Многофункциональные ауксетики и сотовые композиты из 3D-тканых заготовок из углеродного волокна.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 22593 (2022) Цитировать эту статью

Доступы за 2016 год

1 Цитаты

Подробности о метриках

Трехмерные (3D) тканые композиты начали находить применение в различных отраслях промышленности, в основном в аэрокосмической отрасли и, возможно, в автомобилестроении. 3D-ткани могут быть спроектированы так, чтобы формировать сложные заготовки почти чистой формы, готовые к автоматизированному производству композитов. Трехмерная сотовая ткань предназначена для придания готовым композитам дополнительных функций, таких как положительные и отрицательные коэффициенты Пуассона. В этом исследовании сложные сотовые конструкции были созданы с использованием различных конструкций переплетения, чтобы продемонстрировать эффекты ауксетического поведения при изготовлении композитной структуры. Для плетения спроектированной сотовой структуры использовалась система 3D-плетения Staubli, оснащенная жаккардовым полотном UNIVAL 100 и шпулярником из 3072 жгутов 6-килограммового углеродного волокна. С помощью вставок из твердого полиэстера 3D-тканые ткани были преобразованы в сотовые и ауксетические преформы. Эти преформы были залиты эпоксидной смолой для изготовления набора сотовых и ауксетических композитных структур. Доказано, что по сравнению с базовой сотовой структурой разработанные ауксетики имеют отрицательные коэффициенты Пуассона - 2,86 и - 0,12 при испытаниях на растяжение и сжатие соответственно.

Многофункциональные 3D-тканые композиты обладают способностью поглощать энергию при постепенном разрушении, сохраняя при этом постепенное снижение профиля нагрузки после начала разрушения1,2. Следовательно, они представляют большой интерес в ситуациях, когда способность выдерживать ударную или ударную нагрузку является требованием к конструкции. Тканые 3D-композиты начинают находить применение в различных секторах, особенно в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Несколько OEM-производителей и производителей первого уровня активно исследуют эти структуры. В аэрокосмической отрасли 3D-тканые конструкции уже используются в лопастях и корпусах вентиляторов. Разработка находится на ранней стадии, и существует множество возможностей для улучшения ударных характеристик и оптимизации веса конструкции. Важно, чтобы конструкции, используемые в таких транспортных средствах, как автомобили, автобусы и поезда, были точно предсказуемыми, а производство повторялось. Также есть возможность с помощью 3D плетения добавить в композиты дополнительную функциональность.

3D-ткачество — это специализированная деятельность, и существует очень мало центров, способных проводить необходимые исследования. Производители текстиля, такие как DORNIER и STAUBLI, производят 3D-ткацкие станки, но 3D-ткани для композитов в настоящее время находятся в зачаточном состоянии. В Великобритании такие компании, как Sigmatex UK Ltd, M Wrights & Sons и Antich & Sons, разработали внутренние возможности для использования 3D-ткачества, но для внедрения такой технологии по всей цепочке поставок необходимы дополнительные исследования и разработки. Недавно AMRC Университета Шеффилда создал возможности 3D-ткачества, которые будут использоваться для преодоления разрыва и поддержки промышленности.

Тканые 3D-преформы способны продемонстрировать многофункциональность при производстве современных композитов. Одной из многофункциональных трехмерных структур является ауксетическая функциональность, которую необходимо изучить и продемонстрировать промышленности. Это могут быть расширяемые конструкции сотового типа3, которые можно будет сплести и протестировать, чтобы продемонстрировать возможности и потенциально улучшить механические характеристики с высокой устойчивостью к повреждениям, таким как удары, сжатие и удары. На рисунке 1 показано, чем ауксетическая структура отличается от традиционной сотовой структуры с точки зрения ее геометрии, т.е. ауксетический материал, подвергающийся растяжению, будет увеличиваться в размерах в направлении, поперечном приложенной растягивающей силе. Ауксетичная структура имеет ряд преимуществ в аварийной ситуации, например, хорошее поглощение энергии, однако воспроизводимое производство ауксетической структуры с предсказуемым поведением требует дальнейшей работы4.