纤维预浸编织及改性技术ppt课件.ppt

纤维预浸 编织及改性技术 一 纤维预浸技术二 纤维编织技术三 纤维改性技术 一 纤维预浸技术 1 1溶液浸渍法溶液浸渍法是把树脂基体各组分按规定的比例 溶解于低沸点溶剂中 使成一定浓度的溶液 然后将纤维束或织物以规定的速度通过树脂基体溶液 使其浸上定量的树脂基体 该法必须有除去溶剂的工序 优点 1 增强材料容易被树脂基体浸透 2 可以制造薄型预浸料 也可制造厚型预浸料 3 设备造价相对较低 缺点 1 是需要干燥炉除去溶剂或进行溶剂回收 处理不当会引起燃烧或引起环境污染 2 预浸料往往残留一定量的溶剂 成型时易形成空隙 影响复合材料性能 3 高性能热塑性树脂 PEEK PPS结晶型 没有合适的低沸点溶剂可溶 不便用溶液法进行预浸 影响因素 1 树脂基体溶液的浓度 2 增强材料线速度 3 挤胶辊的间距 1 2泥浆法 1 将树脂粉末悬浮于具有要求特性的液体介质中 多为含增调剂聚环氧乙烷 甲基乙基纤维素的水溶液 2 树脂粉末直径最好在10Lm以下并小于纤维直径 以便分布均匀并使纤维浸透 3 为提高树脂对纤维的浸透性 可加入润湿剂 烷基芳基聚醚醇 4 工艺过程和溶液法类似 随后通过挤压辊挤掉多余的树脂 通过加热炉 除去水或稀释剂 再将树脂和纤维加热 使熔化并粘接在一起 特点这种工艺可以使树脂均匀浸渍 但水和增稠剂处理不当 会影响复合材料的性能 影响因素 1 树脂粉末含量 2 增强材料线速度 1 3热压法这种方法所用设备为热压机 是将定量树脂粉末均匀地分布在热压板上 用增强纤维织物盖上树脂 放第二块热压板 加热到树脂的加工温度 使其熔融 慢慢施压 使树脂进入织物 为了改善浸渍 防止气泡形成 可以在真空下进行浸渍过程 特点该法多用于制备织物预浸料 制备单向预浸料时 由于加压过程中纤维移动 质量难以保证 同时制备预料浸料为非连续过程 效率比较低 只适于研制和小批量生产 影响因素 1 树脂量 2 压力 3 加压时间 1 4热熔法将增强纤维连续通过树脂熔融浴中 用刮刀或计量辊筒控制树脂含量 也可将树脂涂在离型纸上 制成规定厚度的胶膜 使树脂 纤维和离型纸形成夹心结构 经过加热 树脂熔融 通过辊压将熔化的树脂转移到定向纤维上 并使树脂基体充分浸透纤维 优点 1 工艺过程线速度大 效率高 2 树脂含量容易控制 3 没有溶剂 预浸料挥发分含量低 工艺安全 4 不需要干燥炉 减少了环境污染 5 制膜和浸渍过程可以分步进行 减少了材料特别是昂贵增强材料的损失 6 这种工艺预浸料的外观质量也较好 缺点 1 厚度大的预浸料特别是织物难于浸透 高粘度的树脂难于浸渍 离型纸和薄膜用量较大 影响因素 1 增强材料的线速度 2 调节树脂的熔融粘度 3 改变模腔的形式 4 通入惰性气体保护 1 5纤维混杂法纤维混杂法是将热塑性树脂纤维和增强纤维以不同的方式混杂 再进行热处理制成预浸料 也可将混杂纤维或织物直接铺层 加温 加压制成复合材料 特点纤维混杂法制得的预浸料用于复杂外形构件的制造时 具有柔性好 易铺覆 容易加工 复合材料构件加工再现性好 质量稳定等优点 是航空和宇航复合材料引人注意的预浸料形式 由于尚未建立超细熔融纺丝技术 PEEK纤维的直径最小只能到20Lm 难于和直7Lm甚至更细的粗束纤维充分混合 并在熔融后包覆每一根增强纤维 从而给制备预浸料带来一定困难 处理不当对复合材料性能也会造成一定影响 影响因素该法的关键是制备热塑性树脂纤维 国外多个公司通过熔融纺丝制成热塑性树脂纤维 1 6粉末预浸法粉末预浸法是制备热塑性树脂预浸料比较成功的方法 随着所用设备不同和工艺条件的差异 有多种方法 1 荷兰专利介绍了一种流态化床工艺 是将纤维束分散开来通过一个流态床 树脂粉末悬浮于一股或多股气流或液流中 气流或液流在可控的压力下使树脂 沸腾 并沉积在纤维上 树脂可以不同形式悬浮于气流中 如将其熔体或液体雾化 也可将树脂粉末直接从容器中进入气流或液流 还可使气体通过流化板并使树脂粉末流化 2 法国Atochem公司开发了一种 FIT 预浸工艺 是将充分展开的纤维束通过一个树脂粒子直径大约在10一20pm的流化床 使树脂粉末均匀地进入纤维束中 然后在其外包覆一层热塑性树脂薄膜 形成截面如图电线结构 薄膜材料可以和树脂粉末相同 也可和树脂粉末不同 这类热塑性树脂浸渍丝束 可用于编织结构 也可用于缠绕和拉挤制备复合材料 3 GeorgiaInstituteofTechnology研究了一种静电流化床预浸工艺 静电粉末浸渍法是使增强材料通过一个树脂粉末带电的流化床 悬浮于气流中的带电树脂粉末沉积在纤维上 随后经过熔融炉 使树脂熔化并附着在纤维上 二 纤维编织技术 编织是一种基本的纺织工艺 能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成形体 该工艺技术一般分为两类 一类为二维编织工艺 另一类是三维编织工艺 2 1二维织造技术 1 机织物机织物 由相互垂直排列的二个系统的纱线 在织机上按一定规律交织成的制品 经纱 沿织物长度方向 纵向 排列的纱 纬纱 沿织物宽度方向 横向 排列的纱 织物结构 经纬纱线在织物中的几何形态 2 针织物针织物 由纱线串套而成 线圈则是针织物的最小基本单元纬编针织物 纱线纬向编织 每一横列由一根纱线形成 经编针织物 纱线经向编织 每一根纱线在一个横列中只形成一个线圈 因此每一横列是由许多根纱线形成的 3 非织造布非织造布 又称非织造织物或无纺布由纤维层构成的纺织品 这种纤维层可以是梳理网或是由纺丝方法直接制成的纤维薄网 纤维杂乱或定向铺置 与机织物 针织物不同 针刺法 生产化纤无纺布 水刺法 生产棉型无纺布 2 2三维编织技术编织工艺的原理是 由许多按同一方向排列的纤维卷通过纱线运载器精确地沿着预先确定的轨迹在平面上移动 使各纤维相互交叉或交织构成网络状结构 最后打紧交织面而形成各种形态增强结构的立体织物 其优点是 a 异型件一次编织整体成型 实现了人们直接对材料进行设计的构想 b 结构不分层 层间强度高 综合力学性能好 2 2 1三维编织物的基本结构在三维编织物中 纱线在三维空间中相互交织交叉在一起 即纱线不但在平面内相互交织交叉在一起 而且通过厚度方向 也交织交叉在一起 从而形成一个不分层的整体结构 2 2 2主要编织形式目前 三维编织主要的编织方法有四步法三维编织 二步法三维编织以及实体三维编织等 所形成的织物结构可以是三维四向 三维五向 三维六向 三维七向等 2 2 3三维编织技术的优点传统的机织物相比 多轴向立体编织物具有下列优点 1 织物的抗拉强力 弹性模量较高 2 织物的悬垂性好 可设计性强 3 抗撕裂性能好 4 原料的适应性好 5 生产成本低 生产兹率高 经济性高 6 整体力学性能好 可作为主承力件 2 2 4编织仪器 1 KarlMayer公司MalirnoMultiaxial型 2 Liba公司CopcentraMAX3CNC型 3 常州润潭经编机械有限公司RCD I型多轴向经编机 三 纤维改性技术 碳纤维的表面改性主要通过提高碳纤维表面活性 强化碳纤维与基体树脂之间界面性能 达到提高复合材料层间剪切强度的目的 目前表面处理改性的方法可以分为氧化法及非氧化法两大类 3 1非氧化法3 1 1气相沉积法用气相沉积技术对碳纤维进行涂覆处理是碳纤维改性的一个重要方面 在高模量结晶型碳纤维表面沉积一层无定性碳来提高其界面黏接性能 增加复合材料的层间剪切强度 1 把碳纤维加热到1200 用甲烷 乙炔 乙烷 氮混合气体处理 甲烷在碳纤维表面分解 形成无定型碳的涂层 处理后所得到的复合材料层间剪切强度可提高两倍 2 另一种方法是先用喹啉溶液处理碳纤维 经干燥后在1600 下裂解 所得到的复合材料层间剪切强度可提高2 7倍 特点气相沉积处理法提高了复合材料的界面性能 但所需温度较高 有一定危险性 且工艺条件苛刻 未能实现广泛的工业化应用 3 1 2电聚合法电聚合法是在电场力的作用下使含有活性基团的单体在碳纤维的表面聚合成膜 以改善其表面形态和组成 用碳纤维作阳极 不锈钢板作阴极 电聚合液可用含羧基共聚物的铵盐水溶液 电聚合的基本历程为 带有羧基的高聚物的阴离子在电场力的作用下向阳极的表面移动 发生质子化作用而沉积在其表面形成聚合膜 缺点电聚合的电压比较低 时间短 可与碳纤维生产线相匹配 只是工序较繁杂 有的电聚合液不太稳定 不便连续操作 3 1 3偶联剂涂层法偶联剂涂层法所采用的偶联剂为双性分子 它的一部分官能团与碳纤维表面反应形成化学键 另一部分官能团与树脂反应形成化学键 这样偶联剂就在树脂与碳纤维表面起到一个化学媒介的作用 将二者牢固地连在一起 从而达到提高界面强度的目的 在对碳纤维进行偶联剂涂层处理之前 可采用空气氧化处理 缺点由于碳纤维表面的官能团数量及种类较少 只用偶联剂处理的效果往往不太理想 用偶联剂处理碳纤维 低模量 可以提高碳纤维增强树脂基复合材料的界面强度 但对高模量碳纤维效果不明显 3 1 4聚合物涂层法碳纤维表面涂覆聚铝氧烷 在高温热处理 则碳纤维表面生成氧化铝涂层 使其抗氧化性能得到提高 可与金属复合制取碳纤维增强金属基复合材料 缺点在对碳纤维进行聚合物涂层之前 纤维的表面最好含有一定量的羧基和羟基 否则由于碳纤维表面的官能团数量较少 聚合物涂层的效果往往不太理想 3 1 5晶须生长法在碳纤维表面 通过化学气相沉积生成碳化硅 硼化金属 TiO2 硼氢化合物等晶须 能明显提高复合材料的层间剪切强度 并且晶须质量只占纤维的015 4 晶须质量分数在3 4 时层间性能达到最大 生长晶须的过程包括成核过程以及在碳纤维表面生长非常细的高强度化合物单晶的过程 缺点尽管晶须处理能获得很好的效果 但因费用昂贵 难以精确处理 故工业上无法采用 3 1 6等离子体法等离子体法是一种新兴的表面处理方法 等离子体法共有3种 即高温等离子体 低温等离子体和混合等离子体法 等离子体法主要是通过等离子体撞击碳纤维表面 从而刻蚀碳纤维表层 使其表面的粗糙度增加 表面积也相应增加 由于等离子体粒子一般具有几个到几十个电子伏特的能量 使得碳纤维表面发生自由基反应 并引入含氧极性基团 缺点 1 单纯地用某种气体放电产生的等离子体处理碳纤维存在时间效应 处理后的效果会随时间的延长而消失 2 等离子体的产生需要一定的真空环境 在工业化应用中存在生产成本高 设备结构复杂等问题 难以实现连续化 稳定化的生产 3 2氧化法3 2 1气相氧化法气相氧化的介质是热空气或其中混合了一定量的空气 O2 O3 CO2 CO SO2 水蒸气等气体的混合气体 处理温度一般在400 600e 反应时间根据碳纤维种类和所需氧化程度而定 气相氧化是用氧化性气体来氧化纤维表面 从而引入极性基团 并给予适宜的粗糙度来提高复合材料的剪切强度 缺点但是由于氧化反应激烈 反应条件难以控制 若温度不能得到精确控制就有可能导致强度损失过大 影响碳纤维复合材料的力学性能 3 2 2液相氧化法液相氧化法主要是将碳纤维浸入到某种氧化性溶液中 通过氧化剂来氧化刻蚀碳纤维表面 液相氧化中使用的氧化剂种类很多 如高锰酸钾 过硫酸铵 次氯酸钠和硫酸混合溶液 硝酸等 缺点但采用的氧化剂均为强酸或强碱及其盐类 对设备的腐蚀严重 很少用于工业化生产 3 2 3气液双效氧化法气液双效氧化法是指先用液相涂层 后用气相氧化 使碳纤维的自身抗拉强度及其复合材料的层间剪切强度均得到提高 缺点存在与气相氧化法相同的缺点 即反应激烈 反应条件难以控制 3 2 4电化学氧化法是以碳纤维作为阳极而浸在电解质溶液中的碳电极充当阴极 电解液中含氧阴离子在电场作用下向碳纤维移动 在其表面放电生成新生态氧 继而