紡織復(fù)合材料.doc

紡織復(fù)合材料的應(yīng)用及研究進(jìn)展陳新琪（學(xué)號：1015033006） 楊小玲（學(xué)號：1015063005）（武漢紡織大學(xué)材料與工程學(xué)院）摘要 紡織復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高強、剛性好等性能，由于其優(yōu)越的性能，其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，紡織復(fù)合材料幾乎可滲透到所有的領(lǐng)域。本方主要介紹了紡織復(fù)合材料的基本概念，論述了紡織復(fù)合材料的成型技術(shù)、紡織復(fù)合材料的應(yīng)用及其研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞 紡織；復(fù)合材料；應(yīng)用；研究進(jìn)展1 前言復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。紡織復(fù)合材料的定義是在復(fù)合材料的基礎(chǔ)上定義的，它是含有纖維、紗線或織物的復(fù)合材料。紡織復(fù)合材料的原材料包括增強材料和基體材料。作為增強材料的纖維一般有碳纖維、玻璃纖維、硼纖維和芳綸；基體材料主要包括金屬基體材料、陶瓷基體材料和樹脂基體材料，其中樹脂基體材料使用最為廣泛。樹脂的基本功能是為纖維提供一種支撐，并將纖維在材料中預(yù)定的位置固定，使構(gòu)件具有完整穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。紡織復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高強、剛性好等性能。紡織復(fù)合材料的強度、剛性比金屬的大，而密度則比金屬的小。經(jīng)研究表明:鋼的強度數(shù)值為1.8，而玻璃纖維復(fù)合材料的為7.1，碳纖維復(fù)合材料的是11.2；代表剛性大小的比彈性模量值按上述材料排列的順序分別是2.2、2.8、10.0。但是，紡織復(fù)合材料的密度則為鋼的1/4、鋁的1/21。2 紡織復(fù)合材料成型技術(shù)2.1 手糊成型工藝?yán)w維增強材料和樹脂膠液在模具上鋪覆成型，室溫或加熱、無壓或低壓條件下固化，脫模成制品的工藝方法。2.2 噴射成型工藝噴射成型工藝是利用噴槍將短纖維及樹脂同時噴到模具上，壓實固化成制件的工藝方法。為改進(jìn)手糊成型工藝而開發(fā)的一種半機械成型工藝，是手糊工藝的變形。在復(fù)合材料成型工藝中所占比例較大，如美國占9.1%，西歐占11.3%，日本占21%，目前國內(nèi)用的噴射成型機主要是從美國進(jìn)口。 噴射成型的優(yōu)點：（1）用玻纖粗紗代替織物，可降低材料成本；（2）生產(chǎn)效率比手糊的高24倍；（3）產(chǎn)品整體性好，無接縫，層間剪切強度高，樹脂含量高，抗腐蝕、耐滲漏性好；（4）可減少飛邊，裁布屑及剩余膠液的消耗；（5）產(chǎn)品尺寸、形狀不受限制。其缺點為：（1）樹脂含量高，制品強度低；（2）產(chǎn)品只能做到單面光滑；（3）污染環(huán)境，有害工人健康。2.3袋壓法 袋壓成型是將手糊成型的未固化制品，通過橡膠袋或其它彈性材料向其施加氣體或液體壓力，使制品在壓力下密實，固化。此成型方法具有：（1）產(chǎn)品兩面光滑；（2）能適應(yīng)聚酯、環(huán)氧和酚醛樹脂；（3）產(chǎn)品重量比手糊高等優(yōu)點。2.4模壓成型工藝模壓成型工藝是復(fù)合材料生產(chǎn)中最古老而又富有無限活力的一種成型方法。它是將一定量的預(yù)混料或預(yù)浸料加入對模內(nèi)，經(jīng)加熱、加壓固化成型的方法。此成型工藝的優(yōu)點為：（1）生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)專業(yè)化和自動化生產(chǎn)；（2）產(chǎn)品尺寸精度高，重復(fù)性好；（3）表面光潔，無需二次修飾；（4）能一次成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品；（5）因為批量生產(chǎn)，價格相對低廉。2.5拉擠成型工藝?yán)瓟D成型工藝是將浸漬了樹脂膠液的連續(xù)纖維，通過成型模具，在膜腔內(nèi)加熱固化成型，在牽引機拉力作用下，連續(xù)拉拔出型材制品。 拉擠成型是復(fù)合材料成型工藝中的一種特殊工藝，其優(yōu)點是：（1）生產(chǎn)過程完全實現(xiàn)自動化控制，生產(chǎn)效率高；（2）拉擠成型制品中纖維含量可高達(dá)80%，浸膠在張力下進(jìn)行，能充分發(fā)揮增強材料的作用，產(chǎn)品強度高；（3）制品縱、橫向強度可任意調(diào)整，可以滿足不同力學(xué)性能制品的使用要求；（4）生產(chǎn)過程中無邊角廢料，產(chǎn)品不需后加工，故較其它工藝省工，省原料，省能耗；（5）制品質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好，長度可任意切斷。拉擠成型工藝的缺點是產(chǎn)品形狀單調(diào)，只能生產(chǎn)線形型材，而且橫向強度不高。3 紡織復(fù)合材料的應(yīng)用 紡織復(fù)合材料自從20世紀(jì)末發(fā)展以來，已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通、建筑、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域2-7。3.1航空航天領(lǐng)域如高溫、燒蝕和高速的導(dǎo)彈頭錐、火箭發(fā)動機的喉襯采用三維整體編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。又如發(fā)動機裙和導(dǎo)彈彈體(或火箭箭體)以及飛機機身則采用二維編織或機織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。目前對空間飛行器，特別是對那些長時間在軌道運行的空間站、空間實驗室和重復(fù)使用的太空運輸系統(tǒng)，正在進(jìn)行智能型紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究。這類結(jié)構(gòu)將諸如光纖、壓電等元件埋入材料內(nèi)部，以監(jiān)控制造過程中的質(zhì)量和運行中結(jié)構(gòu)的健康狀況或控制結(jié)構(gòu)的動力學(xué)行為。3.2交通運輸領(lǐng)域從自行車到汽車、艦艇、高速火車和軍用戰(zhàn)車，都有采用紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制成的零、部件和主體構(gòu)架的例子，只是不同部件采用不同類型的紡織結(jié)構(gòu)而已。如形狀復(fù)雜的螺旋槳、曲軸就采用整體編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。3.3建筑領(lǐng)域紡織復(fù)合材料用于建筑領(lǐng)域具有極好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，它不僅可以優(yōu)化建筑材料的綜合性、簡化施工、降低成本，而且還可以大大減輕建筑材料的重量，可提供一個無障礙的空間跨度，提高建筑的抗震性、抗腐蝕性等。建筑用紡織增強復(fù)合材料是以各種形式的纖維、紗線、織物為增強相，以樹脂、橡膠、金屬、水泥、陶瓷等材料為基體相的復(fù)合材料。建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為兩類：一類是剛性復(fù)合材料構(gòu)件，如梁、柱、骨架等；另一類則是柔性復(fù)合材料構(gòu)件，如體育館、停車場和車站的屋頂、野營帳篷等膜構(gòu)件材料。前者大多采用三維織造結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，后者則用二維織造結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。3.4 風(fēng)力發(fā)電紡織復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機葉片制造中也有著廣泛的應(yīng)用，用于發(fā)電機葉片的增強材料常見的有玻璃纖維、碳纖維、碳玻混雜纖維，基體材料常見的有聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂。隨著風(fēng)力發(fā)電機葉片大型化趨勢的發(fā)展,葉片材料設(shè)計也需要不斷地改進(jìn),例如，采用輕質(zhì)高強、性能更好的碳纖維復(fù)合材料將勢在必行。另外,納米技術(shù)的發(fā)展也在很大程度上給葉片材料的發(fā)展提供了新的契機。用可回收的熱塑性樹脂代替聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂與紡織纖維相匹配,更符合現(xiàn)代環(huán)保的觀念,因此開發(fā)體積質(zhì)量小、質(zhì)量輕、抗沖擊性能好、生產(chǎn)周期短的熱塑性樹脂就成為未來風(fēng)力發(fā)電機葉片復(fù)合材料開發(fā)的一大熱點。3.5其它體育用品如高爾夫球桿、醫(yī)療用品如人造血管、骨骼等都可用三維織造結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。由上述廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域可以看出，紡織復(fù)合材料與人類的生活密切相關(guān)，對現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展將產(chǎn)生重要的推動作用。4、紡織復(fù)合材料的研究進(jìn)展4.1 纖維增強材料的研究進(jìn)展 如果說第一代纖維為天然纖維，而Nylon、PET、PP等合成纖維為第二代纖維的話，那么當(dāng)今第三代纖維之特征便可以說是高科技及高附加值，未來第四代纖維將朝向航空復(fù)合材料及無機陶瓷纖維的應(yīng)用等領(lǐng)域發(fā)展。目前高模量高強度纖維的發(fā)展途徑主要有三：（1）利用超高分子量聚乙烯在凝膠溶液狀態(tài)下施行凝膠紡絲和高倍率的延伸；（2）采用特殊PAN纖維，經(jīng)氧化、碳化及石墨化等步驟，達(dá)到高模高強的目的；（3）將合成液晶高分子材料實施溶液或熔融紡絲，然后做熱處理，使分子熱重合而達(dá)到高強力纖維的特性。4.2 樹脂基體的研究進(jìn)展 在復(fù)合材料中，樹脂基體起著傳遞載荷、均衡載荷和固箝支持纖維的作用。只有纖維和基體兩者有機地匹配協(xié)調(diào)，才能充分發(fā)揮整體作用和各自的性能?？傊?，在紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)計中，首先就是選擇纖維和基體的材料，并須充分考慮兩者之間的相互作用。選擇的依據(jù)是：（1）能夠滿足產(chǎn)品的使用需要，如使用溫度、強度、剛度、耐腐蝕性等；（2）對纖維具有良好的浸潤性和粘接力；（3）易操作性，如要求膠液具有足夠長的適用期，預(yù)浸料具有足夠長的貯存期，固化收縮小等；（4）低毒性，低刺激性；（5）價格合理。4.3 紡織預(yù)成型技術(shù)的研究進(jìn)展紡織預(yù)成型技術(shù)主要有機織、針織、編織、穿刺和縫紉等。基于紗束整體化的程度以及在預(yù)成型結(jié)構(gòu)內(nèi)厚度方向增強的程度，可把紡織預(yù)成型織物劃分成二維和三維兩大類型。更近代發(fā)展的預(yù)成型技術(shù)，如角連鎖機織和實體編織完全是整體化的結(jié)構(gòu)，并且在厚度方向具有相當(dāng)大程度的增強。這些預(yù)成型件屬于三維織物。目前屬于復(fù)合材料領(lǐng)域的三維紡織預(yù)成型件主要有：正交織物、多層機織物、多層針織物、編織物和縫合織物。上述五種三維織物的技術(shù)各有特點，應(yīng)用場合也各不相同。迄今為止，還沒有哪一種技術(shù)能完全取代另一種加工技術(shù)。近20年來，人們對正交織物和編織物研究的較多，而對多層機織物、多軸向編織物以及縫合織物研究的較少。相信隨著材料工作者對紡織品結(jié)構(gòu)以及加工技術(shù)的不斷了解，多層機織物和多軸向編織物等必將以其獨特的成型方式及式及性能受到人們的青睞。目前的預(yù)制件成型技術(shù)正呈現(xiàn)以下趨勢：(1)短纖維向連續(xù)纖維發(fā)展；(2)兩向織物向平面多向織物發(fā)展；(3)平面織物向立體織物發(fā)展；(4)等密織物向多層不等密織物發(fā)展；(5)平面織物向加微原纖織物發(fā)展。5 小結(jié)紡織復(fù)合材料不僅具有比強度高、比剛度大和重量輕等優(yōu)越的性能，而且該材料的應(yīng)用范圍非常廣泛,幾乎涉及到各行各業(yè)。隨著人們對紡織復(fù)合材料研究的不斷深入及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大, 將從根本上改變?nèi)藗儗徔棌?fù)合材料的傳統(tǒng)觀念。我們應(yīng)加強對研究每種工藝對纖維的幾何形狀和材料的限制，通過對紡織復(fù)合材料的應(yīng)用與實踐,其巨大的潛能會逐漸釋放出來。參考文獻(xiàn)1 王靜.紡織復(fù)合材料J.山東紡織科技，2003（2）：55.2 響肖明.紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料M.北京:科學(xué)