3D縫合是指用縫線貫穿2D織物厚度方向使其連接成3D立體結(jié)構(gòu)，或使分離的多塊織物連接成整體結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)。采用該技術(shù)制備的3D縫合復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗分層性能，并且相比3D編織和3D機(jī)制預(yù)制體具有更低生產(chǎn)成本。因此，近些年來在航空、航天、船舶和汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用（圖1）。

圖1 3D縫合復(fù)合材料原理圖及其應(yīng)用領(lǐng)域

樊威教授團(tuán)隊(duì)以題“A review on three-dimensional stitched composites and their research perspectives”在復(fù)合材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing（SCI一區(qū)Top，IF: 9.46）發(fā)表綜述文章，從縫合方法、縫合設(shè)備、縫合參數(shù)和縫合復(fù)合材料的力學(xué)性能等方面對(duì)三維縫合復(fù)合材料進(jìn)行了系統(tǒng)介紹（圖2），并提出了當(dāng)前亟需解決的科學(xué)問題與工程問題。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106730。論文第一作者為樊威教授團(tuán)隊(duì)碩士研究生宋晨陽，共同第一作者為劉濤副教授，通訊作者為樊威教授。

圖2 3D縫合方式及其設(shè)備類型

基于此，樊威教授團(tuán)隊(duì)以3D縫合復(fù)合材料為研究對(duì)象，首先研究了縫合對(duì)復(fù)合材料彎曲疲勞失效機(jī)理的影響，該研究借助高速攝影技術(shù)原位捕捉2D層合復(fù)合材料和3D縫合復(fù)合材料在不同應(yīng)力水平載荷作用下疲勞損傷擴(kuò)展過程（圖3），分析了兩種復(fù)合材料彎曲疲勞損傷演化機(jī)理之間的差異。研究表明：不同于2D層合復(fù)合材料難以判斷災(zāi)難性疲勞失效，3D縫合復(fù)合材料失效前發(fā)生縫線的損傷斷裂，這種損傷可通過設(shè)計(jì)縫線而被監(jiān)測(cè)，從而預(yù)判結(jié)構(gòu)件的失效。此外，研究表明采用力學(xué)性能更為優(yōu)異的纖維作為縫線有望改善3D縫合復(fù)合材料彎曲疲勞性能。該研究成果以“Flexural fatigue properties and failure propagation of 3D stitched composites under 3-point bending loading”為題發(fā)表在疲勞領(lǐng)域頂級(jí)期刊International Journal of Fatigue（SCI一區(qū)Top, IF：5.489）上，原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106507。論文第一作者為樊威教授團(tuán)隊(duì)碩士研究生宋文，共同第一作者為劉濤副教授，通訊作者為樊威教授。

圖3 低應(yīng)力水平下彎曲疲勞失效過程

在揭示縫合對(duì)復(fù)合材料疲勞性能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，繼而采用不同縫線（碳纖維縫線、PBO縫線）制備了3D縫合復(fù)合材料，研究不同類型縫線對(duì)3D縫合復(fù)合材料彎曲疲勞性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：以韌性更好的PBO作為縫線的3D縫合復(fù)合材料比采用T700碳纖維作為縫線的3D縫合復(fù)合材料具有更高的彎曲疲勞性能（圖4）。該研究成果以“Effects of stitching yarn types on flexural fatigue properties of 3D stitched carbon fiber composites”為題發(fā)表在聚合物性能和測(cè)試方面的權(quán)威期刊Polymer testing（SCI一區(qū)Top, IF：4.28）上。原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2022.107744。論文第一作者為樊威教授團(tuán)隊(duì)碩士研究生宋文，共同第一作者為劉濤副教授，通訊作者為樊威教授。

圖4 (a) 3DSC-Carbon和3DSC-PBO的歸一化S-N擬合曲線；(b) 疲勞載荷下3DSC-Carbon和3DSC-PBO的循環(huán)蠕變曲線

此外，課題組在室溫和100 ℃下研究了縫線類型（碳纖維縫線、芳綸縫線、PBO縫線、蠶絲縫線）對(duì)3D縫合復(fù)合材料層間剪切性能的影響規(guī)律及其失效機(jī)理。該研究首次定量測(cè)定了纖維/樹脂在100 ℃下的界面強(qiáng)度（圖5），并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，TFB-碳纖維表現(xiàn)出最好的界面強(qiáng)度，其次為TFB-蠶絲和TFB-PBO，TFB-芳綸界面強(qiáng)度最弱，比室溫下界面強(qiáng)度降低了65.1%。對(duì)3D縫合復(fù)合材料進(jìn)行了雙切口剪切實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究了不同縫線對(duì)縫合復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度（ILSS）影響，同時(shí)采用高速攝影系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料在室溫下的破壞過程進(jìn)行了記錄和捕捉（圖6）。結(jié)果表明：碳纖維作為縫線，在室溫和100 ℃下都表現(xiàn)出良好的阻礙分層擴(kuò)展的作用，但縫合過程中由于碳纖維本身的脆性，會(huì)產(chǎn)生較多纖維斷絲。而PBO纖維、蠶絲纖維和芳綸纖維則彌補(bǔ)了碳纖維的這種缺點(diǎn)。在工程應(yīng)用中PBO纖維是繼碳纖維外更適合航空、航天等先進(jìn)領(lǐng)域考慮在室溫下應(yīng)用的縫線，但該種纖維價(jià)格較為昂貴。3DAFSCs在四種縫合復(fù)合材料中ILSS最低。芳綸纖維和蠶絲纖維較碳纖維和PBO纖維成本低廉。因此，在滿足力學(xué)性能要求的情況，采用耐高溫的芳綸纖維作為縫線更適合應(yīng)用于高溫場(chǎng)，蠶絲纖維可以在室溫件下替代碳纖維作為縫線進(jìn)行縫合。具體的選擇情況還應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件決定。但這一發(fā)現(xiàn)將為低成本、高性能航空復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制備提奠定理論基礎(chǔ)，促進(jìn)3D縫合復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。相關(guān)研究結(jié)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”為題發(fā)表在國(guó)際多學(xué)科綜合學(xué)術(shù)期刊Advanced Composites and Hybrid Materials上（中科院大類學(xué)科二區(qū)，Q1分區(qū), IF: 11.806）。原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-022-00526-y。論文共同第一作者為樊威教授團(tuán)隊(duì)碩士研究生孫巖和宋晨陽，通訊作者為樊威教授。

圖5 高溫對(duì)不同種類縫線/環(huán)氧樹脂基體界面性能的影響

圖6 縫線和溫度對(duì)復(fù)合材料ILSS的影響及室溫下復(fù)合材料失效過程

西安工程大學(xué)樊威教授帶領(lǐng)的“智能-功能紡織復(fù)合材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（入選陜西高校青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)）”長(zhǎng)期從事結(jié)構(gòu)-功能一體化紡織復(fù)合材料的研發(fā)及應(yīng)用工作，可以研發(fā)和生產(chǎn)如圖7所示的各種類型的纖維集合體，特別是3D編織、3D機(jī)織，3D縫合、3D針織、3D針刺各類高性能能纖維預(yù)制件及其復(fù)合材料。相關(guān)纖維集合體的設(shè)計(jì)和加工工藝在樊威教授主編的“十四五”普通高等教育本科部委級(jí)規(guī)劃教材《纖維集合體設(shè)計(jì)》（圖8）中有詳細(xì)介紹。歡迎科研界和產(chǎn)業(yè)界的朋友一起合作交流。

圖7 纖維集合體的形態(tài) ? ? ? ? ? ?

圖8 纖維集合體設(shè)計(jì)教材

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