningsfibrer i ett termoplastiskt skum som sedan placeras ovanpå en prepreg, eller torrt tyg, läggs upp och vakuumförpackas." 12 Skummet kommer att kollapsa när temperaturen och trycket ökar, vilket gör att fibrerna långsamt kan tryckas in i uppläggningen. 3D-förstärkning med avseende på Z-pinning är nödvändig för att införa en mekanisk länk mellan de olika skikten av kompositlamina, denna länk är en styv kolfiberstav i Z-pinning. Z-stift (kolfiber med liten diameter inbäddad i tjockleksriktningen-z) kompositer är ett sätt att ge högre styvhet och styrka genom tjockleken som 2D-vävda kompositer inte har.

Applicering av 3D Z-stiftade kompositer

• Förstärkning av inloppskanalpaneler och fästande hattformade förstyvningar på F/A-18 Super Hornet stridsflygplan.

Hartsapplicering på tredimensionella förformar

Många tredimensionella förformar omvandlas till komplexa kompositmaterial när ett harts appliceras och härdas i förformen för att skapa en solid fiberarmerad matris. Den vanligaste formen av hartsapplikation för 3D-förformar är Resin Transfer Molding-processen där en form skapas i form av en förform och förformen sedan placeras inuti. Formen stängs och sedan injiceras hartset från matrismaterialet under speciell temperatur och tryck och får sedan härda. formen tas sedan bort från utsidan av 3D-kompositmaterialet.

Mekanisk utvärdering av 3D-kompositer vs. 2D-kompositer

Mikrostrukturen hos en 3D-vävd komposit bestäms huvudsakligen av fiberarkitekturen till den vävda förformen och vävprocessen, och i mindre utsträckning av konsolideringsprocessen. Olika typer av defekter skapas oavsiktligt under 3D-vävningsprocessen som möjligen kan försämra 3D-kompositens egenskaper i planet, genom tjocklek och stötegenskaper. Forskning har funnit att testning av olika 3D-kompositmaterial som "...styrkan är samma eller något högre än ett motsvarande tvådimensionellt (2D) material." Jämfört med en 2D-komposit förbättras slaghållfastheten, kompression efter stöt (CAI) och delamineringskontrollen avsevärt med en 3D-komposit utan att de mekaniska egenskaperna i planet avsevärt minskas.