複合材料縫合技術(shù)とは、縫合線(xiàn)を用いて多層織物を準(zhǔn)三次元立體織物に結(jié)合させたり、分離された數(shù)枚の織物を全體構(gòu)造に連結(jié)させる複合材料予備體制の技術(shù)である。この技術(shù)は20世紀(jì)後半に始まり、複合材料の層間損傷の許容範(fàn)囲を高め、複合材料の耐衝撃性を大幅に改善することで注目され、近年では広く応用されています。

本稿は複合材料の縫合技術(shù)の特徴を紹介し、主な縫合方式とプロセスパラメータとその最適な適用範(fàn)囲をまとめ、縫合技術(shù)が複合材料の引張、圧縮、曲げ、層切り及び衝撃後圧縮などの重要な機(jī)械的性能に影響する主な研究成果をまとめ、複合材料縫合技術(shù)の國(guó)內(nèi)外の重大な研究と応用進(jìn)展について述べ、展望を示した。

一、縫合技術(shù)の特徴

伝統(tǒng)的な複合材料の紡績(jī)、編み及び敷き合わせ技術(shù)に対して、縫合技術(shù)は主に以下の特徴を備えています。

①設(shè)計(jì)性が強(qiáng)く、既製體の敷層方向を縫合し、敷層距離と繊維構(gòu)造などを最適化して組み合わせることができます。また、縫合方法と縫合エリアも必要に応じて調(diào)整できます。

②縫合は元の繊維分布に影響が少ない上に、縫合パラメータの合理的な設(shè)定により、ある程度の全體構(gòu)造が得られ、合理的な均質(zhì)応力狀態(tài)に達(dá)する。

③縫い目は大部分の荷重に耐えられ、かつ周?chē)欷螛?shù)脂の応力集中を減少させ、複合材料の層間性能を著しく向上させることができる。

④高度自動(dòng)化が可能で、縫合の整合性と縫合効率を高めるための高度自動(dòng)化縫合設(shè)備が開(kāi)発されました。

⑤組立プロセスが優(yōu)れ、縫合は接続技術(shù)として、複合材料の他の接続技術(shù)（接著、リベット等）と比較して、複合材料の全體性が強(qiáng)く、局所応力集中が発生しにくい。

　　二、主な縫合方法と工蕓パラメータ

構(gòu)造応用には主に3種類(lèi)の縫合方式を採(cǎi)用しています。すなわち、改良されたロック縫い合わせ、チェーン縫い合わせ及びクラスタダウン工法（Tufting）縫い合わせ（詳細(xì)は図1に示す通り）。ロック縫合は両面縫合に屬し、改良されたロック縫合の中で、縫製された縫製針は既製體側(cè)から持ち込まれ、ボトムとセットした後に縫製針によって次のループが行われ、ラインとボトムの結(jié)び目は既製體の表面に位置しています。

ロック縫合は一般的に予制體に対してより小さな曲率変化が要求されていますが、現(xiàn)在は広く大サイズの壁板のへり縫合及び補(bǔ)強(qiáng)筋と蒙皮の接続縫合に応用されています?？p合の厚さは20 mmまでです。チェーン縫合は片面縫合に屬し、曲がった月形の縫製針は振り子の針と同じ?jìng)?cè)にあり、縫い針が縫糸の方向に動(dòng)くにつれて、前駆體を繰り返し貫き、巻き取りを連結(jié)しています。具體的には図1（b）に示されています。チェーン式の縫い合わせは、通常、曲率が大きく、薄く、予制體の縫合に適用されます。縫合の厚さは普通10 mmを超えません。

Tufting縫合も片面縫合の一種であり、縫合は予制體の側(cè)から反対側(cè)に縫製針に従って貫通し、縫製が終わる時(shí)は縫合を事前に體內(nèi)に殘して縫合を完了します。具體的には図1（c）に示します。Tufting縫合は厚い予制體を縫合することができますが、単純なTufting縫合は縫合線(xiàn)と予制體內(nèi)部の繊維の摩擦力だけで縫製線(xiàn)を維持するので、他の位置決め方式で縫合を予制體內(nèi)部に殘し、縫合品質(zhì)を向上させる必要があります。

主な縫合パラメータは縫合の種類(lèi)、縫合の直徑、縫合の密度及び縫合の方向などを含み、これらのプロセスパラメータは予制體の固化後の性能に直接影響を與えることができる?？p合線(xiàn)を選ぶ時(shí)、主に縫合線(xiàn)の強(qiáng)度、耐摩耗性、耐溫性及び対応する樹(shù)脂システムとの整合性を考慮して、よくある縫製の種類(lèi)は炭素繊維、ガラス繊維、凱芙拉繊維及びポリエステルである。高溫に耐えるケイ芙拉繊維は、例えば凱夫拉（Kevlar 29）、軽量、耐摩耗性、靭性が高く、現(xiàn)在広く航空分野に応用されています。

直徑の大きい縫い目は複合材料の層間損傷許容度をより良く向上させることができますが、同時(shí)に既製體內(nèi)部の繊維の曲げ、損傷及び製造部品內(nèi)部の縫い目における樹(shù)脂の堆積を増大させ、これによって、製材の引張、圧縮強(qiáng)度の低下をもたらします。

縫合密度は主に縫合線(xiàn)の針距離と行間の2つのパラメータを含んでいます?？p合密度が大きいほど、プレハブ內(nèi)部の繊維損傷と繊維屈曲現(xiàn)象が深刻になり、プレハブ內(nèi)部の富脂領(lǐng)域も多くなり、製材面內(nèi)の性能にも大きな影響を與えます。したがって、複合材料の作製全體の性能を向上させるために、縫合密度を合理的に設(shè)計(jì)するべきである。中航複合材料有限責(zé)任公司の趙龍などの研究によると、縫合密度は5～6針/cm 2の時(shí)に、材料の総合性能が一番いいです。予制體は通常、縫合方向が0°、45°、90°であるが、複合材料の引張強(qiáng)度は縫合方向の影響を大きく受け、その中で0°縫合の製法強(qiáng)度は最も低く、45°と90°の縫合は相當(dāng)である。

三、縫合が複合材料の機(jī)械的性質(zhì)に及ぼす影響

縫い合わせは、プレ製作體の內(nèi)部繊維の屈曲と損傷をもたらし、縫い目に脂肪分が多くなりやすいので、応力集中點(diǎn)を形成します。これは縫合による材料面內(nèi)性能の低下の主な原因です。しかし、縫い合わせは複合材料の層間損傷耐性を大幅に向上させ、縫い目の存在が亀裂の拡大を阻止するなど、複合材料の機(jī)械的性質(zhì)に及ぼす影響は複合効果があります。

多くの研究により，縫合は材料の引張強(qiáng)度の低下をもたらし，また，その特性のために，材料の破壊パターンは従來(lái)の複合材料層の合板と大きく異なっており，縫合密度と縫い目直徑の増加に伴って，引張強(qiáng)度は徐々に低下することがわかった。しかし、魏玉卿などの研究で、縫合密度≦5～6針/cm 2の場(chǎng)合、材料の引張破壊パターンは主に繊維の破斷であり、複合材料の引張強(qiáng)度損失率は大きくないことが分かりました。

材料の圧縮強(qiáng)度に対する縫合の影響は簡(jiǎn)単な増減関係ではなく、積層板の設(shè)計(jì)及び縫合パラメータの影響を受けて、複合材料の積層板の圧縮強(qiáng)度が上昇したり、低下したりすることがあります。程小全などの研究により，縫合は0°一方向?qū)雍习澶螆R縮性能をより多く低減し，約24%に達(dá)したが，90°積層板の圧縮性能には極めて小さい影響を與えることが分かった。呉剛等は、2 Sの縫合積層の圧縮性能を研究したところ、縫合は圧縮性能に対して大きく低下しないこと、また、縫合パラメータを変更し、圧縮性能が向上する傾向があり、0°方向の縫合は積層板の圧縮性能に影響が最小であることが分かりました。

多くの學(xué)者は縫合が複合材料層の合板の曲げ性能を低下させるが、減少の度合いは一般に20%を超えず、また縫合密度は材料の曲げ性能にあまり影響しないことを発見(jiàn)した。しかし、劉莉さんはその研究で、縫合密度を適切に最適化することで、縫合密度が4針/cm 2の材料のように、縫合前の屈曲強(qiáng)度より27.8%向上することが分かった。孫其永氏はまた、三次元編組複合材料の屈曲特性を縫合するシステム研究を行い、編物角は20°で、接合長(zhǎng)は70 mmで、中密度縫合の縫合接続は三次元編組複合材料試験片の屈曲性能が優(yōu)れているという結(jié)論を得た。

複合材料の縫合層合板のせん斷強(qiáng)度は，縫合密度の増加とともに，先に上昇して減少する傾向を示したが，これは縫合密度が大きすぎると，繊維損傷と縫合線(xiàn)に脂肪が多くなり，応力集中が顕著になり，積層板のせん斷強(qiáng)度がむしろ低下するためである?？pい合わせ密度最適値の焦點(diǎn)は積層板の敷設(shè)順序と縫い合わせパラメータに依存する?？pい合わせは、積層板のGIC値を著しく向上させ、縫い合わせ密度を増加させ、縫い目強(qiáng)度を減少させ、縫い目のYoung率を減少させ、テストピースの厚さと軸剛性を増加させ、テストピースのGIIC値を向上させることができます?？pい合わせは複合材料の積層板の衝撃損傷を著しく低減し、積層板の衝撃後圧縮強(qiáng)度（CAI）を向上させることができ、多くの実験により、合理的に設(shè)計(jì)した縫い合わせパラメータは積層板のCAIを40%以上向上させ、さらに400%に達(dá)することができた。

四、技術(shù)の応用現(xiàn)狀を縫合する

縫合技術(shù)は既に30年近くの応用履歴があり、複合材料の構(gòu)造部品の厚さ方向の増強(qiáng)が可能であり、主に複合材料の構(gòu)造部品の損傷許容範(fàn)囲を改善するために用いられる?，F(xiàn)在、縫合設(shè)備は第1世代の人工制御の工業(yè)ミシンから、第2世代のコンピュータ制御の平面縫合設(shè)備は第3世代のコンピュータ制御の多針縫合設(shè)備に発展しました。ここ數(shù)年來(lái)、液體の成型の技術(shù)の迅速な発展、更に縫合の技術(shù)の広範(fàn)な応用のために良好な基礎(chǔ)を打ち立てました。固體ロケットエンジンのノズルヘッド、拡張セグメント、拡張コーン、ブレーキディスク、ねじ、飛行機(jī)の翼などは複合材料の縫合技術(shù)を採(cǎi)用しています。

アメリカ國(guó)家航空宇宙局（NASA）のACTは、13.5 m×2.7 mの縫い合わせ／RFI半翼展機(jī)翼壁板を計(jì)畫(huà)開(kāi)発し、図2に示すように、200基の飛行機(jī)半翼展箱段の地上試験に成功しました。また、ボーイングは、大サイズの複雑な構(gòu)造部品（本體の曲板など）を縫合する第3世代の縫合設(shè)備を開(kāi)発しました。また、アメリカの空軍ライト試験室とアメリカ海軍航空兵総司令部は共同でALAFS計(jì)畫(huà)を制定しました。この計(jì)畫(huà)は翼體全體の設(shè)計(jì)、翼構(gòu)造の配置、內(nèi)部配管の設(shè)置、胴體オイルタンクの設(shè)計(jì)、梁の配置、內(nèi)部筋の配置、上下のビームの連続性設(shè)計(jì)など7つの重要な技術(shù)を確定しました。複合材料を縫合するRTM及びRFI成形技術(shù)はこの計(jì)畫(huà)を?qū)g現(xiàn)する主要な技術(shù)案です。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)、特に中航複合材料有限責(zé)任公司は縫合/RTM、縫合/RFI、縫合/VRI技術(shù)を各種複合材料構(gòu)造部品に成功的に応用し、複合材料構(gòu)造部品の層間強(qiáng)度、衝撃インピーダンス及び全體性を大幅に向上させ、構(gòu)造部品の組立コストを低減しました。図36は國(guó)內(nèi)で開(kāi)発された典型的な縫合/LCM構(gòu)造部品を示している。

五、結(jié)語(yǔ)

複合材料の縫合技術(shù)は，従來(lái)の複合材料の層間性能が低く，衝撃損傷の許容範(fàn)囲が小さい問(wèn)題をうまく解決した?，F(xiàn)在、國(guó)內(nèi)の液體成形技術(shù)はすでに成熟しており、第3世代縫合設(shè)備の更なる最適化及び複合材料製造コストの低減に伴い、複合材料縫合技術(shù)は航空宇宙分野で重視されるだけでなく、船舶、自動(dòng)車(chē)などの分野でも普及され、各種構(gòu)造及び機(jī)能部品の軽量化に大きく貢獻(xiàn)されます。