纺织复合材料.doc

纺织复合材料的应用及研究进展陈新琪（学号：1015033006） 杨小玲（学号：1015063005）（武汉纺织大学材料与工程学院）摘要 纺织复合材料具有质轻、高强、刚性好等性能，由于其优越的性能，其应用范围日益扩大，纺织复合材料几乎可渗透到所有的领域。本方主要介绍了纺织复合材料的基本概念，论述了纺织复合材料的成型技术、纺织复合材料的应用及其研究进展。关键词 纺织；复合材料；应用；研究进展1 前言复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。纺织复合材料的定义是在复合材料的基础上定义的，它是含有纤维、纱线或织物的复合材料。纺织复合材料的原材料包括增强材料和基体材料。作为增强材料的纤维一般有碳纤维、玻璃纤维、硼纤维和芳纶；基体材料主要包括金属基体材料、陶瓷基体材料和树脂基体材料，其中树脂基体材料使用最为广泛。树脂的基本功能是为纤维提供一种支撑，并将纤维在材料中预定的位置固定，使构件具有完整稳定的结构。纺织复合材料具有质轻、高强、刚性好等性能。纺织复合材料的强度、刚性比金属的大，而密度则比金属的小。经研究表明:钢的强度数值为1.8，而玻璃纤维复合材料的为7.1，碳纤维复合材料的是11.2；代表刚性大小的比弹性模量值按上述材料排列的顺序分别是2.2、2.8、10.0。但是，纺织复合材料的密度则为钢的1/4、铝的1/21。2 纺织复合材料成型技术2.1 手糊成型工艺纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺覆成型，室温或加热、无压或低压条件下固化，脱模成制品的工艺方法。2.2 喷射成型工艺喷射成型工艺是利用喷枪将短纤维及树脂同时喷到模具上，压实固化成制件的工艺方法。为改进手糊成型工艺而开发的一种半机械成型工艺，是手糊工艺的变形。在复合材料成型工艺中所占比例较大，如美国占9.1%，西欧占11.3%，日本占21%，目前国内用的喷射成型机主要是从美国进口。 喷射成型的优点：（1）用玻纤粗纱代替织物，可降低材料成本；（2）生产效率比手糊的高24倍；（3）产品整体性好，无接缝，层间剪切强度高，树脂含量高，抗腐蚀、耐渗漏性好；（4）可减少飞边，裁布屑及剩余胶液的消耗；（5）产品尺寸、形状不受限制。其缺点为：（1）树脂含量高，制品强度低；（2）产品只能做到单面光滑；（3）污染环境，有害工人健康。2.3袋压法 袋压成型是将手糊成型的未固化制品，通过橡胶袋或其它弹性材料向其施加气体或液体压力，使制品在压力下密实，固化。此成型方法具有：（1）产品两面光滑；（2）能适应聚酯、环氧和酚醛树脂；（3）产品重量比手糊高等优点。2.4模压成型工艺模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入对模内，经加热、加压固化成型的方法。此成型工艺的优点为：（1）生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；（2）产品尺寸精度高，重复性好；（3）表面光洁，无需二次修饰；（4）能一次成型结构复杂的制品；（5）因为批量生产，价格相对低廉。2.5拉挤成型工艺拉挤成型工艺是将浸渍了树脂胶液的连续纤维，通过成型模具，在膜腔内加热固化成型，在牵引机拉力作用下，连续拉拔出型材制品。 拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是：（1）生产过程完全实现自动化控制，生产效率高；（2）拉挤成型制品中纤维含量可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高；（3）制品纵、横向强度可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要求；（4）生产过程中无边角废料，产品不需后加工，故较其它工艺省工，省原料，省能耗；（5）制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。拉挤成型工艺的缺点是产品形状单调，只能生产线形型材，而且横向强度不高。3 纺织复合材料的应用 纺织复合材料自从20世纪末发展以来，已广泛应用于航空航天、交通、建筑、体育、医疗等领域2-7。3.1航空航天领域如高温、烧蚀和高速的导弹头锥、火箭发动机的喉衬采用三维整体编织结构复合材料。又如发动机裙和导弹弹体(或火箭箭体)以及飞机机身则采用二维编织或机织结构复合材料。目前对空间飞行器，特别是对那些长时间在轨道运行的空间站、空间实验室和重复使用的太空运输系统，正在进行智能型纺织结构复合材料的研究。这类结构将诸如光纤、压电等元件埋入材料内部，以监控制造过程中的质量和运行中结构的健康状况或控制结构的动力学行为。3.2交通运输领域从自行车到汽车、舰艇、高速火车和军用战车，都有采用纺织结构复合材料制成的零、部件和主体构架的例子，只是不同部件采用不同类型的纺织结构而已。如形状复杂的螺旋桨、曲轴就采用整体编织结构复合材料。3.3建筑领域纺织复合材料用于建筑领域具有极好的经济效益和社会效益，它不仅可以优化建筑材料的综合性、简化施工、降低成本，而且还可以大大减轻建筑材料的重量，可提供一个无障碍的空间跨度，提高建筑的抗震性、抗腐蚀性等。建筑用纺织增强复合材料是以各种形式的纤维、纱线、织物为增强相，以树脂、橡胶、金属、水泥、陶瓷等材料为基体相的复合材料。建筑领域的应用主要分为两类：一类是刚性复合材料构件，如梁、柱、骨架等；另一类则是柔性复合材料构件，如体育馆、停车场和车站的屋顶、野营帐篷等膜构件材料。前者大多采用三维织造结构复合材料，后者则用二维织造结构复合材料。3.4 风力发电纺织复合材料在风力发电机叶片制造中也有着广泛的应用，用于发电机叶片的增强材料常见的有玻璃纤维、碳纤维、碳玻混杂纤维，基体材料常见的有聚酯树脂、环氧树脂。随着风力发电机叶片大型化趋势的发展,叶片材料设计也需要不断地改进,例如，采用轻质高强、性能更好的碳纤维复合材料将势在必行。另外,纳米技术的发展也在很大程度上给叶片材料的发展提供了新的契机。用可回收的热塑性树脂代替聚酯树脂和环氧树脂与纺织纤维相匹配,更符合现代环保的观念,因此开发体积质量小、质量轻、抗冲击性能好、生产周期短的热塑性树脂就成为未来风力发电机叶片复合材料开发的一大热点。3.5其它体育用品如高尔夫球杆、医疗用品如人造血管、骨骼等都可用三维织造结构复合材料。由上述广泛的应用领域可以看出，纺织复合材料与人类的生活密切相关，对现代结构工程的发展将产生重要的推动作用。4、纺织复合材料的研究进展4.1 纤维增强材料的研究进展 如果说第一代纤维为天然纤维，而Nylon、PET、PP等合成纤维为第二代纤维的话，那么当今第三代纤维之特征便可以说是高科技及高附加值，未来第四代纤维将朝向航空复合材料及无机陶瓷纤维的应用等领域发展。目前高模量高强度纤维的发展途径主要有三：（1）利用超高分子量聚乙烯在凝胶溶液状态下施行凝胶纺丝和高倍率的延伸；（2）采用特殊PAN纤维，经氧化、碳化及石墨化等步骤，达到高模高强的目的；（3）将合成液晶高分子材料实施溶液或熔融纺丝，然后做热处理，使分子热重合而达到高强力纤维的特性。4.2 树脂基体的研究进展 在复合材料中，树脂基体起着传递载荷、均衡载荷和固箝支持纤维的作用。只有纤维和基体两者有机地匹配协调，才能充分发挥整体作用和各自的性能。总之，在纺织结构复合材料设计中，首先就是选择纤维和基体的材料，并须充分考虑两者之间的相互作用。选择的依据是：（1）能够满足产品的使用需要，如使用温度、强度、刚度、耐腐蚀性等；（2）对纤维具有良好的浸润性和粘接力；（3）易操作性，如要求胶液具有足够长的适用期，预浸料具有足够长的贮存期，固化收缩小等；（4）低毒性，低刺激性；（5）价格合理。4.3 纺织预成型技术的研究进展纺织预成型技术主要有机织、针织、编织、穿刺和缝纫等。基于纱束整体化的程度以及在预成型结构内厚度方向增强的程度，可把纺织预成型织物划分成二维和三维两大类型。更近代发展的预成型技术，如角连锁机织和实体编织完全是整体化的结构，并且在厚度方向具有相当大程度的增强。这些预成型件属于三维织物。目前属于复合材料领域的三维纺织预成型件主要有：正交织物、多层机织物、多层针织物、编织物和缝合织物。上述五种三维织物的技术各有特点，应用场合也各不相同。迄今为止，还没有哪一种技术能完全取代另一种加工技术。近20年来，人们对正交织物和编织物研究的较多，而对多层机织物、多轴向编织物以及缝合织物研究的较少。相信随着材料工作者对纺织品结构以及加工技术的不断了解，多层机织物和多轴向编织物等必将以其独特的成型方式及式及性能受到人们的青睐。目前的预制件成型技术正呈现以下趋势：(1)短纤维向连续纤维发展；(2)两向织物向平面多向织物发展；(3)平面织物向立体织物发展；(4)等密织物向多层不等密织物发展；(5)平面织物向加微原纤织物发展。5 小结纺织复合材料不仅具有比强度高、比刚度大和重量轻等优越的性能，而且该材料的应用范围非常广泛,几乎涉及到各行各业。随着人们对纺织复合材料研究的不断深入及其应用领域的不断扩大, 将从根本上改变人们对纺织复合材料的传统观念。我们应加强对研究每种工艺对纤维的几何形状和材料的限制，通过对纺织复合材料的应用与实践,其巨大的潜能会逐渐释放出来。参考文献1 王静.纺织复合材料J.山东纺织科技，2003（2）：55.2 响肖明.纺织结构复合材料M.北京:科学