給火箭做“衣服”的人
- “大家分工合作，盡快把設(shè)備組裝好，測試一下性能?！?月21日，記者在西安工程大學(xué)見到紡織科學(xué)與工程學(xué)院副教授、智能功能紡織復(fù)合材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人樊威時(shí)，他正在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的研究生組裝一臺(tái)剛剛送到的高精度數(shù)控雕刻機(jī)。
“我們不是大家印象中的‘紡織工’和‘裁縫’，我們的工作也不是織布做衣服，而是主要研究三維紡織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能。這臺(tái)新到的雕刻機(jī)就是用來切割三維紡織復(fù)合材料的，能夠?yàn)榛鸺l(fā)動(dòng)機(jī)、飛行器等設(shè)備‘量身定做’結(jié)構(gòu)材料?！狈嬖V記者。
除了三維紡織復(fù)合材料的研究，“80后”樊威和他的年輕團(tuán)隊(duì)還從事納米功能復(fù)合材料、智能纖維與智能可穿戴設(shè)備、廢舊紡織品循環(huán)利用等方面的研究，近年來已主持國家級、省部級等項(xiàng)目10項(xiàng)，申請國家專利13項(xiàng)。
航空航天領(lǐng)域顯身手
提起“紡織”，人們就會(huì)想到純棉、滌綸、化纖這些材料，因?yàn)槲覀兇┑囊路蠖际怯盟鼈兩a(chǎn)的。但是樊威和他的團(tuán)隊(duì)研究的三維紡織復(fù)合材料卻沒有這么簡單，因?yàn)樗麄兪窃诮o火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行器等航空航天領(lǐng)域的裝備做“衣服”。
樊威告訴記者，航空航天領(lǐng)域的裝備使用的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，對力學(xué)性能要求很高，拉伸強(qiáng)度要過關(guān)，同時(shí)對層間性能要求也很高，這樣材料的整體強(qiáng)度才能上去。為了克服傳統(tǒng)層合板復(fù)合材料層間強(qiáng)度低、層間剝離或開裂的問題，需要采用層間也存在纖維或者紗線的三維整體織物作為增強(qiáng)材料。為此，樊威和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了生產(chǎn)三維整體織物的設(shè)備和異形件制造工藝，實(shí)現(xiàn)了為航空航天領(lǐng)域裝備“量體裁衣”。
“航空航天領(lǐng)域的裝備、配件許多都是異形件而不是標(biāo)準(zhǔn)件，在使用專門研發(fā)的生產(chǎn)設(shè)備后，可以根據(jù)具體使用場合或者部位進(jìn)行‘凈尺寸生產(chǎn)’?！狈f，“我們先進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬測算，生產(chǎn)時(shí)一次整體成形，確保了產(chǎn)品的安全性能。”
陜西是科技大省，航空航天產(chǎn)業(yè)底蘊(yùn)深厚，這為樊威的研究提供了用武之地。目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和一些航空航天科研院所開展合作，自主研發(fā)的三維紡織復(fù)合材料在相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了保障作用。
“下一步我們將繼續(xù)加大三維編織、機(jī)織、縫合、針織、非織等自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)和紡織復(fù)合材料的快速復(fù)合固化技術(shù)研發(fā)力度，降低三維紡織復(fù)合材料的成本，大力推動(dòng)先進(jìn)紡織復(fù)合材料在航空航天、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用?！狈f。
“智能服裝”來了
除了用于航空航天等領(lǐng)域“高大上”的復(fù)合材料，樊威和他的團(tuán)隊(duì)在智能可穿戴織物、廢舊紡織品循環(huán)利用等方面也有“接地氣”的成果。
“隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)在人們越來越關(guān)注健康問題，具有心率、脈搏及人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等實(shí)時(shí)監(jiān)測功能的智能可穿戴紡織品受到了人們歡迎?！狈f，“要對人體在不同狀態(tài)下的活動(dòng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，服裝必須具備一定的傳感功能。傳統(tǒng)的棉、麻、絲、毛等材料都不具備這樣的性能，因此，研發(fā)柔性傳感纖維成為生產(chǎn)智能服裝的首要難題?！?br />
經(jīng)過大量研究，樊威發(fā)現(xiàn)，一種高聚物材料添加特殊的功能性納米粒子后，經(jīng)過極化處理可加工成壓電纖維，能夠?qū)ν獠枯d荷做出電信號響應(yīng)，而且頻響寬、靈敏度高、耐腐蝕性好，同時(shí)這種壓電纖維易與普通纖維結(jié)合編成智能織物，是一種理想的智能紡織材料。
“我們用壓電纖維制造了一些智能可穿戴紡織品，既能夠監(jiān)測，還具備可加工性能好、耐水洗等優(yōu)點(diǎn)?！狈f，“除了普通人的身體功能監(jiān)測，我們研發(fā)的智能服裝還可以用于運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練和比賽，通過對運(yùn)動(dòng)員的發(fā)力點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測和分析，向運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行反饋，幫助運(yùn)動(dòng)員提升訓(xùn)練水平、降低關(guān)節(jié)損傷。”
目前，樊威和他的團(tuán)隊(duì)還研制出了一種可織入服裝中的壓電傳感元件，申請了兩項(xiàng)國家專利。“我們以此為基礎(chǔ)，在手腕、心臟等部位能夠?qū)崿F(xiàn)局部智能監(jiān)測。下一步，在模塊化應(yīng)用的基礎(chǔ)上，我們將研發(fā)真正的‘一體化’智能服裝，全部使用壓電纖維制造，推出更多的智能可穿戴產(chǎn)品?！狈f。
年輕無極限
自從2015年來到西安工程大學(xué)后，在學(xué)校的支持下，樊威和他的年輕團(tuán)隊(duì)加強(qiáng)研發(fā)工作，建成了智能功能紡織復(fù)合材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，在三維紡織復(fù)合材料、智能纖維與智能可穿戴設(shè)備、納米功能復(fù)合材料、廢舊紡織品循環(huán)利用等方面成果頗豐。
“我們團(tuán)隊(duì)由9位老師和17位研究生組成，大家創(chuàng)新活力特別強(qiáng)。”樊威說，“組建團(tuán)隊(duì)時(shí)我還注重選拔材料計(jì)算、圖像處理、化學(xué)等相關(guān)專業(yè)的人才，便于交叉創(chuàng)新?！?br />
以廢舊紡織品循環(huán)利用研究為例，團(tuán)隊(duì)不同專業(yè)的成員互相配合，各顯“神通”?！叭粘Ｉ钪?，紡織類衣物更換頻率高，無論是焚燒還是掩埋，都會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。目前，歐美發(fā)達(dá)國家紡織類衣物回收利用率能達(dá)到25%左右，而國內(nèi)只有1%。我們就想著能不能利用技術(shù)創(chuàng)新來提高紡織類衣物的回收利用效率，同時(shí)對生態(tài)環(huán)境保護(hù)也有好處?！狈f。
在研發(fā)過程中，來自東華大學(xué)的博士余靈婕負(fù)責(zé)圖像處理，尋找新材料的最優(yōu)纖維分布狀態(tài)。同樣來自東華大學(xué)的博士劉濤在余靈婕建立的模型上進(jìn)行有限元計(jì)算，對復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。苗亞萍和馬艷麗是西安交大畢業(yè)的博士，一個(gè)負(fù)責(zé)纖維/基體界面性能計(jì)算，一個(gè)負(fù)責(zé)樹脂流動(dòng)性分析。就這樣，團(tuán)隊(duì)成員各展所長，節(jié)省了時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。
經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)最終確定以主要成分是棉纖維的廢舊牛仔服裝為增強(qiáng)材料，以廢舊聚丙烯纖維為基體材料，再分步使用非織造生產(chǎn)、針刺、熱壓成型等工藝，生產(chǎn)出了一種三維廢舊纖維增強(qiáng)復(fù)合材料?！斑@種材料可以用來制作辦公家具、替代木地板等。經(jīng)過檢測，它的力學(xué)、吸濕、剝離等功能完全達(dá)標(biāo)，并且是‘零甲醛’，實(shí)現(xiàn)了廢舊紡織物的綠色利用?！狈f。
由于牛仔服裝回收量大、纖維構(gòu)成單一，樊威的團(tuán)隊(duì)優(yōu)先研發(fā)并已熟練掌握了這類以棉纖維為主要成分的廢舊紡織物循環(huán)利用技術(shù)，下一步還將開展其他類型的廢舊紡織物利用研究。“我們將面向當(dāng)今世界紡織材料的技術(shù)前沿，做好科技創(chuàng)新和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，為提升陜西乃至全國航空航天、智能制造、生態(tài)環(huán)保等領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和競爭力作出新的貢獻(xiàn)?！狈缡钦f。
