紡織復(fù)合材料技術(shù)

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論文關(guān)鍵詞:化工行業(yè)；紡織材料；紡織復(fù)合材料

論文摘要:本文介紹了一種新型材料—紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用情況，對其組成特點(diǎn)、成型工藝和設(shè)計因素進(jìn)行了分析，并提出分析該種材料力學(xué)性能的一般性方法。

材料、能源和食品既是人類賴以生存的三大要素，又是人類與自然界作斗爭所追求的三大目標(biāo)，由它們組成的某個時代的物質(zhì)世界就是人類歷史演進(jìn)的標(biāo)志。

一、紡織復(fù)合材料技術(shù)分析

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是紡織技術(shù)和現(xiàn)代復(fù)合材料技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它與通常的纖維復(fù)合材料具有較大的區(qū)別。纖維復(fù)合材料是通過把纖維束按一定的角度和一定的順序進(jìn)行鋪層或纏繞而制成的，基體材料和纖維材料于鋪層或纏繞時同時組合，形成層狀結(jié)構(gòu)，因此也稱層合(壓)復(fù)合材料。纖維復(fù)合材料中的纖維是平行的、互不交疊的。而紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是利用紡織技術(shù)首先用纖維束織造成所需結(jié)構(gòu)的形狀，形成預(yù)成型結(jié)構(gòu)件(簡稱預(yù)成型)，然后以預(yù)成型作為增強(qiáng)骨架進(jìn)行浸膠固化而直接形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。正是這種工藝的變革，使紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與普通復(fù)合材料相比具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，同時由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化又給設(shè)計和分析增添了更多的困難。迄今雖然經(jīng)過許多研究者的努力，已經(jīng)發(fā)展了各種分析模型，能解決一些應(yīng)用問題，但還遠(yuǎn)沒有成熟，還需要經(jīng)過比較、積累和進(jìn)一步發(fā)展，以形成完善而統(tǒng)一的分析、設(shè)計方法和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，才能使紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料得到更廣泛的應(yīng)用。

二、紡織復(fù)合材料的發(fā)展

在20年代，波音公司就已經(jīng)使用紡織結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)翼。50年代，美國通用電器公司也選擇紡織結(jié)構(gòu)作為碳/碳復(fù)合材料鼻錐的增強(qiáng)形式。70年代初，在纏繞工藝的影響下，二維編織工藝被引入復(fù)合材料領(lǐng)域。隨著復(fù)合材料的發(fā)展，二維編織工藝也得到了迅速的發(fā)展，并為制造復(fù)雜形狀復(fù)合材料開辟了一條成功之路。80年代，通過紡織界與復(fù)合材料界的合作，編織技術(shù)由二維發(fā)展到三維，從而為制造高性能復(fù)合材料提供了新的途徑。三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于其增強(qiáng)體為三維整體結(jié)構(gòu)，大大提高了其厚度方向的強(qiáng)度和抗沖擊損傷的性能，因而倍受重視并獲得迅速發(fā)展。創(chuàng)造不補(bǔ)充加油而連續(xù)環(huán)球飛行一周記錄的“航行者”飛機(jī)與美國比奇公司的“星舟”1號公務(wù)機(jī)，都采用了一些編織結(jié)構(gòu)件。英國道蒂公司的復(fù)合材料螺旋漿，其漿葉為編織結(jié)構(gòu)，獲得1991年英國女王技術(shù)成果大獎。美國航空航天局(NASA)大力開展三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究工作。計劃中包括開發(fā)編織技術(shù)和自動化加工、開發(fā)熱塑性樹脂等重要內(nèi)容。

由此可見，現(xiàn)代紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是在常規(guī)復(fù)合材料高度發(fā)展和廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，通過吸收紡織學(xué)科各類織造技術(shù)，形成了機(jī)織、針織、編織等類別的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。值得指出的是，在過去40年里，還主要是以層板復(fù)合材料應(yīng)用最廣，特別是在航空航天、軍事工業(yè)、交通等領(lǐng)域占據(jù)重要地位。復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展對20世紀(jì)的結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)生了巨大的推動作用，并形成全球性的先進(jìn)纖維材料的市場。在這種應(yīng)用背景下，層板復(fù)合材料因存在“層”而帶來力學(xué)性能的弱點(diǎn):如分層、開裂敏感和損傷擴(kuò)展快，垂直結(jié)構(gòu)厚度方向強(qiáng)度低，抗沖擊性能差等都顯露出來。由此古代紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的思想必然被人們接受用來消除復(fù)合材料的“層”。在常規(guī)復(fù)合材料成熟的設(shè)計分析方法、織造工藝以及高效的紡織織造技術(shù)的前提下，現(xiàn)代紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料以驚人的速度蓬勃發(fā)展，已波及美國、法國、英國、德國、俄羅斯、拉脫維亞、芬蘭、比利時、中國、日本、南朝鮮等國。其重要原因之一，就是紡織構(gòu)造的優(yōu)越的力學(xué)性能，特別是不同的織造技術(shù)所形成的纖維束的微觀構(gòu)

型，適應(yīng)十分廣泛的載荷環(huán)境作用下的工程結(jié)構(gòu)的要求。

三、紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用

（一）按當(dāng)代歷史觀點(diǎn)，紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的出現(xiàn)是近世紀(jì)材料科學(xué)發(fā)展的重大進(jìn)步之一。而按紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的定義，可以追溯到中國古代用編成排的秫桔混合粘土做成的墻體，這是紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的最早應(yīng)用。

（二）用銅絲編織成的陶瓷基容器。可以考證，早在中國明朝(1368年～1644年)就可精制此類景泰藍(lán)。由此可知，人類很早就熟知紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn):織造的纖維網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)越的整體增強(qiáng)作用。因而紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展是一個悠久的歷史過程。

（三）在航空航天領(lǐng)域，高溫、燒蝕和高速沖刷的導(dǎo)彈頭錐、火箭發(fā)動機(jī)的喉襯采用三維整體編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。發(fā)動機(jī)裙和導(dǎo)彈彈體(或火箭箭體)以及飛機(jī)機(jī)身則采用二維編織或機(jī)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(yùn)行的空間站、空間實驗室和重復(fù)使用的太空運(yùn)輸系統(tǒng)，正在進(jìn)行一類智能型紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究。這類結(jié)構(gòu)是將諸如光纖(傳感)、壓電(驅(qū)動)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(yùn)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;

（四）在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，從自行車到汽車、艦艇、高速火車和軍用戰(zhàn)車，都可以找出用紡織結(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;

（五）在建筑領(lǐng)域，可分為兩類:一類是剛性復(fù)合材料構(gòu)件，如梁、柱、骨架等;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。前者大多采用三維織造類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，后者則用二維織造類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料〔8〕;六）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類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

四、紡織復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）高強(qiáng)度、高模量，特別是包括厚度方向、橫向的全方位增強(qiáng)，使材料具有高損傷容限、高斷裂韌性、耐沖擊、抗分層、開裂和疲勞等;

（二）優(yōu)良的可設(shè)計性，可按加載方向增加纖維束數(shù)，以及按實際需要(整體)織造復(fù)雜形狀的零、部件和一次完成組合件，如加筋殼、開孔結(jié)構(gòu)的制造等;

（三）可自動化高效率生產(chǎn)和接近實際產(chǎn)品形狀的制造，使加工量和連接大大減少。因而經(jīng)濟(jì)性好、成本低、制造周期短;

（四）易于在預(yù)成型和復(fù)合前安放機(jī)敏類材料，如光纖、壓電等，從而實現(xiàn)對復(fù)合工藝質(zhì)量監(jiān)控、產(chǎn)品在服務(wù)期間

的壽命監(jiān)測、振動控制等，這樣既提高了產(chǎn)品質(zhì)量又增加了可靠性。

五、紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的組成與設(shè)計因素

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料類似于自然界經(jīng)過優(yōu)勝劣汰的生物組織。所不同的是由纖維束組成的種種預(yù)成型構(gòu)造是經(jīng)過現(xiàn)代紡織技術(shù)織造成形的。將成型后的纖維束網(wǎng)絡(luò)骨架充填以基體材料，經(jīng)固化制成紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的另一個組分就是基體材料。主要有樹脂基、金屬基、陶瓷基和碳碳基4類基體材料。在復(fù)合材料中，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(jī)地匹配協(xié)調(diào)，才能充分發(fā)揮整體作用和各自的性能，即通常估算力學(xué)性能的混合律方可成立。值得指出，混合律還只是一個工程處理模式，切勿從混合律各組分所占的比例來判定各個組分所起的作用。這是因為紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的工藝性、力學(xué)性能中的壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、對環(huán)境的溫度、介質(zhì)相容性以及導(dǎo)電、傳熱等物理或化學(xué)性能主要取決于基體材料。研究表明，兩組分固化后組分之間受4種力的相互作用而固結(jié)成整體:其一，兩組分本身的內(nèi)聚力;其二，在纖維表面的微孔隙被基體大分子滲透擴(kuò)散而“釘牢”所產(chǎn)生的機(jī)械作用力;其三，包括氫鍵和范德華力在內(nèi)的吸附力;其四，基體的化學(xué)基團(tuán)與纖維表面化學(xué)基團(tuán)起化學(xué)反應(yīng)所形成的化學(xué)鍵的作用力。這是組分選擇和工藝方法選擇的第二個應(yīng)考慮的因素。

基體的類型繁多，在選擇基體材料時，還必須考慮固化收縮率。例如環(huán)氧類、聚酯類和酚醛類樹脂的收縮率分別在1%～2%、4%～6%和8%～10%范圍內(nèi)。收縮率越大意味著固化后產(chǎn)生的縮孔和微裂紋就越多，結(jié)果會降低紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能。近年來，材料科學(xué)研究致力于減小基體的收縮率。通常的做法是在熱固性樹脂中填入熱塑性大分子，這樣既改善聚收狀態(tài)又提高結(jié)構(gòu)材料的韌性。

總之，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。選擇的依據(jù)是基于:產(chǎn)品所經(jīng)受的載荷和環(huán)境(溫度、濕度、腐蝕和其它化學(xué)作用等);產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其功能要求;采用的預(yù)成型和固化技術(shù);成本限制等因素。