複合材料縫合技術の研究と応用の進展

複合材料縫合技術とは、縫合線を用いて多層織物を準三次元立体織物に結合させたり、分離された数枚の織物を全体構造に連結させる複合材料予備体制の技術である。この技術は20世紀後半に始まり、複合材料の層間損傷の許容範囲を高め、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囲をまとめ、縫合技術が複合材料の引張、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、複合材料縫合技術の国内外の重大な研究と応用進展について述べ、展望を示した。

一、縫合技術の特徴

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

①設計性が強く、既製体の敷層方向を縫合し、敷層距離と繊維構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定により、ある程度の全体構造が得られ、合理的な均質応力状態に達する。

③縫い目は大部分の荷重に耐えられ、かつ周囲の樹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化縫合設備が開発されました。

⑤組立プロセスが優れ、縫合は接続技術として、複合材料の他の接続技術（接着、リベット等）と比較して、複合材料の全体性が強く、局所応力集中が発生しにくい。

　　二、主な縫合方法と工芸パラメータ

構造応用には主に3種類の縫合方式を採用しています。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（詳細は図1に示す通り）。ロック縫合は両面縫合に属し、改良されたロック縫合の中で、縫製された縫製針は既製体側から持ち込まれ、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び目は既製体の表面に位置しています。

ロック縫合は一般的に予制体に対してより小さな曲率変化が要求されていますが、現在は広く大サイズの壁板のへり縫合及び補強筋と蒙皮の接続縫合に応用されています。縫合の厚さは20 mmまでです。チェーン縫合は片面縫合に属し、曲がった月形の縫製針は振り子の針と同じ側にあり、縫い針が縫糸の方向に動くにつれて、前駆体を繰り返し貫き、巻き取りを連結しています。具体的には図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、予制体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、縫合は予制体の側から反対側に縫製針に従って貫通し、縫製が終わる時は縫合を事前に体内に残して縫合を完了します。具体的には図1（c）に示します。Tufting縫合は厚い予制体を縫合することができますが、単純なTufting縫合は縫合線と予制体内部の繊維の摩擦力だけで縫製線を維持するので、他の位置決め方式で縫合を予制体内部に残し、縫合品質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、縫合の直径、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体の固化後の性能に直接影響を与えることができる。縫合線を選ぶ時、主に縫合線の強度、耐摩耗性、耐温性及び対応する樹脂システムとの整合性を考慮して、よくある縫製の種類は炭素繊維、ガラス繊維、凱芙拉繊維及びポリエステルである。高温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、現在広く航空分野に応用されています。

直径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、同時に既製体内部の繊維の曲げ、損傷及び製造部品内部の縫い目における樹脂の堆積を増大させ、これによって、製材の引張、圧縮強度の低下をもたらします。

縫合密度は主に縫合線の針距離と行間の2つのパラメータを含んでいます。縫合密度が大きいほど、プレハブ内部の繊維損傷と繊維屈曲現象が深刻になり、プレハブ内部の富脂領域も多くなり、製材面内の性能にも大きな影響を与えます。したがって、複合材料の作製全体の性能を向上させるために、縫合密度を合理的に設計するべきである。中航複合材料有限責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の時に、材料の総合性能が一番いいです。予制体は通常、縫合方向が0°、45°、90°であるが、複合材料の引張強度は縫合方向の影響を大きく受け、その中で0°縫合の製法強度は最も低く、45°と90°の縫合は相当である。

三、縫合が複合材料の機械的性質に及ぼす影響

縫い合わせは、プレ製作体の内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、応力集中点を形成します。これは縫合による材料面内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、複合材料の機械的性質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来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径の増加に伴って，引張強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の場合、材料の引張破壊パターンは主に繊維の破断であり、複合材料の引張強度損失率は大きくないことが分かりました。

材料の圧縮強度に対する縫合の影響は簡単な増減関係ではなく、積層板の設計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°一方向層合板の圧縮性能をより多く低減し，約24%に達したが，90°積層板の圧縮性能には極めて小さい影響を与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。

多くの学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れているという結論を得た。

複合材料の縫合層合板のせん断強度は，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，繊維損傷と縫合線に脂肪が多くなり，応力集中が顕著になり，積層板のせん断強度がむしろ低下するためである。縫い合わせ密度最適値の焦点は積層板の敷設順序と縫い合わせパラメータに依存する。縫い合わせは、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。縫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、合理的に設計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%に達することができた。

四、技術の応用現状を縫合する

縫合技術は既に30年近くの応用履歴があり、複合材料の構造部品の厚さ方向の増強が可能であり、主に複合材料の構造部品の損傷許容範囲を改善するために用いられる。現在、縫合設備は第1世代の人工制御の工業ミシンから、第2世代のコンピュータ制御の平面縫合設備は第3世代のコンピュータ制御の多針縫合設備に発展しました。ここ数年来、液体の成型の技術の迅速な発展、更に縫合の技術の広範な応用のために良好な基礎を打ち立てました。固体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、飛行機の翼などは複合材料の縫合技術を採用しています。

アメリカ国家航空宇宙局（NASA）のACTは、13.5 m×2.7 mの縫い合わせ／RFI半翼展機翼壁板を計画開発し、図2に示すように、200基の飛行機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造部品（本体の曲板など）を縫合する第3世代の縫合設備を開発しました。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計画を制定しました。この計画は翼体全体の設計、翼構造の配置、内部配管の設置、胴体オイルタンクの設計、梁の配置、内部筋の配置、上下のビームの連続性設計など7つの重要な技術を確定しました。複合材料を縫合するRTM及びRFI成形技術はこの計画を実現する主要な技術案です。

現在国内、特に中航複合材料有限責任公司は縫合/RTM、縫合/RFI、縫合/VRI技術を各種複合材料構造部品に成功的に応用し、複合材料構造部品の層間強度、衝撃インピーダンス及び全体性を大幅に向上させ、構造部品の組立コストを低減しました。図36は国内で開発された典型的な縫合/LCM構造部品を示している。

五、結語

複合材料の縫合技術は，従来の複合材料の層間性能が低く，衝撃損傷の許容範囲が小さい問題をうまく解決した。現在、国内の液体成形技術はすでに成熟しており、第3世代縫合設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、複合材料縫合技術は航空宇宙分野で重視されるだけでなく、船舶、自動車などの分野でも普及され、各種構造及び機能部品の軽量化に大きく貢献されます。