产业用纺织品_部分3（共计649页） .ppt

新兴的学科 重点 加工技术难点 立体编织 复合材料 第二节织物及其加工技术产业用纺织品的织物不仅有线型结构 平面结构形式 还有三维立体结构等各种结构形式 其加工方法有机织 针织 编织和非织造等多种技术 part3针织产业用织物及其加工技术 一 针织物针织物的最大特点是存在相互串套的线圈 与机织物相比 针织物加工的工艺流程短 产量高 成本低 由于线圈相互串套 因而针织物复合材料抗冲击性好 具有很高的弹性 适于复杂结构的成型 针织物包括经编与纬编 它既可以是平面针织物 也可以是多层多轴向的针织物 1 平面针织物平面针织物包括平面经编和平面纬编织物 它在各个方向上具有较大的伸缩性 适合于拉伸大的模压成型复合材料 该结构复合材料具有良好的抗冲击和能量吸收性能 在拉伸变形中有较好的延伸性 因而可以作为一种柔性复合材料 针织物作为柔性复合材料的增强结构 是利用了其变形大的特点 但它不适宜用作承载结构 由于针织物易变形 尺寸稳定性差 这类复合材料往往刚性不够 于是 人们根据需要通过加入不参加织造的增强纤维或纱线 实现针织物结构的稳定 由于增强纤维或纱线不参加织造 处于伸直状态 力学性能能充分利用 且提高了刚度 织物尺寸稳定性提高 若在一个方向加入增强纤维 则可得到在该方向较稳定的针织物 若在经纬向均加入增强纤维 则可得到尺寸稳定的针织物 2 多层多轴向针织物多轴向经编针织物是一种典型的复合材料增强结构 西方的工业国家对其加工技术 加工设备及复合材料竟相开展研究 其产品已应用于航空航天 汽车 建材等工业部门 目前 世界上能生产多轴向经编机的主要有 利巴公司的copcentra multi axial karl mayer公司的rsds v两种 多层多轴向针织物是根据材料实际应用中的受力情况 在经向 纬向 斜向铺设伸直的强度较高的增强纤维 衬经 衬纬及斜向衬纬 再利用成圈纱线采用经编结构将这些纱线层缝合 确保纱线在织物中是平直状态而不像机织物中的波浪状 所以纱线的拉伸强度可以充分利用 当四组衬纱采用碳纤维时 织造后用树脂固化成碳纤维复合材料 可替代传统的金属材料 如用玻璃纤维做衬纱 可用作t字梁 工字梁等结构材料 成本较低 适于在民用部门推广使用 这种多轴向针织复合材料最多可达8层纱线 但仍不能满足复合材料对厚度的要求 多轴向编织物则可以满足厚度上的要求 它是将多轴向织出的织物两层 三层 四层或更多层地组合在一起 用缝纫法缝合在一起成为多层多轴向织物 尽管多轴向缝编织物复合材料已有一定的应用 如在高速赛艇中多轴向缝编织物复合材料已经取代了机织物复合材料 但由于针织物复合材料中纤维体积含量较低及呈线圈结构 加之针刺过程中纤维的损伤 使针织物复合材料的强度和模量明显偏低 其应用要比机织物 编织物少 并且大多数针织物只能加工薄型预型件 专业加工设备尚处于开发阶段 相应力学性能的研究也不够深入 二 编织物编织技术的历史悠久 简单的草帽辩就是编织物的一种 近三十年来 由于复合材料发展的需要 才使这门古老的纺织技术得到了迅速的发展 编织的种类很多 按编织形状分有圆形编织和方形编织 按编织物厚度分有二维编织和三维编织 一 二维编织物二维编织是指编织物的厚度不大于编织纱直径三倍的编织方法 一般用于生产鞋带和衣服上的绳 带等 但也可用于异型薄壳预型件 二维编织物中的编织纱可分为两组 一组在轨道上沿一个方向运动 另一组则沿着相反方向运动 这样纱线相互交织 并与织物成型方向呈 角 如果希望提高织物轴向性能 可以在轴向加入轴纱系统 二 三维编织物三维编织是指编织物的厚度至少超过编织纱直径的三倍 并且在厚度方向有纱线或纤维束相互交织的编织方法 它是最早应用于生产复合材料三维预型件的工艺 早在20世纪60年代 三维编织碳 碳复合材料就用作火箭发动机部件 可以减重30 50 三维编织方法有多种 如二步法 四步法 多步法 多层角锁编织等 但常用的主要是二步法和四步法 1 四步法编织物四步法 又称纵横步进编织法 由于一个编织循环包括四个机器 故称此名 四步法中 编织纱沿织物成型方向排列 在编织过程中每根编织纱按一定的规律同时运行 从而相互交织形成一个不分层的三维整体结构 如果在编织过程中加入轴纱系统 则可以提高复合材料轴向的力学性能 从四步法编织物的表面形状及内部的结构单元体可以看出 纱线在织物中呈空间取向的排列 结构整体性好 四步编织法按其横截面的形状来分有两大类 第一类的横截面为矩形与矩形组合形状 如工字形等 第二类的横截面为圆形 如圆管状 锥管状等 立体编织物 1 矩形横截面立体编织物的四步编织法四步法三维编织示意图 见教材p1090图表示了矩形横截面立体编织物的示意图 图中许多个载纱器4沿轨道5以一定规律反复运动 载纱器4的运动就带动从其退绕出来的纤维束或纱线 以下简称纱线 3的运动 其运动每重复一次称为一个循环 每完成运动的一个循环之后 打紧棒就在纱线3之间摆动 见图 把相互编织的纱线打向编织物1的织口2 同时编织物向上运动一个距离 相当编织物中的一个节距 载纱器4以上述的运动规律进行下一个循环 这样不断反复进行载纱器运动 打紧运动 编织物输出运动 就可连续编织出立体编织物 2 管状立体立体编织物的四步编织法圆形横截面立体编织物的编织法与上述类似 其中不同的是载纱器分布在直径从小到打的若干圆周上 其导轨可使载纱器在周向和径向运动 另一方面立体编织物内部有芯棒 纱线的张力使编织成的立体织物紧套在其芯棒上 如果芯棒为圆柱体 编织成的立体织物为圆管状 如果芯棒为圆锥体 编织成的立体织物为锥管状 2 二步法编织物二步法编织的历史较短 它由popper于1987年首先提出 在二步法编织中 纱线系统有轴向纱和编织纱两种 轴向纱的排列决定了编织物的截面形状 它构成纱线的主体部分 编织纱位于主体纱的周围 在编织过程中 编织纱按一定的规律在轴向纱之间运动 这样不仅它们之间相互交织 而且也将轴向纱捆绑成一个整体 由于二步法中轴向纱的比例较大 并且轴向纱在编织过程中保持伸直状态 因此二步法编织复合材料在该方向具有优良的力学性能 另外 二步法编织中只有编织纱运动 而且编织纱所占比例较小 故运动的纱线较少 便于实现编织的自动化 从二步法编织物的表面形状及内部结构单元体可以看出编织纱的比例较少 轴向纱占主要部分 与四步法相类似 同样可分为矩形和矩形组合横截面立体编织物的两步法和管状立体编织物的两步法 1 矩形以及其组合横截面立体编织物的两步法见图 p110 编织小型t形横截面两步法的原理 该方法采用两组基本纱线 一组是固定不动的 图中黑实心圆点所示 另一组是编织纱线 图中空心圆圈所示 固定不动的纱线以立体编织物的成形方向 轴向 在结构中基本成为一直线 并按其主体编织物的横截面形状分布 而编织纱线以一定的式样在固定不动的纱线之间运动 靠其张力束紧固定不动的纱线 稳定立体编织物的横截面形状 编织纱线的运动由两步运动组成 在第一步中 编织纱线以图中箭头所指的水平方向和范围运动 图中相邻的纱线运动方向相反 在第二步中 编织纱线以图中箭头所指的垂直方向和范围运动 其中相邻的纱线运动方向相反 这样就完成了编织运动的一个循环 然后再重复这两步 在若干编织循环之后 编织纱线就完全捆紧了该编织物 此编织方法的一个优点是几乎可以编织任何横截面的立体编织物 几乎很少有其技术限制条件 另一方面 该编织方法运动较简单 运动零件少 所以也比较容易实现自动化 2 管状立体编织物的两步法该编织法也将所有纱线分成固定不动的纱线和编织纱线两组 其中固定不动的纱线为立体编织物的轴向 在编织物内基本成为一直线 并按编织物的横截面分布 所以编织物的横截面形状与固定不动纱线在机器中的分布类似 编织纱线以一定式样在固定纱线之间运动束紧固定纱线 稳定立体编织物的形状 3 小结优点 可以加工形状复杂的净型预型件 只需改变纱线的排列即可编织出各种异型结构 并且加工复杂预型件的成本更低 抗分层性能好 冲击损伤容限高 可以实现自动化控制 提高生产效率及预型件质量 编织复合材料对缺口不敏感 这是由于在缺口处纱线是连续的 尽管如此 三维复合材料的应用仍不是很广泛 其主要的问题是预型件的尺寸问题 大多数工业编织机只能编织较窄的预型件 宽度最大也只有100mm 若要加工大尺寸的编织物 必须开发大型昂贵的编织机械 另外 大多数的编织机的编织速度较低 对编织复合材料性能的研究也不广泛 目前所研究的性能包括拉伸 压缩 弯曲 断裂韧性和疲劳性能 研究表面其模量和强度均低于层压复合材料 而层间剪切性能 层间断裂韧性 蠕变性能等尚无人研究 part4非织造产业用织物及其加工技术 一 定义非织造布与传统纺织品中的机织物 针织物不同 机织物和针织物都是从纤维集合体 纱线或长丝 为基本材料 经过交织或编织而形成一种有规则的几何结构 典型的非织造布是由纤维组成的网络状结构形成的 为了达到结构稳定 纤维网必须通过施加粘合剂 热粘合等作用 使纤维与纤维缠绕 外加纱线几何结构等予以固结 二 应用产业领域是非织造布最广泛的应用市场 其品种繁多 用途广阔 发展潜力极大 世界发达国家的产业用纺织品占纺织品总量的30 左右 而非织造布拥有产业用纺织品的50 60 的市场 目前产业用非织造布除服装用料以外 还广泛地应用于 1 土工建筑材料 农业用 如土工布 房屋顶棚的防雨水材料 农业用温室的顶棚材料等 2 工业用非织造布 如空气过滤材料 液体过滤材料 绝缘材料 造纸毛毯及汽车 飞机用等 3 医疗卫生用非织造布 如如包扎性医用 非包扎性医用及卫生用非织造布等 4 日常用非织造布 如家庭装饰用非织造布 地毯类非织造布及非织造布涂层材料等 5 军用非织造布 如透气防毒服装 防核辐射服装 宇航服内层夹布及军用帐篷 战争急救室用品等 6 复合材料的骨架材料 三 一般加工技术非织造布在制造工艺原理上 根本不同于传统的纺织品加工 它的制造工艺可以分成 纤维准备 成网 粘合 烘燥 后整理 卷装等六个过程 四 三维正交非织造织物机织的三维织物发展历史悠久 作为产业用三维正交非织造织物却是20世纪为满足航空航天工业对复合材料的特殊需要而发展起来的 最初 美国的generalelectric和avco航空航天公司使用 后来 纤维材料股份有限公司进一步研究开发了三维正交非织造织物的加工工艺 三维正交非织造织物的加工方法是 沿纵向放置好一个系统的纱线 或间隔棒 用完后 间隔棒需抽回并以该系统的纱线取而代之 这种方法称代换法 两个相互垂直的平面系统的纱线交替插入纵向系统纱线内部 三维正交非织造物的代换成型法 三维正交非织造物的直接成型法 几种三维正交非织造物的结构 纺织结构复合材料 第一节复合材料的定义与发展 复合材料 compositematerial 即cm是指将两种或两种以上的不同材料 用适当的方法复合成一种新材料 其性能比单一材料性能优越 复合材料根据其所用基体材料不同 分为金属基复合材料 无机非金属基复合材料和树脂基复合材料 人类在很早以前就使用了复合材料 大约六千年前的陕西半坡人就掌握了用草筋增强泥坯作为墙体材料 在汉代修建的古长城瞭望塔中也发现了类似的复合材料 中国古代的游牧民族在大约公元一千年发明了复合材料制成的弓 这种弓是由木片或木材和角质制成 从材料的发展角度来看 第一代是天然材料 如石块 泥土 竹 木 茅草等 第二代是冶炼材料 如各种金属 第三代是合成材料 如各种高分子聚合物 第四代是先进复合材料 从国外复合材料的发展历史来看 树脂基复合材料 我国称玻璃钢 已经历了六 七十年的研究和发展 早已形成了集科研 试制 生产 设计 检测 应用等完整的工业体系 在发达国家 各种树脂基复合材料的原材料 工艺设备 研究应用及系列产品的开发等日趋成熟 目前正处在大发展的新阶段 金属基复合材料和无机非金属基复合材料虽然已有三十年的发展历史 但进展速度较慢 目前仍处在研究和试制阶段 尚未形成工业体系和工业生产能力 一 国外复合材料发展概况1940年世界上第一次用玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂 采用手糊成型工艺和抽真空固化方法制成了军用飞机的雷达罩 1942年美国人用手糊成型工艺制造了第一艘玻璃钢鱼船 1946年美国人发明了使用连续玻璃纤维缠绕生产压力容器的工艺方法 1950年环氧树脂的工业化生产大大推动了复合材料的发展 1959年美国联合碳化物公司实现了从人造纤维制造碳纤维的工业生产 碳纤维的出现和发展是复合材料发展史上的又一个里程碑 20世纪70年代出现了芳纶 kevlar 纤维增强复合材料 硼纤维增强复合材料 碳化硅纤维增强复合材料 氧化铝纤维增强复合材料等一系列先进复合材料 复合材料的迅速发展也推动了复合材料成型工艺的发展 出现了多种成型工艺 其发展历史见下表 表复合材料发展简史 1932 现代复合材料诞生 美国 1942 手糊工艺 美国 雷达罩 飞机油箱 1944 玻璃钢夹层结构 美国 飞机机身 机翼 1946 纤维缠绕成型 美国 专利 1950 真空袋和压力袋成型 美国 直升机螺旋桨 60年代 纤维缠绕工艺 美国 导弹发动机壳体 高压容器 1961 片状模塑料 smc 德国 各种制品 1963 玻璃钢板材 美法日 透明玻璃钢及夹层结构板材 1965 smc 美 日 各种构件 50 60 挤拉法工艺 美国棒材 各种截面制品 70年代 树脂反应注射成型 rim 美国 70年代 增强树脂反应注射成型 rrim 美国 卫生洁具 汽车零件 1972 75 热塑性片状模塑料 美国 成型周期短 废料可回收 80年代 湿法生产热塑性片状模塑料 gmt 法国 汽车 60 80 离心浇注成型工艺 瑞士 英国 大口径负压管道 关于复合材料的开发应用 各国的发展途径有所不同 美国首先在军工方面应用 二次世界大战后 逐渐转以民用为主 西欧各国则直接从发展民用复合材料产品开始 如波形板 防腐管道 卫生洁具等 兼顾军工 就全世界而言 目前已形成了从原材料 成型工艺 机械设备 产品种类及性能检验等较完整的工业体系 现代复合材料工业开始于20世纪40年代 迄今有半个世纪 但从其发展首都及规模 应用的范围和产量 对现代科技及生产进步的影响和推动 以及从其自身的科学研究的深度与广度诸方面来看 现代复合材料领域中所取得的成就 超过了人类历史上所曾经使用过的任何其它类型的材料 特别是20世纪70年代以来 随着宇航 导弹 原子能 高速运载工具等现代技术的迅速发展 现有的钢铁及合金已很难满足要求 而碳纤维及其增强复合材料还具有一般碳材料的各种优良特点 如密度小 耐热 耐化学腐蚀 耐热冲击 热膨胀小 耐烧蚀等 在2000 以上的高温惰性环境中 碳材料是唯一强度不下降的材料 因此 又碳纤维增强的树脂 陶瓷 金属等复合材料的研制和应用得到了迅速发展 二 我国复合材料的发展概况虽然2000多年前我国已开始研究用漆 麻 竹和丝等制成复合材料 并用它制造成容器 果盘 戈 弓等制品 然而后来没有发展 仅保留有一些漆器 漆雕等工艺品 用玻璃纤维增强树脂这种现代复合材料 在我国始于1958年 当时的原建材部赖际发部长1956年访前苏联回来后发起的 并为其取名为 玻璃钢 玻璃钢在我国是以军工起家的 但也注意到民需品 下表为我国复合材料的发展简史 表我国复合材料发展简史 1958 手糊工艺研制玻璃钢船 层压和卷制工艺研制玻璃钢板 管和火箭筒等 1960 在北京 上海和哈尔滨成立了研究机构 1961 研制成玻璃钢耐烧蚀端头 1962 引进不饱和聚酯树脂和蜂窝成型机及喷射成型机 研究飞机螺旋桨及风洞叶片研究缠绕工艺 生产氧气瓶等压力容器 1970 手糊夹层板结构制造了44m大型玻璃钢雷达罩 1972 设立复合材料专业 1975 成立玻璃钢学会 原名玻璃钢 复合材料专业委员会 1980 成立复合材料学会 我国两会的学术刊物分别是 玻璃钢 复合材料 和 复合材料学报 1971年以前我国的复合材料工业主要是军工产品 70年代后开始转向民用 80年代中后期各地大量引进国外先进技术 如在原材料方面 引进了池窖拉丝 短切毡 表面毡 缠绕纱 喷射纱及各种牌号聚酯和环氧树脂等生产技术 在成型方面 引进了缠绕管 缶生产线 挤拉生产线 smc生产线 连续制板机组 树脂传递模塑 rtm 成型机组 喷射成型技术 树脂注射成型技术及渔竿生产线等先进工艺及设备 由此我国形成了从研究 设计 生产及原料配套的较完整的体系 主要用于建筑 防腐 轻工 交通运输 造船等工业领域 三 纺织加工的复合材料分类几乎所有纺织加工的产品都可以用于复合材料 例如两向平面机织物 三向平面机织物 立体机织物 平面针织物 非织造布产品 平面编织物 立体编织物 连续复丝 连续纱线 短纤维等 复合材料按增强纤维的结构进行的分类 连续复丝或纱线 纤维增强复合材料 分散短纤维 叠层 随机取向 最佳取向 纺织结构 多向 单向 平面立体立体织造立体编织 织造三轴向织造针织编织 分散短纤维不管是随机取向或以最佳取向分布所制成的复合材料 其机械性能都比不上以连续复丝或纱线所制成的复合材料 对于用连续复丝或纱线进行叠层所制成的复合材料 不管连续复丝或纱线以一个方向排列或多方向排列 以及用平面机织物 平面针织物 平面编织物等进行叠层所制成的复合材料 这些复合材料都存在一个共同的缺点 表现在厚度方向机械性能差 这是由于在载荷的反复作用下层与层之间脱开所造成 而立体机织物和立体编织物显著地提高了厚度方向的机械性能 由于它们结构的整体性 在厚度方向的拉力和与厚度方向垂直的剪切力作用下 有很好的机械性能 并将发生裂缝的可能性降低到最小程度 一般的复合材料是由两种或两种以上连续物质进行复合而制成 其中一相起增强作用 称为增强材料 另一相对增强材料起敛集 粘附作用 称为基体材料 对于纤维增强材料 立体织物是近几十年发展起来的性能最优越的结构 它不仅可以制成矩形截面的复合材料预制件 还可以制成由矩形截面组合而成的预制件 例如工字型 槽钢型 角钢型等预制件 以及还可以制圆管型 锥管型 凸面管等结构形状的预制件 甚至它可以直接制造出最终产品复杂形状的预制件 立体织物增强复合材料开始主要应用于航空 航天领域 特别是军用航空 航天领域 例如用立体织造技术生产的碳 碳复合材料应用于返回式卫星的热屏蔽层 喷气发动机的喉管 火箭喷管及其它高温部件 现已推广到发动机 汽车 机械 化工 纺织等许多工业部门 例如涡轮机零件 活塞环 制动器 扭杆 转子轴 自行车三脚架 片簧等 四 其它类复合材料简况 金属基复合材料自上世纪60年代末美国首次研究成功b al复合材料 并用此代替铝合金制造航天飞行器桁架支柱以来 深受各先进国家的重视 由于金属基复合材料具有高比强 高比模 耐高温 导热 导电 膨胀系数小 尺寸稳定性好等优异性能 在航天 航空 汽车领域有广阔的应用前景 并已成为国际上十分重视的先进材料 它可以在600 800 温度条件下长期使用 但由于其制造和加工复杂 成本太贵 目前还没有普遍应用 尚处于研制阶段 还没有形成工业化批量生产能力 无机非金属复合材料分为高性能陶瓷基复合材料和一般无机粘接剂基复合材料两类 陶瓷基复合材料属耐高温结构材料 具有高硬度 耐磨损 耐腐蚀等特点 以莫来石碳化硅复合材料为例 其常温强度为600mpa 在1300 条件下 强度仍保留在500mpa以上 耐高温 高强陶瓷复合材料的应用领域主要是航空燃气发动机 这种材料目前尚处于试验室研究阶段 未形成工业化生产 但发展前景很大 金属基复合材料和陶瓷基复合材料在我国始于20世纪70年代末 二十几年来 我国在碳化硅增强铝 须晶增强陶瓷等研究方面取得了很大进展 其研究成果接近世界先进水平 但在生产应用方面 尚未形成生产能力 目前有小批量生产能力 无机粘接剂基复合材料种类很多 如玻璃纤维增强as复合材料 玻璃纤维增强铜磷酸盐复合材料 抗碱玻璃纤维增强水泥复合材料 玻璃纤维增强氯氧镁复合材料及玻璃纤维石膏复合材料等 这类复合材料的研究历史已有50多年 其最大特点是轻质高强 防火 价廉 但是 由于玻璃纤维的耐碱性没有解决 很长一段时间得不到发展 自1968年英国研制出抗碱玻璃纤维之后 玻璃纤维增强水泥复合材料才得到推广应用 目前已工业化生产 并特别受到建筑工业的重视 无机非金属复合材料在我国的发展历史较长 早在1958年就曾出现过玻璃纤维增强水泥的研究应用高潮 但因玻璃纤维防腐问题没有解决 很快就停止下来 上世纪80年代中期 我国首次试制成功抗碱玻璃纤维增强硫铝酸盐低碱水泥复合材料 此后又研究成功高性能玻璃纤维增强氯氧镁复合材料 使我国无机非金属复合材料研究提高到国际先进水平 目前上述两种复合材料已形成了工业化生产规模 并已在建筑工程中用于墙板 防火板 水箱 通风管道 卫生间 吊顶 装饰板 粮仓 温室框架 艺术制品等 重点 复合材料难点 纺织结构 纺织结构复合材料 第二节复合材料的性能特点复合材料的最大特点是其性能具有可设计性 影响复合材料性能的因素很多 主要取决于增强材料的性能 含量及分布状况 基体材料的性能和含量 以及它们之间的界面结合情况等 因此 不论那一类复合材料 就是同一类复合材料的性能也不是一个定值 根据所选择的工艺和材料设计 性能往往差异很大 例如手糊聚酯玻璃钢 玻璃纤维 聚酯树脂复合材料 的密度可在1 4 2 2g cm范围变化 拉伸强度可以在70 350mpa范围变动 这就是说复合材料的性能是根据使用要求进行设计的 但在使用温度和材料硬度方面 三类复合材料有明显的区别 如树脂基复合材料的使用温度一般60 250 金属基复合材料为400 600 陶瓷基复合材为1000 1500 复合材料的硬度主要取决于基体材料性能 一般硬度为陶瓷基复合材料大于金属基复合材料 金属基复合材料大于树脂基复合材料 复合材料主要性能种类树脂基复合材料金属基复合材料无机非金属基复合材料性能热塑性热固性轻金属复合材料陶瓷基粘胶剂基密度1 1 1 61 6 2 21 9 4 51 9 4 03 0 5 51 8 2 1使用温度 80 25080 200200 400400 6001000 1500200 400燃烧性能燃燃不燃不燃不燃不燃拉伸强度 mpa 65 300140 130068 1200530 140070 90040 150 具体表现为 1 比强度 比模量大 就力学性能而言 复合材料力学性能取决于增强材料的性能 含量和分布 基体材料的性能和含量 它是可以根据使用条件进行设计 从强度方面来讲 三类复合材料都可以获得较高的强度 2 耐疲劳性能好 纤维增强复合材料在疲劳过程中 裂纹先在纤维或基体薄弱处出现 扩展到结合面 损伤逐渐积累 导致破坏 表明纤维增强复合材料具有较好的损伤容限和疲劳寿命 3 力学性能的可设计性 选择性能不同的纤维和基体 以及它们的体积百分比 设计纤维铺设方向 叠层 甚至立体结构 以及结构的形状和几何尺寸 以使结构在性能 重量和成本诸方面的指标达到最优化 4 减震性好 复合材料的比刚度高 因此它的构件具有很高的自振频率 可防止共振的发生 纤维增强聚合物复合材料的界面或层间存在内摩擦 聚合物基体又具有粘弹性 因此这种复合材料具有比金属大得多的内阻尼 减振效率高 5 安全性能好 复合材料中有大量的增强纤维 过载时先是薄弱环节部分的纤维发生断裂 使得应力重新分布 然后通过基体传给未破断纤维 因此不影响整体结构继续承载 仍能安全使用 6 高温或低温和热稳定性好 碳纤维增强聚酰亚胺等复合材料 可在250 300 条件下使用 高温蠕变变形小 碳 碳复合材料具有良好的耐热冲击性能 其短时间使用温度可达3000 且仍保持一定的机械性能 7 成型工艺性能好 复合材料可采用低压手糊成型 模压成型 缠绕成型 注射成型和挤拉成型等各种方法制成各种形状的产品 加工量小 节省材料和能源 减少模夹具 加工周期短 8 生物相容性好 碳纤维复合材料与人体组织 骨骼和血液的相容性比金属好 可用以制造人工韧带 骨骼 假肢 心脏瓣膜和体外循环的血液过滤器 9 其它特性 1 耐烧蚀性好 2 良好的摩擦性能 3 高度的电绝缘性能 4 优良的化学稳定性和耐腐蚀性 5 功能复合材料还有特殊的光 电 磁特性 6 复合材料的耐老化性能 取决于基体材料性能和与增强材料的界面粘接 一般来讲 其耐老化的优劣次序为 陶瓷基复合材料大于金属基复合材料 金属基复合材料大于树脂基复合材料 树脂基复合材料的耐老化性能也可通过改进树脂配方 增加表面防护层等方法来提高和改善 7 三类复合材料的导热性能和优劣比较为 金属基复合材料 50 65w m k 陶瓷基复合材料 0 7 3 5w m k 树脂基复合材料 0 35 0 45w m k 第三节复合材料的应用复合材料范围广 产品多 在国防工业和国民经济各部门中都有广泛的应用 1 石油化工方面应用 不饱和聚酯树脂基复合材料 玻璃钢 具有耐酸 碱 油 有机溶剂等腐蚀性能 耐腐蚀性大大优于钢材 铜 铅 硬木等 因此用作各种化工管道 阀门 泵 贮槽 塔器及反应器内衬等 现已成为石油化工设备防腐蚀重要材料 2 交通运输方面应用 纤维增强的复合材料具有重量轻 比强度高 抗微生物作用以及制造工艺简单等优点 已在轮船 汽车 铁路车辆 飞机 宇航设备等制造工业有了日益广泛应用 例如 制造小型船艇的船体 巡逻艇 扫雷艇 赛艇 鱼船 还有深水探测器等 在汽车工业上已用smc复合材料制成轿车外壳及配件 铁路车辆上已制成车身 窗门 窗框 水箱等 在飞机上的应用如机翼 尾翼 操纵面的蒙皮 喷嘴 油箱 螺旋桨等 3 电气工业方面应用 玻璃纤维增强的复合材料具有优良的电绝缘性能 可以制成各种开关装置 电缆输送管道 高频绝缘子 印刷电路版 电机防腐绝缘材料 以及电讯工程上制造各种类型雷达罩 4 建筑材料方面应用 玻璃纤维增强复合材料是一种轻质高强度的结构材料 具有隔热 透光 防水等优点 已成为现代新型建筑结构材料 如用作农业透光暖房的玻璃钢瓦楞板 波形板 蜂窝材料增强的透明玻璃钢隔墙板 一般门窗框架 落水斗管 以及人造大理石 人造玛瑙全套卫生间浴缸和各种器具等 5 军工方面应用 主要用于生产引信体 子弹 弹壳 教练弹 炮弹护环 枪托 火箭外壳 导弹壳体 火箭筒 雷达罩等 6 体育用品方面应用 如撑竿 弓箭 球拍 雪橇 赛车 滑板 赛艇 皮艇 划桨等 7 农业 渔业方面应用 各种复合材料温室 用于蔬菜 花卉生产 水产养殖 粮食干燥 养鸡 养猪等 粮仓 饲料仓 化粪槽 水渠 喷雾器 花盆 牛奶运送车 粪便运输车等 6 机械制造方面应用 有玻璃钢叶片 风机 造纸机械配件 打浆机部件 导辊和案辊 柴油机部件 纺织机械部件 化纤机械部件 过滤器 离心罐 套片等 贮能飞轮 消声设备 磁选机筒身 轴套 煤矿机械部件 齿轮 法兰圈 皮带轮和防护罩等 西方主要国家在汽车 建筑和造船等工业中玻璃钢用量比较美国汽车工业 26 建筑工业 18 6 造船业 17 西欧电子工业 21 3 汽车工业 21 1 建筑业 13 8 日本建筑工业 40 1 工业材料 15 防腐工程 12 加拿大汽车工业 29 3 造船业 26 3 建筑业 16 注 括号内为占总量的百分比 第四节基体材料 树脂体系 一 概述树脂指的是一种无定行的半固态 固态或假固态的高分子化合物 按其来源分为天然树脂及合成树脂 一般不溶于水 可溶于乙醇 乙醚等有机溶剂中 透明或半透明 不导电 无固定熔点 但有软化点或熔融范围 受热变软 并逐渐熔化 熔化时发粘 能反复受热软化 或熔化 的树脂称为热塑性树脂 经过一次受热软化 或熔化 冷却凝固后变成不熔状态的树脂称为热固性树脂 复合材料中的基体有三种主要作用 把纤维粘在一起 分配纤维间的载荷 保护纤维不受环境影响 树脂基体性能比较性能环氧树脂环氧树脂先进的聚酯酚醛温室固化热固化密度1 1 1 31 2 1 41 31 21 2 1 3拉伸强度mpa50 7070 906050 6050 60拉伸模量gpa2 32 5 33 52 35 11破坏延伸率 2 62 522 31 2压缩强度mpa80 100120 130300120 14070 200最高使用温度 70 100100 18018060 80100 125注 1 所列的数据是按有关的astm标准方法得到的 2 推荐与先进纤维一起使用的一种典型树脂 3 所列为热变温度 是近似地测定玻璃化转变区的开始温度 二 环氧树脂1 概述环氧树脂是一类含有两个或两个以上环氧基的混合物 其主要类型是由多元酚与环氧氯丙烷在碱性条件下起反应形成的 若多元酚为二酚丙基烷 就得到最常见的环氧树脂 这些材料的商品名称如epikote或epon828dow331 aralditef 6010等等 这些树脂是以透明的淡黄色粘稠液体形成供应的 dpp基环氧树脂 标准型 ddm的三缩水甘油醚 先进树脂 h2nch2ch2nhch2ch2nh2 c det 室温固化剂 d ddm 热固化剂 12 环氧树脂的优缺点环氧树脂的主要优点是 1 粘接力强 固化机械强度高 2 能为特殊用途提供最佳性能 能控制断裂韧性 3 使用方便 无挥发物 4 固化收缩率低 固化体积收缩率为1 4 制品的尺寸稳定性好 5 良好的热稳定性 6 电绝缘性好 耐化学腐蚀性能 特别是耐碱性 好 7 树脂保存期长 可制成b阶树脂 有良好制造预浸渍制品的特性 环氧树脂的主要缺点是 1 成本比聚酯树脂高 特殊树脂的成本可能更高 2 粘度大 指双酚a型 一般不适合喷射成型 3 固化速度比较慢 达到完全固化必须热处理 使得不如聚酯树脂使用方便 4 对某些有机材料 特别是有机酸和酚 的抗腐蚀性能和高温性能差 5 固化剂毒性大 三 聚酯树脂1 概述聚酯树脂由二元酸与二元醇 乙二醇 或二元酚的混合物缩合而成 这种二元酸混合物含有不饱和酸 propylenceglycol丙二醇 phthalicanhydride邻苯二甲酸酐 maleicanhydride马莱酸酐 hydroquinone对苯二酚 monomericstyrence单体苯乙烯 聚酯树脂的成分 2 聚酯种类聚酯的主要商业改型是通过用代用材料部分更换饱和酸或乙二醇来改变聚酯的组分为基础的 例如 用间苯二酸代替标准邻苯二酸 间苯二甲酸聚酯 或用二酚基甲烷代替一些乙二醇 ddp树脂 而得到强度和耐久性好的树脂 另一种通用的改型是用已二酸 这种酸改善了固化后基体的柔软性和增加了断裂伸长率 3 聚酯固化固化聚酯最常用的引发剂是过氧化甲乙酮 mekp 它通常是以邻苯二甲酸二甲酯溶液形式提供的 以石蜡油的溶液提供的环烷酸钴作为mekp的催化剂 4 小结优点 1 固化迅速 且能在常温下固化 无挥发性产物 2 初始粘度低 易浸润增强体 3 可用多种手段实现固化 如引发剂 紫外线射线等 4 可低压成型 接触压也可成型 5 机械性能与电性能优良 6 化学性能稳定 7 具有良好的环境耐久性 耐热性 耐药品性 阻燃 触变性等 8 可着色 可获得透明美观的涂膜 9 成本低 对特殊用途容易通过多种工艺措施来进行制造 缺点 1 空气中氧的存在会阻碍固化 2 固化过程中的温度升高和收缩率大 这两个因素导致产生加工应力 从而使纤维 基体间的胶接强度比较差 3 固化不当时 由于固化放热收缩就会产生裂纹 4 固化易受温度 湿度的影响 5 若体系具有足够的剪切强度则变得比较脆 在体系中韧性添加剂看来是无效的 6 通用聚酯有可燃性 7 硫磺 酚类化合物 碳等混入时 固化困难 8 特殊金属或化合物对固化影响较大 9 对非常稀的碱的耐腐蚀性也差 四 乙烯基酯树脂用不饱和羟基化合物 例如乙烯醇 代替聚酯中的某些乙二醇 并去掉不饱和酸可得到与聚酯非常相似的树脂体系 这些材料称为乙烯基酯树脂 并以苯乙烯单体溶液的形式在市场上出售 其使用方法与聚酯相同 这些材料的主要优点是提高了纤维和基体之间的胶接强度 总之 这些材料类似于聚酯 五 酚醛树脂1 概述当酚醛树脂在碱性条件下与甲醛缩合时 发生聚合反应 若仔细控制这个体系 聚合反应就能停止 此时聚合物仍然是可熔的或可溶的 这种预聚物称为可溶性酚醛树脂 它将在热的作用下或者酸性或碱性催化剂作用下聚合 得到一种具有复杂化学结构的致密交联材料 交联酚醛树脂的结构 可溶性酚醛树脂 若在酸条件下完成预聚反应 则按不同的聚合反应流程可得到一种热塑性酚醛树脂 这种酚醛树脂自身不会聚合 但是在胺的络合物 通常为六次甲基四胺作用下能交联 交联酚醛树脂的结构 热塑性酚醛树脂 2 酚醛树脂的性能用于复合材料的酚醛树脂预聚物是固态的 然而通常提供的是溶液 由于稀释作用 溶液在室温下是稳定的 通常用布料或毡片作为纤维用这种溶液来浸渍 再把溶剂挥发掉 再对所得到的产物进行热处理 使树脂体系部分聚合 这种材料称为预浸料 若这种树脂进行了热处理 则称为b阶预浸料 a阶为液态或粘性固态预聚物 b阶是一种低粘性的可熔固体 c阶是完全固化状态 然后把预聚料按要求的方向铺叠 并加热加压使之固化 所有热固化树脂 包括环氧树脂和聚酯树脂 一般都以这种方式使用 而酚醛树脂只能用作预浸料 3 酚醛树脂的特点酚醛树脂的主要优点是 具有优良的耐高温性 特别是在氧化条件下 这特别对它们的烧蚀性 即直接在火焰中的烧穿速度有影响 在这些条件下 酚醛树脂会很快碳化 并在外表产生一层优质的多孔碳 在表面多孔碳层慢慢烧尽的同时 保护了内部的复合材料 而其它树脂所形成的多孔碳层往往质量差 会较快烧尽 生成气态物质 酚醛树脂的缺点是 在聚合反应期间需要施加高压从而很难使用它们 颜色差 由棕褐色变到黑色 由于空隙含量高 用它制成的复合材料的力学性能比由其它树脂制成的复合材料的力学性能差 六 其它树脂已经研制了多种树脂准备用于耐高温 例如 250 350 复合材料 例如 市场上少量可以买到的树脂有 聚酰亚胺 pi 双马来酰亚胺 bmi 和聚苯并咪唑 fbi 这些树脂都是常常含有稠杂环的复杂的芳香材料 它们是由四官能芳香酸和芳香二胺 pi 或四胺 pbi 制成的 经常在酸酐和碱性催化剂下对这种预聚物进行热处理以得到交联网状物 到目前为止 这类树脂能持久地经受300 左右的温度 短时间能经受高达420 的温度 大部分耐高温树脂 固化反应的目的是在高温下通过链间的分子重新排列 使网状物具有更大的刚度 由于这些复杂的反应所要求的温度非常高 所以必须保证部分形成的预制网具有高温稳定性 当交联和分子重新排列反应交替发生时 为了在处于最高固化温度之前先让聚合反应和交联进行到底 固化循环往往是复杂的 bmi树脂可采用与普通的环氧树脂所用的类似方法操作 这类树脂的热性能提高了 pi和pbi树脂的使用比较困难 并且要求预浸工艺和高温高压的固化条件 pi比pbi的耐热性能好 但是使用比较困难 第五节复合材料的成型工艺 一 复合材料成型工艺的范围复合材料的设计包括性能 功能 设计 结构 强度 刚度 设计和工艺设计三个相互关联的组成部分 性能设计要求充分考虑最终产品的使用条件 设计出具有与要求性能相符合的复合材料 结构设计是根据所承受的载荷和使用环境 确定结构形状尺寸 以确保产品安全 可靠 工艺设计则是选择与产品性能要求及批量相适应的成型方法 使性能与结构设计的要求能够充分满足 并且成型方便 成本低廉 二 复合材料成型工艺的特点首先 材料的形成与制品的成型是同时完成的 复合材料的生产过程 也就是复合材料制品的生产过程 在复合材料制品的成型中 增强材料的性状虽然变化不大 但基体的形状有较大改变 复合材料的工艺水平直接影响材料或制品的性能 如成型过程中纤维的预处理 物理或化学方法的处理 纤维的排列 驱除气泡的程度 是否挤胶 温度 压力 时间控制精确度等等都直接影响制品性能 其次 复合材料的成型比较方便 因为树脂在固化前具有一定的流动性 纤维很柔软 依靠模具容易形成要求的形状和尺寸 一种复合材料制可以用多种方法成型 选择余地大 在选择成型方法时应该根据制品的结构 用途 生产量 成本以及生产条件综合考虑 选择经济和最方便简便的成型工艺 教材130 图3 3 25复合材料的一般生产流程 四 选择成型工艺方法的原则在选择成型方法时 必须同时满足材料性能 产品质量和经济效益等多种因素的基本要求 具体应考虑 1 产品的外形构造和尺寸大小 2 材料性能和产品质量要求 如材料的物理性能 产品的强度及表面粗糙度 光洁度 要求等 3 生产批量大小及供应时间 允许的生产周期 要求 4 企业可能提供的设备条件及资金 5 综合经济效益 保证企业赢利 一般来讲 生产批量大 数量多及外形复杂的小产品 多采用模压成型 如机械零件 电工器材等 对造形简单的大尺寸产品 如浴缸 汽车部件等 适宜采用smc大台面成型 亦可用手糊工艺生产小批量产品 对于压力管道及容器 则宜用缠绕工艺 对于批量小的大尺寸制品 如船体外壳 大型储槽等 常采用手糊 喷射工艺 对于板材和线型制品 可采用连续成型工艺 五 低压成型工艺低压成型是物料在常压或低压下固化成型为制品的工艺方法 成型压力范围为0 1pa 0 7pa 最高不超过2mpa 低压成型过程一般为 先使材料在敞开的模具 也可使用对模 上具备一定形状 然后施加压力或不加压 使树脂渗透流动 通过加温或常温固化定型 脱模后再经过不要的辅助加工得到制品 低压成型设备简单 投资少 见效快 一般轻质材料 如木材 石膏 玻璃钢 铸铝 水泥等 均可作为模具材料 同时模具制造周期短 低压成型法特别适于大型薄壁制品整体结构的生产 也适宜生产量小和需频繁改变尺寸的制品 因为该方法只需简单的工具和模具以及简易的场地便能生产 有时还可以进行制品的现场加工 方便灵活 很适合中小企业 所以 低压成型在复合材料工业是一种 经久不衰 的工艺方法 但低压成型工艺也存在着生产效率低 劳动强度大 生产周期长等缺点 制品质量在很大程度上依赖于操作人员的技术水平 而且重复性差 低压成型工艺包括手糊工艺 喷射工艺和铺层工艺 一 手糊成型工艺手糊成型是聚合物基复合材料生产中最早使用和最简单的一种工艺方法 手糊成型又称接触成型 这种方法用手工工具将布或纤维毡浸上树脂胶液 铺糊在敞开的模具上 经室温固化和脱模即可获得制品 所用工具和工艺设备简单 不受制品尺寸限制 但工艺质量不稳定 易受操作人员水平 经验和劳动态度的影响 且劳动条件差 适宜于小批量 大尺寸 品种变化多的制品生产 用手糊成型可生产波形瓦 浴盆 冷却塔 活动房 卫生间 贮槽 贮罐 风机叶片 各类渔船和游艇 微型汽车和客车壳体 大型雷达天线罩及天文台屋顶罩 设备防护罩 雕像 舞台道具和飞机蒙皮 机翼 火箭外壳防热底板等大中型零件 现在世界各国的聚合物基复合材料成型工艺中手糊工艺仍将占相当重要的比例 二 喷射成型工艺国外在60年代发展了喷射法并有成套喷射设备出售 例如美国维纳斯 venus 公司生产的h i s喷射成型机 英国的 dowuland 纤维树脂喷射机 奥地利 polgspary 玻璃纤维 聚酯喷射机等 喷射成型一般是将混有促进剂的树脂和有引发剂的树脂分别从喷枪两侧喷出 同时将玻璃纤维粗纱用切割器切断并由喷枪中心喷出 与树脂一起均匀沉积到模具上 待模具上的材料沉积到一定的厚度 用手辊使纤维浸透树脂和压实并去除气泡 最后固化成制品 喷射成型在各种成型方法中所占的比重很大 美国占27 日本占16 喷射成型法属于半机械化手糊 生产效率比手糊提高2 4倍 生产率可达15kg min 劳动强度降低 适于生产大尺寸和批量生产 制品无搭接缝 整体性好 缺点是树脂含量高 制品强度较低 现场污染大 要求工作间局部封闭 操作者应熟练掌握操作技术 喷射法可用来成型船体 浴盆 淋浴间 汽车与货车车身 容器 大型板 机器外罩 电影设备和仿砖石外型建筑物 舞台道具等制品 成型用模具可以用木材 石膏 水泥 塑料 玻璃钢和金属材料制成 三 铺层工艺铺层工艺指用手工铺叠方式 将预浸材料 无纬布 无纬带 编织物等 按预定方向和顺序在模具内逐层铺贴直至所需的厚度 或层数 经加温加压固化 脱模 修整而获得制品的过程 以高强度 高模量的碳纤维 硼纤维 开夫拉等纤维与环氧树脂复合 用铺层工艺制成的高级复合材料已广泛用在飞机 导弹 卫星和航天飞机上 如飞机舱门 壁板 隔板 整流罩等 这些制品多为薄壁件 也可以制成工字梁 型件等型材 铺层成型的制品强度较高 而且可以根据不同方向的受力情况制成强度各向异性的成品 美国波音公司从1981年起就采用自动铺层机铺放无纬带 或织物 生产机翼 壁板和尾翼壁板等构件 六 模压成型工艺模压成型工艺是将一定量的模塑料放入金属对模中 在一定的温度和压力作用下 使模塑料在模腔内受热塑化 受压流动并充满模腔成型固化而获得制品的一种方法 模压成型工艺在成型过程中需要加热和加压 使得模塑料塑化产生流动充满模腔 并使树脂发生固化 在复合材料模塑料流动充满模腔的过程中 不仅树脂流动 增强材料也随之流动 使树脂和纤维同时填满模腔的各个部位 所以 模压成型工艺所需要的成型压力较其它工艺方法高 它属于高压成型 工艺分类 11 短纤维料模压法22 毡料模压法33 碎布料模压法44 层压模压法 教材p124层压技术 5 缠绕模压法66 织物模压法77 定向铺设模压法88 吸附预成型坯模压法99 散状模塑料模压法 散状模塑料 bulkmoldingcompound 简称bmc 10 片状模塑料模压法 片状模塑料 sheetmoldingcompound 简称smc 层压工艺层压工艺是指将浸有树脂的片材 胶布 层叠 组成叠合体 送入层压机 在加热和加压下 固化成型玻璃钢板材或其它形状简单的复合材料制品的一种方法 在国外 早在20世纪30年代就开始用氨基树脂和植物纤维及矿物纤维复合 生产纸层压板 木质层压板 棉布层压板 石棉层压板和玻璃纤维层压板等 广泛用于各个工业技术部门 特别是电气工业 电讯器材制造业 船舶与汽车工业等部门 到60 70年代 随着科学技术的发展 各种高性能的增强材料与耐高温 耐腐蚀的合成树脂相继产生 如高强度 高模量的碳纤维 硼纤维 kevlar纤维和耐热性能好的聚酰亚胺和聚砜等树脂相继在层压制品中获得应用 使得纤维增强复合材料层压制品的性能得到很大的提高 目前 其制品在汽车工业 电讯器材 船舶建筑 飞机制造和宇航等高技术领域内都获得了引人注目的应用效果 smc成型工艺smc即片状模塑料 sheetmoldingcompound 1953年美国 rubber 首先发明不饱和聚酯树脂的化学增稠 1960年前西德 bayer 实现smc工业化生产 1970年开始在全世界迅速发展 smc的发展已成为30多年来frp工业最显著的成就之一 smc是用不饱和聚酯树脂 增稠剂 引发剂 交联剂 低收缩添加剂 填料 内脱模剂和着色剂等混合树脂糊浸渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃纤维毡 并在两面用聚乙烯或聚丙烯薄膜包覆起来形成的片状模压成型材料 使用时 只需将两面的薄膜撕去 按制品的尺寸裁切 叠层 放入模具中加温加压 即得所需制品 七 rtm树脂传递模压法树脂传递模塑法为resintransfermolding 简称rtm rtm树脂传递模压法是为了适应飞机雷达罩成型而发展的 现代高速飞机的雷达罩外型是高细比大的流线型 从20世纪50年代起 英美等国家开始研究用机械化方法制造雷达罩 现已成功运用于制造其他frp制品 美国已有50余家公司采用树脂传递模压法 80年代初就达到了1 2万吨