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  给火箭做“衣服”的人
2019-05-28
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  “大家分工合作,尽快把设备组装好,测试一下性能。”5月21日,记者在西安工程大学见到纺织科学与工程学院副教授、智能功能纺织复合材料创新团队带头人樊威时,他正在实验室指导团队的研究生组装一台刚刚送到的高精度数控雕刻机。

  “我们不是大家印象中的‘纺织工’和‘裁缝’,我们的工作也不是织布做衣服,而是主要研究三维纺织复合材料的结构与性能。这台新到的雕刻机就是用来切割三维纺织复合材料的,能够为火箭发动机、飞行器等设备‘量身定做’结构材料。”樊威告诉记者。

  除了三维纺织复合材料的研究,“80后”樊威和他的年轻团队还从事纳米功能复合材料、智能纤维与智能可穿戴设备、废旧纺织品循环利用等方面的研究,近年来已主持国家级、省部级等项目10项,申请国家专利13项。

  航空航天领域显身手

  提起“纺织”,人们就会想到纯棉、涤纶、化纤这些材料,因为我们穿的衣服大都是用它们生产的。但是樊威和他的团队研究的三维纺织复合材料却没有这么简单,因为他们是在给火箭发动机、飞行器等航空航天领域的装备做“衣服”。

  樊威告诉记者,航空航天领域的装备使用的结构复合材料,对力学性能要求很高,拉伸强度要过关,同时对层间性能要求也很高,这样材料的整体强度才能上去。为了克服传统层合板复合材料层间强度低、层间剥离或开裂的问题,需要采用层间也存在纤维或者纱线的三维整体织物作为增强材料。为此,樊威和他的团队研发了生产三维整体织物的设备和异形件制造工艺,实现了为航空航天领域装备“量体裁衣”。

  “航空航天领域的装备、配件许多都是异形件而不是标准件,在使用专门研发的生产设备后,可以根据具体使用场合或者部位进行‘净尺寸生产’。”樊威说,“我们先进行计算机模拟测算,生产时一次整体成形,确保了产品的安全性能。”

  陕西是科技大省,航空航天产业底蕴深厚,这为樊威的研究提供了用武之地。目前,团队已经和一些航空航天科研院所开展合作,自主研发的三维纺织复合材料在相关领域科学实验中发挥了保障作用。

  “下一步我们将继续加大三维编织、机织、缝合、针织、非织等自动化生产技术和纺织复合材料的快速复合固化技术研发力度,降低三维纺织复合材料的成本,大力推动先进纺织复合材料在航空航天、汽车等领域的应用。”樊威说。

  “智能服装”来了

  除了用于航空航天等领域“高大上”的复合材料,樊威和他的团队在智能可穿戴织物、废旧纺织品循环利用等方面也有“接地气”的成果。

  “随着人们生活水平的提高,现在人们越来越关注健康问题,具有心率、脉搏及人体运动状态等实时监测功能的智能可穿戴纺织品受到了人们欢迎。”樊威说,“要对人体在不同状态下的活动参数实现实时监测,服装必须具备一定的传感功能。传统的棉、麻、丝、毛等材料都不具备这样的性能,因此,研发柔性传感纤维成为生产智能服装的首要难题。”

  经过大量研究,樊威发现,一种高聚物材料添加特殊的功能性纳米粒子后,经过极化处理可加工成压电纤维,能够对外部载荷做出电信号响应,而且频响宽、灵敏度高、耐腐蚀性好,同时这种压电纤维易与普通纤维结合编成智能织物,是一种理想的智能纺织材料。

  “我们用压电纤维制造了一些智能可穿戴纺织品,既能够监测,还具备可加工性能好、耐水洗等优点。”樊威说,“除了普通人的身体功能监测,我们研发的智能服装还可以用于运动员的训练和比赛,通过对运动员的发力点、运动姿态等进行监测和分析,向运动员进行反馈,帮助运动员提升训练水平、降低关节损伤。”

  目前,樊威和他的团队还研制出了一种可织入服装中的压电传感元件,申请了两项国家专利。“我们以此为基础,在手腕、心脏等部位能够实现局部智能监测。下一步,在模块化应用的基础上,我们将研发真正的‘一体化’智能服装,全部使用压电纤维制造,推出更多的智能可穿戴产品。”樊威说。

  年轻无极限

  自从2015年来到西安工程大学后,在学校的支持下,樊威和他的年轻团队加强研发工作,建成了智能功能纺织复合材料创新团队,在三维纺织复合材料、智能纤维与智能可穿戴设备、纳米功能复合材料、废旧纺织品循环利用等方面成果颇丰。

  “我们团队由9位老师和17位研究生组成,大家创新活力特别强。”樊威说,“组建团队时我还注重选拔材料计算、图像处理、化学等相关专业的人才,便于交叉创新。”

  以废旧纺织品循环利用研究为例,团队不同专业的成员互相配合,各显“神通”。“日常生活中,纺织类衣物更换频率高,无论是焚烧还是掩埋,都会造成严重的环境污染。目前,欧美发达国家纺织类衣物回收利用率能达到25%左右,而国内只有1%。我们就想着能不能利用技术创新来提高纺织类衣物的回收利用效率,同时对生态环境保护也有好处。”樊威说。

  在研发过程中,来自东华大学的博士余灵婕负责图像处理,寻找新材料的最优纤维分布状态。同样来自东华大学的博士刘涛在余灵婕建立的模型上进行有限元计算,对复合材料的力学性能进行优化设计。苗亚萍和马艳丽是西安交大毕业的博士,一个负责纤维/基体界面性能计算,一个负责树脂流动性分析。就这样,团队成员各展所长,节省了时间成本和经济成本。

  经过反复试验,团队最终确定以主要成分是棉纤维的废旧牛仔服装为增强材料,以废旧聚丙烯纤维为基体材料,再分步使用非织造生产、针刺、热压成型等工艺,生产出了一种三维废旧纤维增强复合材料。“这种材料可以用来制作办公家具、替代木地板等。经过检测,它的力学、吸湿、剥离等功能完全达标,并且是‘零甲醛’,实现了废旧纺织物的绿色利用。”樊威说。

  由于牛仔服装回收量大、纤维构成单一,樊威的团队优先研发并已熟练掌握了这类以棉纤维为主要成分的废旧纺织物循环利用技术,下一步还将开展其他类型的废旧纺织物利用研究。“我们将面向当今世界纺织材料的技术前沿,做好科技创新和技术成果转化,为提升陕西乃至全国航空航天、智能制造、生态环保等领域的创新能力和竞争力作出新的贡献。”樊威如是说。

 

  (来源:陕西日报)

 

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