（纺织材料与纺织品设计专业论文）长纤维增强热塑复合材料的性能研究.pdf

摘要 热塑性复合材料 f i b e rr e i n f o r c e dt h e r m o p l a s t i c sc o m p o s i t e s 英文简称为 f r t p 是以各种热塑树脂为基体 以玻璃纤维 碳纤维 玄武岩纤维等各种增 强纤维为增强材料的复合材料的总称 尤其是长纤维增强热塑性复合材料具有很 多的优点 比如较高的耐冲击强度 较好的拉伸性能 较好的弯曲性能 生产周 期短 可循环利用等 本文选择用环锭纺的纺纱方法来纺制包芯纱 芯纱采用高强 高模 耐高温 的玄武岩纤维长丝 包缠纱采用已经制得的丙纶粗纱 最后制得丙纶纤维 玄武 岩纤维包芯纱 通过对包芯纱的结构参数和力学性能进行分析 经反复实验确定 了合适的芯纱张力状念后 制得的包芯纱强力较高 毛羽很少 本课题主要研究了三维机织物的结构 采用角联分层接结结构 此三维机织 物的织造过程 主要包括确定穿综顺序 选择筘号 穿综 如何织造的工艺流程 还讨论了织造过程中出现的问题及解决的办法 复合工艺参数主要包括温度 压力和时间 实验表明 温度大于1 8 5 时 树脂容易外溢 而且表层树脂颜色变暗 压力的大小影响纤维束之间的紧密结合 树脂在纤维束中的渗透 树脂在材料中的溢出 要根据织物的结构 树脂的温度 等因素确定 最大压力以能够达到试样完全渗透时的厚度为限 由于树脂受力的 衰减和纤维束孔隙率的减小 树脂在纤维束中的渗透是一个有限过程 延长浸渍 时间不能保证树脂在纤维束中的完全渗透 本课题还主要对三维机织热塑性复合材料基本力学性能中的抗冲击性能 拉 伸性能和孔隙率进行了测试和研究 研究结果表明 三维机织热塑复合材料预型 件的结构 预型件的预拉伸工艺 复合成型工艺及复合材料孔隙率 都对复合材 料的力学性能有着一定的影响 在此基础上建立了三维机织热塑复合材料的工艺 结构 性能之间的关系 为确定这种复合材料的合理生产工艺及提高复合质量提 供了理论依据 关键词 长纤维增强热塑性复合材料 玄武岩纤维 丙纶纤维 包芯纱 三 维机织物 复合成型工艺 冲击强度 拉伸性能 孔隙率 a b s t r a c t f i b e rr e i n f o r c e dt h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e a b b r e v i a t e dt of i 玎p i st h eg e n e r a l a p p e l l a t i o no fc o m p o s i t e sb a s e do nt h e r m o p l a s t i cr e s i na n dr e i n f o r c e db ya l lk i n d so f r e i n f o r c i n gf i b e r s s u c ha sg l a s sf i b e r c a r b o nf i b e r b a s a l tf i b e r a n ds oo n e s p e c i a l l y l o n gf i b e rr e i n f o r c e dt h e r m o p l a s t i c sc o m p o s i t e sh a v el o t so fa d v a n t a g e s s u c ha s h i g h e ri m p a c ts t r e n g t h b e t t e rt e n s i l ep r o p e r t y b e t t e rb e n d i n gp r o p e r t y s h o r t e r p r o c e s s i n gp e r i o d a n dr e c y c l e e t c t h es p i n n i n gm e t h o dt h a tw eu s e di sr i n gs p i n n i n gi nt h e s i s h e a r ty a r ni sm a d e o fb a s a l tc o n t i n u o u sf i b e r s a n db a s a l tc o n t i n u o u sf i b e rh a sh i g hs t r e n g t h h i 曲 m o d u l u sa n dm g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n c ep r o p e r t y w r a p p e dy a mi sm a d eo fp p r o v i n gs t r i p e t h r o u g ha n a l y z i n gs t r u c t m a lp a r a m e t e ra n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo f c o r e s p u ny a m w h e nt h et e n s i o no fh e a r ty a r ni sa p p r o p r i a t e t h ec o r e s p u ny a m sn o t o n l yh a v eh i g h e rs t r e n g t h t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d i e st h es t r u c t u r eo f3 dw o v e nf a b r i c a n dt h eu n i t s t r u c t u r a lm o d e lo f3 dw o v e nf a b r i ci se s t a b l i s h e dt o o a n g l e i n t e r l o c k i n g d e l a m i n a t i o ns t r u c t u r ei su s e d t h ew e a v i n gp r o c e s s e so f3 dw o v e nf a b r i cm a m m y i n v o l v et h ef o l l o w i n gp r o c e s s e s c o n f i r m i n gt h el i f t i n gp l a n c h o o s i n g d r a f t i n g a n d w e a v i n g w ea l s ot a l ka b o u tt h ep r o b l e m so ft h ew e a v i n gp r o c e s s a n df i n do u tt h et r e a t m e n tt o d e a lw i t ht h e m t e m p e r a t u r e p r e s s u r ea n dt i m ea r e t h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h e c o m p o s i t ep r o c e s s e x p e r i m e n td e m o n s t r a t e sw h e nt e m p e r a t u r ei so v e r18 5c e n t i g r a d e r e s i no v e r f l o w se a s i l y a n dt h es u r f a c er e s i n sc o l o rb e c o m e sf a i n t t h ep r o c e s s i n g p r e s s u r ew h i c hi n f l u e n c e st h ec o m b i n a t i o ns t a t e t h ef l o w i n gb e h a v i o ro ft h em a t r i x a m o n gt h ef i b e rb u n d l e s t h eo v e r f l o w i n gc h a r a c t e rs h o u l db ed e t e r m i n e db yt h e w o v e ns t r u c t u r e t h et e m p e r a t u r eo fr e s i n e t c t h em a x i m u mp r e s s u r ei si nt h el i m i t o fr e a c h i n gt h ep r e f o r m sc o m p l e t e l yi m p r e g n a t i n gt h i c k n e s s b e c a u s eo ft h ed e c r e a s e o ft h er e s i nf l o wa n dt h er e d u c t i o no ff i b e rb u n d l ev o i d s t h ep e n e t r a t i n gp r o c e s so f t h ef i b e rb u n d l ei sal i m i t e dp r o c e s s i n c r e a s i n gi m p r e g n a t i n gt i m ec a n tg u a r a n t e et o g e tc o m p l e t ep e n e t r a t i o n i nt h i sp a p e r t h ei m p a c ts t r e n g t h t h et e n s i l ep r o p e r t ya n dv o i dc o n t e n ta m o n g t h eb a s i cm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo f3 dw o v e nf a b r i ca r et e s t e d t h es t u d ys h o w st h a t f o l l o w i n gf a c t o r sh a sg r e a te f f e c to nt h ep r o p e r t yo ft h em a t e r i a l s f o re x a m p l e t h e p r e f o r ms t r u c t u r eo f3 dw o v e nf a b r i ct h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e s t h ep r e t e n s i o n t e c h n i q u eo fp r e f o r m m o u l d i n gt e c h n i q u e a n dv o i dc o n t e n to fc o m p o s i t e s o nt h e b a s i so fa b o v er e l a t i o n t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np r o c e s s i n g s t r u c t u r e a n dp r o p e r t y o ft h r e e d i m e n s i o n a lt h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e sa r ef o r m e dt oo f f e rt h et h e o r e t i c a l g r o u n d st od e t e r m i n et h er e a s o n a b l ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ea n di m p r o v et h ec o m p o u n d q u a l i t yo fc o m p o s i t e s k e y w o r d s l o n gf i b e r r e i n f o r c e dt h e r m o p l a s t i c sc o m p o s i t e s b a s a l tf i b e r p o l y p r o p y l e n ef i b 盯 c o r e s p u ny a r n t h r e e d i m e n s i o n a lw o v e nf a b r i c c o m p o s i t e m o l d i n gp r o c e s s i m p a c ts t r e n g t h t e n s i l ep r o p e r t y a n dv o i dc o n t e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得盟 王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意 学位论文作者签名 聂删莎 签字日期 砌宕年 2 月2 多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留 使用学位论 文的规定 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 1 每胴茛导师签名 芬铭封 签字日期 如宕年 月2 日 签字日期 伽吕年 月形日 学位论文的主要创新点 一 在环锭细纱机上纺制丙纶 玄武岩纤维包芯纱是可行的 二 玄武岩纤维性能优良 在许多技术指标方面都优于玻璃纤维 因此可用玄武岩长纤维做增强纤维 制做热塑性复合材料 三 以玄武岩纤维增强纤维 丙纶纤维为包缠纤维制作的包芯纱 为媒介 加工热塑复合材料预浸料的方法在一定程度上可解决浸渍纤 维带困难的问题 第一章综述 第一章综述 1 1 热塑性复合材料的概况 众所周知 材料 能源 信息是现代科学技术的三大组成部分 随着生产的 发展和人们生活水平的提高 材料已从金属 无机非会属 高分子材料三大类发 展到第四类 复合材料 由于全球结构用材料的消耗量r 益增大 人类传统惯 用的天然原材料资源逐渐短缺 所以复合材料应运而生 发展迅速 近年来 新 的热塑性复合材料不断出现 并被广泛应用到许多领域 热塑性复合材料 f i b e rr e i n f o r c e dt h e r m o p l a s t i c sc o m p o s i t e s 英文简称为 f r t p 是以各种热塑树脂为基体 以各种增强纤维为增强材料的复合材料的总 称 热塑性复合材料主要类型有 长纤维增强热塑性复合材料 l o n gf i b e r r e i n f o r e e dt h e r m o p l a s t i c sc o m p o s i t e s 英文简称为l f r t p 连续纤维增强热塑 性复合材料 短纤维增强热塑性复合材料和纤维毡增强热塑性复合材料 l 长纤维增强热塑性复合材料 l o n gf i b e rr e i n f o r c e dt h e r m o p l a s t i c c o m p o s i t e s 英文缩写为l f r t p 口 是近年来发展迅速的一类热塑性高分子复合 材料 它是采用热塑性树脂与长纤维在特定的设备与工艺条件下充分浸渍制得 常用的基体材料有聚乙烯 p e 聚丙烯 p p 聚苯乙烯 p s 苯乙烯一丙烯腈 s a n 聚酰胺 p a 聚对苯二甲酸乙二酯 p e t 聚对苯二甲酸丁二酯 p b t 等 l 常用的增强纤维有玄武岩纤维 碳纤维 玻璃纤维 芳纶纤维 超高分子 量聚乙烯纤维 麻纤维等 由于l f r t p 具有很多优良性能 现已成为高分子复 合材料研发的热点 也被越来越多的领域广泛应用 长纤维增强热塑性复合材料弥补了热固性复合材料与短纤维增强热塑性复 合材料的众多不足之处 与热固性增强复合材料相比 l f r t p 有以下几方面突 出的优点 1 基体树脂种类多 可选择性大 4 预浸料保存期限几乎不受限 s f j 2 比热固性复合材料密度小 较小的单位质量可具有较好的机械性能 4 韧性优于热固性材料 具有良好的耐疲劳性和抗冲击性 5 耐水性优于热固 性复合材料 6 抗化学和环境腐蚀的能力强 固化过程中不发生化学反应 6 产品设计自由度大 可制成很多复杂形状 成型适应性广 3 成型周期 短 生产效率高 8 废旧制品容易回收 可重复加工和循环利用 降低了制 天津 业人学硕十学位论文 造成本 且有利于环保性 与短纤维增强复合材料相比 l f r t p 的主要优点有 1 材料的拉伸强度 抗疲劳性能等物理机械性能均有所提高 2 类似骨架 的长纤维结构 增强了制品的抗冲击强度 3 具有较好的耐热性能 在高温高 湿环境下仍能保持良好的力学性能 热塑性树脂 特别是高性能的热塑性树脂 的存在的问题是熔融粘度大 给热塑性树脂浸渍纤维带来了一定的困难 长纤维增强热塑性复合材料 l f r t p 的应用领域广阔 1 机械制造领域 传统上由金属材料制造的机械设备 比如风机 阀门 制冷机械 起重机械 工 程机械 塑料加工机械及食品机械的很多零部件 要求既要有一定的刚度和强度 又要具有耐磨 耐腐蚀 减震和降噪等功能 现在可以采用l f r t p 来制造 可 获得更高的性价比 2 电子电气领域 由于l f r t p 材料具有刚性高 耐热绝 缘性好等优异性能 可制造仪器仪表 电机及各种电器中的附件 如底盘和支架 风扇叶片 仪表罩壳 接线盒 开关壳 电视机调谐器和后盖等部件 既可以减 轻自重和提高其可靠性 又延长其使用寿命 3 化工和环保领域 化工环保领 域多涉及腐蚀性物质 l f r t p 因比强度高 无电化学腐蚀现象 热导率低 保 温性能及电绝缘性能良好 制品内壁光滑 流体阻力小 质量轻 吊装运输维修 方便等特点 被制成槽 罐 容器 结构件 过滤器件 壳体 防腐管道 电镀 槽部件 防腐地板及印染板框等 广泛应用于石油 化肥 制盐 制药 造纸 海水淡化 生物工程 环境工程及金属电镀等领域 4 建筑工业领域 l f r t p 能满足建筑材料抗腐蚀 高强度 大批量生产的要求 可用作门窗构件 地板 天花板等 混凝土增强用复合材料棒材在美国已经商品化 这种棒材不腐蚀不导 电 质量是钢材的四分之一 热膨胀系数比钢材更接近混凝土 可以在海堤 高 速公路护栏 房屋地基和桥梁等场合使用 5 汽车工业领域 汽车轻量化与节 能环保成为2 1 世纪汽车技术的发展趋势 以塑代钢成为实现轻量化的主要途径 l f r t p 的质量只有钢材的四分之一左右 具有比强度和比刚度高 不生锈 结 构整体性强 成本低 设计自由度大等优点 因此在汽车工业中的应用同趋增加 常用于制作保险杠 仪表板 电池托盘 前端组件 分电器盒 椅背支撑板 备 胎仓 底盘盖板 噪音隔板 行李仓底板 车门车身板 发动机底座 暖风机叶 轮防护板 行李架等 欧美及日本的许多汽车厂家已大量使用l f r t p 6 航 空航天和通讯领域 美国波音公司在飞机中大量采用碳纤维增强复合材料 i c i 公司利用5 0 长玻璃纤维增强尼龙6 6 制造飞机上的阀门 代替了原来使用的酚 醛石棉复合材料 满足了飞机阀门在宽的温度范围内与燃料长期接触也能保持其 性能和形状的要求 长纤维增强热塑性复合材料的质量轻 这可减轻宇宙飞船的 重量 有利于提高推进系统的精确度 另外长纤维增强热塑性复合材料优良的耐 热性和减震性能 可提高宇宙飞船上仪器设备的稳定性 4 2 第 章综述 国外对长纤维增强热塑性复合材料的研发进程 1 9 5 1 年美国的b r a d t 首次 采用短玻璃纤维增强聚丙烯制造复合材料 5 2 0 世纪6 0 年代仞美国开始了熔融 法制备长纤维增强热塑性复合材料片材的工艺研究 2 0 世纪7 0 年代中期 以 a z d e l 为商品名称的中长玻璃纤维毡增强聚丙烯的热塑性片材实现了工业化生 产 揭开了长纤维增强热塑性复合材料开发应用的序幕 在解决了长纤维的浸渍 问题以后 长纤维增强热塑性复合材料取得了突破性进展 在航天 航空 汽车 化工 电子电器等领域均得到应用 近1 0 年来 每年均以约2 5 的速度增长 发展速度比热固性复合材料快很爹引 走在长纤维增强热塑性复合材料产业前列 的是美国 德国 法国 日本等发达国家 美国的杜邦公司 t i c o n a 公司和l n p 公司 法国的s a i n t g o b i a n 公司和v e t r o t e x 公司 同本的帝人公司等都推出了长 纤维增强热塑性复合材料 我国对长纤维增强热塑性复合材料的研发进程 我国于2 0 世纪6 0 年代初期 开始热塑性复合材料的研究 2 0 世纪8 0 年代后期 开始进行长纤维增强热塑性 复合材料的研制工作 近年来 很多的科研人员进行了大量的实验和研究 天津 工业大学 东华大学 浙江大学等多所高校 以及航天科技集团 上海杰事杰公 司等单位都开展着相关内容的研发工作 长纤维增强热塑性塑料 l f r t p 的研发 越来越受到重视 尤其围绕着长纤维增强热塑性复合材料的浸润技术 加工成型 工艺 性能研究和应用研究十分活跃 1 2 长纤维增强热塑性复合材料的制备工艺 制备长纤维增强热塑性复合材料的关键在于纤维能否在较高的纤维含量的 树脂中获得良好的浸渍 或者说长纤维增强热塑性复合材料的关键所在是其成型 工艺 长纤维增强热塑性复合材料的制备工艺包括浸渍工艺和成型工艺两类 1 2 1 预浸工艺 1 熔融浸渍法 6 1 熔融浸渍法是利用热塑性树脂的熔融再熔融特性 使增强纤维通过熔融树 脂槽浸渍树脂 但大多数耐高温树脂在高温下粘度也很高 而且为防止聚合物降 解 浸渍温度需要特别控制 其简易流程 如图1 1 所示 天津i 业人学硕 学位论文 纤维柬 挤压机 图1 1 熔融浸渍法流程图 g r a p h l 1m e lti n f u s i o nf l o wd i a g r a m 2 树脂膜层叠法 6 树脂膜层叠法实际上是将纤维浸渍与复合材料成型同时完成 先将热塑性树 脂热熔制成衬有脱模纸的薄膜 铺层时撕去脱模纸与增强纤维间隔铺置 将增强 材料以束纤维或织物的形式与热塑树脂膜在压力的作用下固化 这是一种应用广 泛且相对简单的生产方法 但此法要加工低孔隙含量的复合材料很困难 其简易 流程 如图1 2 所示 纤维织物 图1 2 树脂膜层叠法示意图 g r a p h l 一2r e s i nf i l ms u p e r p o s i t i o nd i a g r a m 3 混纤纱浸渍法 这种方法是将热塑性树脂纺成纤维或薄膜带 然后根据含胶量的多少 将一 定比例的增强纤维束和树脂纤维束紧密地合并成混合纱 再通过一个高温密封浸 渍区 将树脂纤维熔成连续的基体 该法的优点是树脂含量能控制得比较准确 纤维能够得到充分浸润 因此 可以利用直接经缠绕成型得到制件 可以方便地 加工结构复杂的构件 4 溶液浸渍法 4 第一章综述 溶液浸渍法是环氧等热固性树脂系统沿用的传统方法 它是选取合适的溶 剂 也可以是几种溶剂配成的混合溶剂 将树脂完全溶解 配成胶液 然后使纤 维通过胶液得到浸渍 再烘干溶剂 便得到预浸带 这种方法的缺点是不适合用 于耐溶剂良好的树脂 同时可能会有少量溶剂残留在预浸带上 使产品内部产生 孔隙 还存在环境污染等问题 5 悬浮一熔融浸渍法1 7 j 悬浮一熔融浸渍技术主要借助低沸点的有机溶剂使粉末分散 让分散的纤维 束通过液体 使树脂粉末均匀的渗入纤维间 然后加热除去悬浮剂 同时使树脂 熔融浸渍纤维得到预浸带 6 粉末浸渍法 该方法是在高性能热塑性塑料的低沸点溶剂较少的情况下发展起来的 粉未 浸渍法就是将干粉颗粒引入到纤维中 使得纤维束被包覆上一层树脂外壳以到达 基体和增强体复合的方法 7 阴离子原位聚合法 8 利用低粘度的活化单体浸渍连续纤维或连续纤维的织物 然后就地进行原位 聚合制成热塑性复合材料 该方法解决了高粘度树脂熔体浸渍困难的问题 可以 使树脂均匀地浸渍到增强纤维或其织物中 从而得到性能良好的热塑性复合材 料 1 2 2 成型工艺 由于长纤维增强热塑性复合材料是从复合材料和塑料两个不同领域开发出 的一种新型复合材料 因此其成型工艺具有塑料和复合材料工艺的特征 又因为 它可以进行热成型 使其又具有金属材料成型的特点 1 热成型工艺 川 热成型工艺也称为预热坯料成型 与热固性复合材料的对模模压成型类似 是一种快速 大量成型热塑性复合材料制品的工艺方法 用热成型工艺制造复合 材料制品与制造纯塑料制品不同 预浸料在模具内不能伸长 也不能变薄 模具 闭合之前 预浸料要从夹持框架上松开 放至下半模具上 闭合模具时 预浸料 铺层边缘将向模具中滑移 并贴敷到模具型面上 预浸料层厚保持不变 2 拉挤成型 e x t r u s i o nm o u l d i n g 1 u 拉挤成型是在挤出机中通过加热 加压 使塑料以熔融流动状态连续通过口 模成型的方法 是一种连续的适合大规模生产的加工过程 也是制造恒定截面型 材的工艺方法 最初用于制造单向纤维增强实心截面的简单制品 逐渐发展成为 目前可以制造实心 空心以及各种复杂截面的制品 并且型材的性能可以设计 天津 f 业人学硕十学位论文 能够满足各种工程的结构要求 其主要工艺流程主要包括纤维束预热区 成型模 加热区 水冷却区 纤维束拖动装置 采用的工艺是在一组拉挤模具中边浸渍边 拉挤 但此法一般难于制造断面形状急剧变化的结构 3 罗拉成型法 工艺过程包括红外线预热区 由罗拉组成的成型和固化装置 一般需要几对 罗拉 第一个是加热的 最后一个是冷却的 4 缠绕成型 缠绕成型用热塑性聚合物浸渍连续纤维 能够得到一类新的高性能复合材 料 长丝缠绕法主要的工艺过程为 预热丝束 引导丝束 触点加热 心轴加热 以及后续固化 5 橡胶冲模成型 橡胶冲模成型是在克服金属冲模成型法的一些主要缺点的基础上开发研制 的 这种方法中 带有弹性的橡胶取代了金属冲模中的刚性金属冲模 能在材料 表面产生均匀的压力分布 6 液压成型法 液压成型法首先被广泛地应用于金属薄片的加工 现已被成熟地使用于热塑 复合材料的成型 由于材料被赋予的压力是流动液体产生的压力 因此材料受力 均匀 可以制得匀质的热塑复合材料 7 注射成型 i n j e c t i o nm o u l d i n g 1 1 0 可以通过注塑成型工艺制备各种制品 注塑成型可制各更复杂 更小的零部 件 几乎无废料的产生 1 3 混纤纱热塑复合材料的研发概况 1 3 1 国外对混纤纱热塑复合材料的研发进展 关于混纤纱热塑复合材料的研究 欧美国家从2 0 世纪9 0 年代初就开始了 随 着复合材料的快速发展 对混纤纱热塑复合材料的研究开发越来越广泛 1 9 9 9 年 l a u k e 等人研究了在热塑纤维和增强纤维组成的混纤纱中 两种纤 维的混合状态对复合材料层板树脂渗透情况及力学性能的影响 实验表明 两种 纤维的混合程度对树脂的渗透有明显的影响 因而也对材料的力学性能产生较大 的影响 l l 2 0 0 0 年 s a k a g u c h i 等人对g f p a 6 纬编纱制成的复合材料的渗透性能进行 了实验研究 其实验结果表明 在增强纤维束直径为0 1 6 m m 0 2 m m 0 2 8 m m 时 材料的最终空隙率在3 左右 增强纤维在复合材料中有较好的分散 增强纤维 6 第一章综述 束直径为0 4 m m 时 最终的空隙率增加到5 增强纤维在基体材料中没有被分 散 1 2 2 0 0 1 年 l o n g 等人对加压速率 温度 加压时间与复合质量的关系进行了 一系列探讨 根据对v e t r o t e x 公司提供的t w i n t e xc f p p 纱织成的机织物的实 验结果表明 加压速度的增加会使所需的固结压力和复合材料的最终空隙率增 加 合适的加压速度应小于2 0 m m m i n 压头下降的速度 冷却过程中 继续保持 压力可使空隙率有明显减小 在压力为3 m p a 的时候 空隙率可达到小于1 的水 平 温度超过1 8 0 c 后 提高温度对降低复合材料空隙率没有明显影响 1 3 l o u i sl a b e r g e l e b e l 等首先用显微镜法观察了由法国生产的碳纤 尼龙混纤 纱的结构 用编织的方法将该混纤纱编织成织物 然后将预制件层压制成复合材 料 研究了不同编织角对复合材料拉伸和弯曲性能的影响 并用经典的层和板理 论预测了复合材料的弹性模量 h b y u n j o o n h y u n g 等做了碳纤维 p e e k 混编纱三维织物复合材料和简单织物 层合复合材料的冲击试验和开口拉伸试验 通过电镜观察 混编纱复合材料中 p e e k 能很均匀地浸透碳纤维 在碳纤维体积含量均为5 3 时 三维织物复合材 料与简单织物层合复合材料相比具有很好的抗冲击性能 冲击后强度降低 3 0 4 0 而简单织物复合材料降低5 6 扫描电镜观察表明三维机织物复合材料 裂纹扩展较小 而简单织物层合复合材料具有明显的分层现象 l 列 g o l z a r m 等研究了影响混纤纱热塑复合材料树脂浸透性的重要参数 纤维 体积分数和增强纤维 热塑纤维的直径比 分别比较了这两个参数对p e e k c f 和p p g f 两种空气变形丝混纤纱单向复合材料力学性能的影响 提出了一种优化 生产丙纶 玻璃混纤纱的方法 1 6 1 1 3 2 国内对混纤纱热塑复合材料的研发进展 国内关于混纤纱热塑复合材料的研究起步比欧美国家晚 自2 0 世纪末 我 国的科学工作者混纤纱加工方法 复合工艺与复合材料性能等方面的研究中做了 大量的工作 翁永华等对连续玻璃纤维涤纶混纺纱复合材料的成型工艺条件与复合材料 的空隙率及力学性能的关系进行了试验研究 李龙等人对喷气混纤纱复合材料进 行了短梁剪切试验 l l 吴晓青等对玻璃纤维与聚丙烯纤维混合编织的热塑复合材料进行了试验研 究 认为在相同的玻璃纤维含量下 与r t m 成型法比较 三维整体成型的热塑性 复合材料拉伸性能较好 董卫国和黄故教授等对g f p p 混纤编织纱的制作 工艺参数 织造性能以及 7 天津 i 业人学硕十学位论文 由混纤纱制作的复合材料的性能进行了研究 主要有以下几个方面 对用于热 塑复合材料的g f p p 包芯编带纱的加工工艺 几何结构进行了分析和研究 研 究了由玻璃纤维和丙纶纤维组成的包芯编带纱 摩擦纺纱 空心锭子包缠纱以及 玻璃纤维纱的织造性能 研究了由包芯编带纱制成的单向热塑复合材料的复合 固化过程 建立了试样厚度与复合材料空隙率的关系模型 通过在线测量试样厚 度的变化 得出了树脂渗透速度 复合材料的空隙率与工艺条件 温度 压力 时间 及纱线几何结构的关系 研究了由玻璃纤维和丙纶纤维组成的编带包芯 纱制成的三维机织复合材料的空隙率 拉伸 弯曲性能 研究表明 编带包芯纱 既能满足热望树脂的均匀渗透 又具有良好的三维制造性能 复合材料的空隙率 一般在5 左右 具有良好的柔韧性 通过预拉伸工艺 可以显著提高复合材料 的拉伸冈0 度i i7 2 田伟等人在花式捻线机上将玻璃长丝和丙纶长丝混合包覆制的玻璃纤维体 积含量为2 2 9 9 的混纤纱线 进而研制成三维正交 准正交 交联锁机织物 然 后采用热压成型工艺制得复合材料 研究了复合材料的拉伸性能 比较了对各三 维正交 准正交 交联锁机织物复合材料的抗拉强度和弹性模量 2 1 2 2 梅启林等采用丙纶和玻璃长丝合股混纤纱法制备连续玻璃纤维增强聚丙烯 复合材料 对混纤纱的制备工艺及纤维增强聚丙烯复合材料的成型工艺进行了研 究 通过试验 对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能及孔隙率等进行了测试 并确定出了合理的工艺参数 2 3 j 台湾逢甲大学的w e n s h y o n gk u o 对粉末浸渍纱的三维正交机织物复合材料 的压缩性能进行了研究 研究了成型温度对压缩性能的影响 并研究了复合材料 的压缩破坏主要形式 1 4 本课题的研究意义和主要内容 1 4 1 本课题的研究意义 在本课题中 增强纤维是玄武岩纤维 包缠纤维是丙纶纤维 丙纶纤维因其 密度小 耐化学腐蚀性好 力学性能高等特点 而广泛应用于各种面料 工业用 织物和非织造织物等 但同时也因成型收缩率大 低温脆性 热变形温度低等缺 陷而受到限制 玄武纤维有极高的使用温度 高的断裂度 高模量 优异的力学 物理 化学功能 极低的热传导系数 高的吸音系数 极低的吸湿性 高的比体 积电阻 抗紫外线 吸波功能 防辐射 防电磁 燃烧无熔滴 燃烧烟密度低 环保无污染等优点 因此用玄武岩纤维增强的复合材料 很多性能都优于用玻璃 纤维增强的复合材料 第一章综述 由于热塑性树脂 特别是高性能的热塑树脂的熔融粘度很大 在低沸点溶剂 中的溶解能力差或根本不溶 给热塑树脂浸渍纤维带来困难 难以制备出复杂的 热塑性复合材料预制件 以玄武岩纤维增强纤维 丙纶纤维为包缠纤维制作的包 芯纱为媒介 加工热塑复合材料预浸料的方法在一定程度上可解决浸渍纤维带困 难的问题 长纤维增强热塑性复合材料弥补了热固性复合材料与短纤维增强热塑性复 合材料的众多不足之处 例如长纤维增强热塑性复合材料具有良好的耐疲劳性 抗冲击性 耐水性 耐热性 抗腐蚀性 产品设计自由度大 可制成很多复杂形 状 成型适应性广 成型周期短 生产效率高 废旧制品容易回收 可重复加工 和循环利用 降低了制造成本 且有利于环保性 因此长纤维增强热塑性复合材 料在机械制造 电子电气 化工和环保 建筑工业 汽车工业 航空航天和通讯 等领域的应用前景广阔 本课题对在环锭细纱机纺制丙纶 玄武岩纤维包芯纱的工艺进行了研究 对 三维分层角联锁机织物及其复合材料的制做工艺进行了探讨 对复合材料的冲击 性能 拉伸性能和空隙率进行了测试 为制造低成本 高性能的长纤维增强热塑 复合材料提供了可行的工艺路线和可供参考的实验数据 1 4 2 本课题的主要内容 一 在环锭细纱机上纺制丙纶 玄武岩纤维包芯纱 二 用纺制的包芯纱 织造的工艺 三 将三维分层角联锁机织物制作成热塑性复合材料 四 对复合材料冲击性能 拉伸性能和空隙率进行测试和分析 1 5 本课题研究的创新点 一 在环锭细纱机上纺制丙纶 玄武岩纤维包芯纱是可行的 二 玄武岩纤维性能优良 在许多技术指标方面都优于玻璃纤维 因此可用 玄武岩长纤维做增强纤维 制做热塑性复合材料 三 以玄武岩纤维增强纤维 丙纶纤维为包缠纤维制作的包芯纱为媒介 加 工热塑复合材料预浸料的方法在一定程度上可解决浸渍纤维带困难的问题 9 第一章包芯纱的纺制 2 1 混纤纱的概述 第二章包芯纱的纺制 纤维混合越均匀 复合固化时所需的压力就越小 混纤纱的理想状态是每一 根增强纤维都与基体纤维相邻 但是由于增强纤维与基体纤维的物理性能差异较 大 实际上这是难以实现的 目前混纤纱主要有混合纱 包缠纱 包芯纱和牵切 纱 各种混纤纱的结构由图2 一i 囊撇谗 a m 台纱b 包缠纱 c 包芯纱d 牵切纱 图2 一i 并种混纤纱的结构 g r a p h2 is t r o c t u r eo ff i b e rm i x e dy a r n 混合纱的加工方法有多种 1 将两相纤维铺开 交错层叠 然后在水中共混 2 在抽丝的过程中直 接将两相纤维并台 混合 3 用静电荷来实现两相纤维的混合 4 通过空气变 形来使两相纤维混合 其中 4 通过空气变形来使两相纤维混合 是一种较好 的方法 经空气变形加工成的纱线中 两相纤维紧密缠结 拖合成一体 井有弧 圈状变形 有利于基体树脂对增强纤维的浸溃 这种方法适应性强 且经空气变 形得到的纱线柔软 悬垂性好 适合于进行纺织加工 制成形状复杂的复合材料 预型件 空气变形纱中的扭矩可以使纱线有较强的抱合力 有利于后序加工 用 空气变形加工混合纱比用水共混要快一倍 在拉丝的过程中将两相纤维混合 可 以使热塑性树脂纤维紧密而均匀地分布于混合纱中 使增强纤维能够得到快速的 浸溃和渗透 从而使制得的热塑性复合材料制品的力学性能稳定 空隙率为零 包芯纱是将短的热塑性基体纤维通过各种方法纺在连续的增强纤维芯纱外 形成的一种混纤纱 它的性能与包缠纱的性能很相近 但由于外层的基体纤维是 短纤维的型式 因此它比包缠纱要柔软得多 这使后序加工更容易进行 为了使 天津 1 业人学硕十学位论文 皮层和芯层之间有足够的抱合力 通常需要包芯纱要有较高的捻度 捻度过高会 使生产速度和纱线强力降低 采用较多的加工包芯纱混纤纱的方法是摩擦纺的方 法 它利用摩擦纺纱的原理将连续增强纤维和热塑性树脂短纤维结合在一起形成 摩擦纺包芯纱 包缠纱是将基体纤维包缠于增强纤维芯的外面形成一种混纤纱 与混合纱相 比 包缠纱具有以下优点 1 增强纤维完全包覆在纱线的芯部 从而避免了在纱 线加工及后序加工 如机织 针织 编织 中的可能的损伤 2 连续的增强纤维 保持无捻的形式 有利于其机械性能的充分利用 然而 包缠纱中两相纤维分布 的均匀性较混合纱差 从而导致树脂基体对增强纤维的浸渍效果较差 如果将混 合法和包缠法结合起来 则制得的混纤将既能达到好的增强纤维与基体纤维的分 布效果 又能对增强纤维形成好的保护效果 因此 将以上两种方法结合起来将 为热塑性树脂基复合材料的发展开辟更广阔的前景 但目前在这方面进行的研究 和应用却非常少 牵切纱 又称短切纱 是将连续的增强纤维和基体纤维牵切成所需的长度 加 捻纺成的一种混纤纱 尽管加捻使纤维不能完全伸直平行排列 从而降低了纱线 长度方向上的刚度和强度 但加捻可以改善纱线的柔韧性和拉仲性 由于短切纱 中的纤维长度比临界的纤维长度大得多 纤维不能完全仲直平行排列而改善了复 合材料的层间性能 2 2 选择纺制包芯纱的纤维 包缠纤维作为复合材料的基体 要满足复合材料对基体的各种要求 要有一 定的柔软性和耐磨性 特别是熔融温度要低于增强纤维 芯纱 的热变性温度 如 软化温度 热损伤温度等 在本研究中 包缠纤维是丙纶纤维 增强纤维是玄 武岩纤维 2 2 1 玄武岩纤维 b a s a ltfib e r 被科学家们誉为2 l 世纪一种新材料的玄武岩连续纤维及其复合材料 性能优 异 替代性强 应用领域广 早在上个世纪6 0 年代初 原苏联科学家就发现了玄 武岩连续纤维的优异特性 从7 0 年代开始 美国和德国的科学家就对玄武岩连续 纤维进行了大量的研究 2 引 我国玄武岩矿藏储量丰富 虽然有几十条普通玄武岩 岩棉的生产线 但由于拉丝技术不过关 玄武岩连续纤维大规模生产及广泛应用 尚属空白 这项作为我国国家8 6 3 计划的研究项目 现在正由南京玄武岩纤维研 究设计院矿物棉研究所 辽宁省营口市建筑材料研究所等科研及生产单位联合研 1 2 第二章包芯纱的纺制 究开剔2 5 1 玄武岩连续纤维以天然玄武岩矿石为原料 将矿石破碎后加入熔窑中 在 1 4 5 0 c 1 5 0 0 c 熔融后 通过喷丝板拉伸成连续纤维 并以玄武岩纤维为增强体 制成的新型复合材料 玄武岩矿石主要由s i 0 2 a 1 2 0 3 f e 2 0 3 c a o m g o k 2 0 t i 0 2 等多种氧化物组成 玄武岩纤维具有优越的物理 化学性剧2 6 1 1 永久的阻燃性 极限氧指 数 l o i 7 0 2 特高软化温度 1 2 0 0 3 极高的使用温度 8 8 0 4 极低的使用温度 2 6 0 5 高的断裂强度 4 5 0 0 m p a 6 低的断裂伸长率 3 1 7 高的弹性模量 l x l 0 4 k g m m 2 8 材料密度 2 7 9 e r a 3 9 低的热传 导系数 0 0 3 5 w m k 1 0 高的吸音系数 o 9 5 1 1 低的吸湿性 o 1 1 2 高的比体积电阻 l x l 0 1 2 q m 1 3 防辐射铅当量 0 0 0 7 3 m m p b 1 4 绿色环保 由于玄武纤维有极高的使用温度 高的断裂度 高模量 优异的力学 物理 化学功能 极低的热传导系数 高的吸音系数 极低的吸湿性 高的比体积电阻 抗紫外线 吸波功能 防辐射 防电磁 燃烧无熔滴 燃烧烟密度低 环保无污 染等优点 因此玄武纤维可广泛用于航天 航空 高速列车 汽车 船舶 国防 军工 安防 建筑工程 防火工程 海洋工程 土木工程 电力工程 石油工程 加固工程等行业 2 7 j 由于玄武岩纤维在许多技术指标方面优于玻璃纤维 如玄武岩纤维具有高的 热稳定性 可以工作至u 6 0 0 以上 而玻璃纤维在相同条件下的使用温度不超过 4 0 0 c 2 n 玄武岩纤维的耐酸性为5 6 0 7 8 2 而玻璃纤维为5 2 0 5 4 o 因 此用玄武岩连续纤维增强的复合材料 很多性能都优于用玻璃纤维增强的复合材 料 2 2 2 丙纶纤维 p o i y p r o p y i e n ef i b e r 英文简称p p 丙纶纤维 又称聚丙烯纤维 它是由丙烯作原料经聚合 熔体纺丝制得的纤 维 丙纶的主要物理和化学性质如下 1 形态 丙纶的纵面平直光滑 截面呈圆形 2 密度 丙纶最大的优点是质地轻 其密度仅为0 9 1 9 c m 3 是常见化学 纤维中密度最轻的 所以同样重量的丙纶可比其他纤维得到的较大的覆盖面积 3 强伸性 丙纶的强度高 伸长大 初始模量较高 弹性优良 所以丙 纶耐磨性好 此外 丙纶的湿强基本等于干强 所以它是制作渔网 缆绳的理想 材料 4 吸湿性和染色性 丙纶的吸湿性很小 几乎不吸湿 一般大气条件下 1 3 天津l 业人学硕十学何论文 的回潮率接近于零 但它有芯吸作用 能通过织物中的毛细管传递水蒸气 但本 身不起任何吸收作用 丙纶的染色性较差 色谱不全 但可以采用原液着色的方 法来弥补不足 5 耐酸耐碱性 丙纶有较好的耐化学腐蚀性 除了浓硝酸 浓的苛性钠 外 丙纶对酸和碱抵抗性能良好 所以适于用作过滤材料和包装材料 6 耐光性和电绝缘性 丙纶耐光性较差 热稳定性也较差 易老化 不 耐熨烫 但可以通过在纺丝时加入防老华剂 来提高其抗老化性能 此外 丙纶 的电绝缘性良好 但加工时易产生静电 7 强度高 丙纶弹力丝强度仅次于锦纶 但价格却只有锦纶的三分之一 制成织物尺寸稳定 耐磨弹性也不错 化学稳定性好 8 丙纶的玻璃化