纺织复合材料整理

1、复合材料的定义,国际标准化组织对复合材料的定义：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。 材料科学技术百科全书中关于复合材料的定义如下： 复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。,复合材料的组成、各部分的作用；,增强材料（分散相）：作为骨架材料，承担主要载荷；,基体材料（连续相）：将增强材料粘合在一起，使之免受摩擦、均匀分布，达到材料成型的目的，均衡

2、和传递构件所承受的载荷；,界面相：复合材料不同相间的界面附近由于复合过程中极其复杂的物理和化学变化而形成的既不同于基体相、也不同于增强相性能的区域。,复合材料的分类,按用途分类 结构复合材料：利用复合材料的良好力学性能，用作各种结构件。 功能复合材料：利用复合材料的物理、化学和生物学的功能作为主要用途。包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。 未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。,复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种：,按基体材料分类 聚合物基复合材料（热固性、热塑性树脂、橡胶） 金属基

3、复合材料（铝、钛、镁） 陶瓷基复合材料 水泥基复合材料 碳基复合材料,按增强材料种类分类 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 有机纤维复合材料（芳纶、UHMPE、PBO等） 金属纤维复合材料（钨丝、不锈钢丝） 陶瓷纤维复合材料（硼纤维、碳化硅纤维） 混杂纤维复合材料（两种以上纤维）,按增强相材料形态分类 颗粒、薄片增强复合材料 晶须增强复合材料 短纤维复合材料（杂乱或有一定取向） 连续纤维复合材料 织物（二维、三维）增强复合材料,复合材料的特点,性能优越：比强度、比模量、轻质、耐疲劳、减震性好、抗冲击、耐高温、耐腐蚀等等； 功能多样：可综合发挥各种组成材料优点，使一种材料具有多种功能； 可设计性

4、：可按对材料性能需要进行材料的设计和制造； 一次成型：可制成所需要任意形状产品，避免多次加工工序。,常用增强纤维的种类（GF, CF, Kevlar, UHMPE等）；碳纤维（Carbon fiber, CF）玻璃纤维Glass Fiber（GF）高模聚乙烯（UHMPE）纤维,纤维增强体的分类：,碳纤维,碳纤维（Carbon fiber, CF）：纤维状的炭材料，其化学组成中碳元素占总质量的90%以上。,碳纤维的分类：,碳纤维的制造方法：,碳：金刚石、石墨等同素异形体。 不溶（尚未找到溶剂）、不熔（3800K以上直接升华）,制造碳纤维： 碳化法：高分子纤维碳化碳纤维 气相生长：低分子烯烃气体、

5、氢气高温热解沉积、生长,碳纤维的特性：,高强度，高模量； 密度小； 热性能好； 单丝细，复丝不匀率低； 耐腐蚀； 导电性能优异； 耐辐射；,脆性材料，不耐剪切； 抗氧化性能差； 破坏前无预报；,预氧丝,PAN原丝,碳纤维,石墨纤维,预氧化,石墨化,碳化,PAN基碳纤维的制造方法：,碳纤维的应用：,长丝复丝及织物：用作复合材料的增强材料。 三大应用领域：航空航天材料、体育器材、其他工业。 短纤维及毡：绝热材料、填充材料、过滤材料、催化剂载体等 活性碳纤维：吸附材料，废水废气处理。,芳香族聚酰胺纤维（Aramid 芳纶）,聚对苯二甲酰对苯二胺 Kevlar Technora 芳纶1414,聚间苯二

6、甲酰间苯二胺 Nomex Conex 芳纶1313,结构：由酰胺键连接的由芳香族基团组成的线型合成高分子。,大分子链中以芳香基取代脂肪基，链的柔性减小，刚性增大，反映在纤维的性能方面是其初始模量和耐热性显著增大，并具有优异的韧性。,应用：芳纶1414：帘子线；防弹服装；航空航天复合材料。 芳纶1313：航空飞行服，宇航服，绝缘服，消防服，高温下的过滤布、滤带等。,纺织复合材料的概念,广义上：纺织复合材料是指采用纤维或纤维制品为增强材料的复合材料。 狭义上：纺织复合材料特制采用纺织方法尤其是三维织造方法获得具有整体结构的预型件，并与基体材料复合所获得的复合材料。,预型件（Preform）：利用纺

7、织工艺方法铺设纤维，成为纺织结构复合材料的预先成型件，是复合材料的骨架。,二、纺织结构复合材料的特点（优越性）,纺织结构复合材料具有整体性，各方向的性能都较好，提高了抗损伤及沿厚度的性能。 克服了层板复合材料层间性能低、易分层而引起冲击损伤容限差和沿厚度的性能弱的缺点。例如，碳化硅纤维三维编织物增强玻璃整体结构复合材料的发动机叶片的沿厚度强度，是复合材料层板叶片的10倍(从3MPa增至30MPa)。,合理的设计和工艺保证了结构件的强度和韧性。 通过增强件、基体和界面的合理配置，使纺织复合材料成为同时具有强度和韧性的结构复合材料。三维纺织复合材料可整体成型复杂件，防止了由个别层板结构组合构件时出

8、现皱褶，同时也避免了在粘结、螺接和共固化中造成的工艺损伤，从而提高了受力的性能，使纺织复合材料更具有轻质、高强的优越性。 可制造形状复杂和尺寸大的构件，降低成本。 制造单层复合材料和手糊复杂形状的构件，需要较长的制作周期，消耗较多的原材料和能源。纺织结构复合材料的模压整体成型能节约成本，特别是三维纺织复合材料。例如，飞机上的玻璃纤维缝合织物增强复合，材料的外形复杂的整流罩，比沿用的产品大大减少了皱稻及降低成本75。,可用作增强材料的织物 机织、针织、编织、层合片和非织造布等结构,三维织物与传统二维织物的区别： 纱线交织方向数不同：纱线交织方向数是三或三以上。 织物厚度不同：统织物较薄，是单层或

9、两层及两以上层数的织物；三维织物较厚，织物层数可达几十层。 纱线状态不同：三维织物内部的纱线往往是伸直的，在织物表面发生大的屈曲和转向；多采用不加捻的长丝，且主要由高性能纤维进行织造。 织物形状复杂程度不同：传统织物是平面的织物，形状简单。立体织物是圆筒形、方形、矩形、T形、工字形等断面的织物。 用途不同：一般立体织物是与其它材料如树脂等复合成高性能的复合材料。,四步法三维编织物,h 编织节长（花节长度），经过一个编织循环后所增加的编织物长度。 表面纱线倾斜角， 直接在编织物表面测量出的纱线倾斜角。 表面纱线方向角， 编织物表面纱线与织物前进方向的夹角。 （内部）纱线方向角， 编织物内部纱线与

10、织物前进方向的夹角。,二步法三维编织物,两步法三维编织物的优点：,引入轴向伸直纱线，得到三维五向织物，使最终材料的性能尤其是轴向性能更为优异。 编织形状种类多，几乎可编制任何横截面形状的三维织物。 运动较简单，运动零件少，便于实现自动化生产。,基体材料的分类,基体材料主要包括以下三种： 金属基体材料、陶瓷基体材料和聚合物基体材料,金属基复合材料中，基体主要是各种金属或金属合金。金属与合金的品种繁多，目前用作金属基体材料的主要有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、钢与铜合金、锌合金、铅、钛铝金属间化合物等。,陶瓷基体材料 传统的陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等人造无机非金属材料

11、。 随着现代科学技术的发展，出现了许多性能优异的新型陶瓷，它们不仅含有氧化物，还有碳化物、硼化物和氮化物等。 常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。 陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物，其键合为共价键或离子键，与金属不同，它们不含有大量电子,陶瓷基体材料的优点： 一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性、抗老化性皆好。 通常的陶瓷是绝缘体，在高温下也可以导电，但比金属导电性差得多。 缺点： 脆性强，韧性差，很容易因存在裂纹、空隙、杂质等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为承载结构材料的应用。 近年来的研究结果表

12、明，在陶瓷基体中添加其它成分，如陶瓷粒子、纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果并不显著。,聚合物基体材料,定义：聚合物基体材料一般指以有机高分子聚合物为主体，在一定的温度和压力下可塑制成型的合成材料。 除了以有机高分子为主体以外，还加入： 增加塑性的增塑剂 改变表面性能的润滑剂 防止受光热影响的稳定剂 色料和填料等配合剂。 主要特点： 密度小；强度比较高；具有良好的机械性能、电性能、光性能和化学稳定性。,聚合物基体分类： 按树脂热行为分：热固性及热塑性两类。 热塑性基体（如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等）：线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反

13、复加工成型而无任何化学变化。 热固性基体（如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等）：它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子，这类基体通常是无定形的。,聚合物基体分类 按树脂特性及用途分为： 一般用途树脂、耐热性树脂、耐候性树脂、阻燃树脂等。 按成型工艺分： 不同的成型工艺对树脂的要求不同，如粘度、适用期、凝胶时间、固化温度、增粘等，不同工艺应选用不同型号树脂。 手糊用树脂、喷射用树脂、胶衣用树脂、 缠绕用树脂、拉挤用树脂等。,4.2热固性树脂基体 一、环氧树脂（Epoxy Resin）,. 定义：凡是含有

14、两个或两个以上环氧基 的高聚物统称为环氧树脂。,环氧基团的特点：具有强化学活性，可与多类物质（固化剂）发生开环、交联反应，形成不溶不熔的三维网状结构。,环氧当量：环氧树脂最重要的特性指标，表征树脂分子中环氧基的含量，环氧当量是指含有1mol环氧基的环氧树脂的质量克数。 环氧值：100g环氧树脂中环氧基的摩尔数。,环氧树脂的特点 形式多样：各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用，其范围可以从极低的粘度到高熔点的固体。 固化方便：选用不同的固化剂，环氧体系几乎可以在0180温度范围内固化。 固化收缩性低：环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过加成来进行的，没有水或其他挥发性副产物放出。它和酚

15、醛、不饱和聚酯树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性（小于2%）。由于固化反应没有挥发性副产物放出，所以在成型时不需要高压或除去挥发性副产物。 粘附力强：环氧树脂中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。而环氧树脂固化时收缩率低也有助于形成一种强韧的、内应力较小的粘合键。,4.环氧树脂的特点 力学性能优异：固化后环氧树脂体系具有优良的力学性能。 电性能：固化后的环氧树脂体系在宽广的频率和温度范围内具有良好的电性能。它们是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。 化学稳定性能：通常，固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性，化学稳定性取决于所选用

16、的树脂和固化剂。适当地选用环氧树脂和固化剂可以使其具有特殊的化学稳定性能。 尺寸稳定：上述的许多性能的综合，使固化环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性。,热固性树脂基体,一、环氧树脂（Epoxy Resin） 定义：凡是含有两个或两个以上环氧基 的高聚物统称为环氧树脂。 二、不饱和聚酯树脂 定义：由不饱和二元酸（或酸酐）与多元醇 缩聚而成的，在聚酯链中存在着不饱和双键的一类树脂。 三、酚醛树脂（Phenol Resin） 定义：酚醛树脂是酚类与醛类在催化剂作用下形成树脂的统称。它是工业化最早（1910年,德国Bakelite）的合成高分子材料。,4.3 热塑性树脂基体 一、结构与种类,热塑

17、性聚合物是指具有线型或支链型结构的有机高分子化合物。这类聚合物是线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。热塑性聚合物在软化或熔化状态下，可以进行模塑加工，当冷却至软化点以下能保持模塑成型的形状。 属于热塑性聚合物的有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜、聚苯硫等。 按聚集态结构不同，这类固态高分子有非晶(或无定形)和结晶两类，而后者的结晶也是不完全的，通常的结晶度在2085范围。,热固复合材料制造的常用方法： 手糊、缠绕、拉挤、层压、RTM 一、手糊法 手糊成型工艺复合材料最早的一种成型方法，也是一种最简单的方法。,手糊工艺过程： 首

18、先准备好模具，刷涂一层脱模剂，然后边铺纤维布（玻璃纤维布等）或毡，边涂刷胶液。 每铺涂一层，用刷子揿压或用辊子压滚，使胶液浸透纤维布或毡，并挤出气泡。 如此反复操作，一直铺到所需厚度。 加接触压（低压），在室温下放置，一直到树脂固化。 脱模，再进行后处理。 如需加速固化，成型时可适当加热（一般低于80）。,手糊工艺的优点： 不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产； 设备简单、投资少、设备折旧费低。 工艺简单； 易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料 制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。,手糊工艺的缺点： 生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。 受作业人员水

19、平、经验和劳动态度的影响，产品质量不易控制，性能稳定性不高。 低压成型，一般采用室温或中温固化，产品力学性能较低。,手糊法适用场合,手糊法适用于： 生产试制品； 机械强度要求不高的大型制品； 小批量、大尺寸、品种变化多的制品生产。 一般用来成型船体、小型游泳池、贮罐、大口径管、客车部件、波纹瓦等制品。,缠绕工艺,1.定义与分类： 将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为复合材料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。,两种不同的方式： 将纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯模上目前普遍采用 将纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。,沉浸式浸胶,表面带胶式浸胶,干法缠绕：,湿法

20、缠绕：,将无捻粗纱经浸胶后直接缠绕到芯模上的成型工艺过程。,将预浸纱带（或预浸布），在缠绕机上经加热至粘流状态并缠绕到芯模上的成型工艺过程。,制品质量稳定（含胶量、尺寸等）；缠绕速度快（100200m/min）; 劳动卫生条件好；预浸设备投资大,不需要预浸渍设备，设备投资少；便于选材；纱片质量及张力需严格控制，固化时易产生气泡。,2. 缠绕规律,缠绕规律是描述纱片均匀、稳定、连续、排布在芯模表面的状态，以及芯模与导丝头间运动关系的规律。,对缠绕线形的要求： 纤维既不重合又不离缝，均匀连续布满芯模表面。 纤维在芯模表面位置稳定，不打滑。,环向缠绕,纵向缠绕,螺旋缠绕,缠绕线型分类,环向缠绕,芯模

21、自转一周，导丝头近似移动一个纱片宽度的缠绕，称环向缠绕。（只能缠绕直筒段）,维沿容器的圆周方向缠绕，纤维和芯模旋转轴夹角一般在85-90之间。 特点：与邻近纱线之间相切而不相交。环向缠绕可提供最大的环向强度。,芯模绕自轴匀速转动，导丝头以特定速度沿芯模轴线方向往复运动的缠绕方式称螺旋缠绕。 此缠绕方式不仅可以缠绕圆筒段，而且缠绕端头(封头)。,螺旋缠绕,又称测地线缠绕。是纤维和芯模旋转轴成某一个角度（一般在15-85之间）做螺旋式缠绕。 特点：束纤维都对应极孔圆周上的一个切点。相同方向邻近纱线之间是相接而不相交。不同方向的纱线则相交。这样，当纤维均匀缠满芯模表面时，就构成了双层纤维层。螺旋缠绕

22、可提供所要求的纵向强度和环向强度,导丝头在固定平面内做匀速圆周运动，芯模绕自轴慢速旋转，导丝头转一周，芯模转动的微小角度近似一个纱片宽度，这种缠绕方法称为平面缠绕。,纵向缠绕,纤维和芯模旋转轴夹角一般在0-25之间。 特点：纱线排布彼此不发生交叉，纤维缠绕轨迹是一条单圆平面封闭曲线。纵向缠绕可提供最大的纵向强度。,4连续纤维缠绕技术的优点： 纤维按预定要求排列的规整度和精度高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维抗张性能优异的特点； 成品结构合理，比强度和比模量高； 质量比较稳定； 生产效率较高等。 缺点： 容易形成气泡，造成制件内孔隙过多，降低层间

23、剪切强度、压缩强度和抗失稳能力。 开孔周围应力集中程度高，开孔后会使强度降低。因此，开孔处应补强或嵌入金属预埋件。 缠绕时纱线的张力不容易控制。 制品的形状有局限性，多为圆柱体、球体以及某些正曲率的回转体。 缠绕机价格比较贵设备投资费用大，只有大批量生产时才可能降低成本。,5缠绕技术的应用 连续纤维缠绕法适于制作承受一定内压的中空型容器，如固体火箭发动机壳体、导弹放热层和发射筒、压力容器、大型贮罐、各种管材等。 近年来发展起来的异型缠绕技术，可以实现复杂横截面形状的回转体或断面呈矩形、方形以及不规则形状容器的成型。 其他特殊缠绕技术：内侧缠绕、倾斜缠绕、弯管缠绕,军工航天领域,民用领域： 风力

24、发电机叶片,化工等民用领域,压力容器,预浸料,定义：预浸料是制造复合材料的中间材料，是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续、短切纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物。,二、层压工艺过程,层压工艺是将预浸料按压制厚度要求配迭成板坯，置于两个抛光的金属模板之间加热、加压、经热压固化，然后冷却脱模。具体步骤： 预浸料裁剪：尺寸，裁剪的方向等。 预浸料配迭：用量的计算，不同含胶量的预浸料的搭配等。 热压工艺：温度，压力等的选择。 后处理：使树脂进一步固化直到完全固化，同时部分消除制品内的应力。,RTM（Resin Transfer Molding） 工艺,定义 树脂传递模塑(RTM)是将树脂注入到闭合模具中浸润增强材料并固化的工艺方法。,复合材料界面定义复合材料的界面是指基体与增强物之间结构与性能有显著变化、可起到在基体相与增强相间均匀地传递载荷并阻碍材料裂纹进一步扩展的作用的微小区域。,二、复合材料界面改性过程中应遵循的原则,1.极性相似原则：,无机类的增强材料表面极性与聚合物基体