产业用纺织品11ppt课件.ppt

,新兴的学科,1,重点：加工技术难点：立体编织、复合材料,2,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。,3,Part3针织产业用织物及其加工技术,4,一、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。,5,1、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。,6,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。,7,2、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-AxialKarlMayer公司的RSDS-V两种。,8,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。,9,二、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。,10,（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。,11,（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。,12,1、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。,13,14,1）、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。,15,2）、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。,16,2、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。,17,（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。,18,（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。,19,20,3、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。,21,Part4非织造产业用织物及其加工技术,22,一、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。,23,二、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5060%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。,24,三、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。,25,四、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。,26,三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。,27,三维正交非织造物的代换成型法,28,三维正交非织造物的直接成型法,29,几种三维正交非织造物的结构,30,纺织结构复合材料,31,第一节复合材料的定义与发展,32,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。,33,一、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：,34,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；5060，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；197275，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；6080，离心浇注成型工艺，瑞士、英国，大口径负压管道。,35,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。,36,二、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。,37,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。,38,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。,39,三、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。,40,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,41,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。,42,一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。,43,四、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