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1、材朴 导报?!翅三维纺 织复合 材料肖丽华李嘉禄#夭津纺织工学院复合材料研究中心摘要三维纷织复合材 抖是 新 型的具有优 良性能的复合材料,它从根 本上解决了层压和铺层复合材 料存在的分层问题。着重介绍 了三维纷织复合材料的发展 现状与基本性能。关镇词纺织复合材料三维编织三维纺织复合材料研制成 功为纺织工业和 纺织科学 创造了新的市场和研究机遇,其领域 之一是纺织结构复合材料。纺织 结构复合材料的特点是%?层内的强度 显著提高?可获取复杂结构形状的预成形,!与层压复合材料相比,大规模生产时费用低。基体的主要作用是分布层 间应 力,层 间应力是对外加负载形式和 剩余内部应力 的反 映。普遍认为,
2、基体的 强力与纤维基体交界面的强 力决定了复合材料最初分层破坏的位置。为 了提高层 间强力,人们希望把复合材料的各层“缝合起来”,因而出现了三维纺织物。三维纺织结构预 成形是完全整体的增 强 系统,纤维在面内和面外的各个方向取向。尤其是厚度方向的增强,实际上消除 了复合材料的分层现象,从根本上 提高了复合材料的性能。#三维纺织复合材料的发展用于结构复合材料 的三维纺织整体连续纤维 的集合体,具有多轴向面 内外纤维定 向。三维织物 的工程应 用要追朔 到%年代后期,当时以适应航空工业对承受多向机械应力和热应 力部 位与结构的 急需。由于早期应 用是处于 温和烧蚀环境中,主 要使用 的是双轴向织
3、物 增强 的&一&复合材 料。从%年 代初 开始,花 了十 几年的时 间,经过 多次尝 试才认识到三维织物在层间的增 强作用。近年来,三维织 物用 于树脂、金属和 陶 瓷基复合材料的兴趣甚 浓其原因是复合材料已从非主 要承载应 用进展到汽车、飞机、航空领域的主要 承载应 用。这就要求复合材料的抗损伤性、性能可靠性有根本的改进,同时还需要批量生 产、直接成形为 了改进复合材料的抗损伤性,需要在厚度方 向上有很高 的强度和层间强 度。复合材 料的可靠性取决于材料的均 匀分布和表面间性质的一 致性。用于复合材料的增 强材料的结构完整性和可加工性对大规模自动化生 产是 极为关键的,而三维纺织预成形提供
4、了切实 可行的手段,三维纺织预成形主要包括(三维机织物、三维 针织 物、三 向正交非 织造 物和三维编织 物以及 缝合织物,这些织 物可以获得复杂 的结构形状。三维纺织物为制备高性能复合材料提供了最终形状的预制件,几乎无需机加工。预制件厚度方向的整体结构性使复合材料 的性能如 强度、刚度、抗冲击性、抗损坏性、抗烧蚀性得到 了全面的提高。三维纺织复合材料在世界 各地 得到了充分地重视,并在航空航天领域得 到了 广泛使用。如用三维纺织复合材料制 作飞机、导弹、空 间飞行器等 的零 部件。国内外使用三维纺 织预制件的主 要情况如下表所列。?,塑材料 导 报各国主要使用的三维纺织预制件概况中中中国国美
5、国国前苏联联法国国日本本英国国德国国比利时时韩国国荷兰兰从从尹。&()!(+,)!.!/01 1 1!2 2 234+56 6 6!6 6 6,+,7 8 8 8 8 8 8 8 8 8!9三维纺织复合材料预成形完成三维纺织复合材料预制件的方法较多,主要包括%机织、针织、编织和非织造三向正交。选择不 同的制作方法,可以获得不同结构 的预成形。采用芯结构织造方法不但可以得到三角形和箱框方形的芯结构,还可以得到被人 们称之为未来材料 的蜂窝结构材料。这种蜂窝结构材料具有高强、低质和极高的比刚度的特性。为塑料、陶 瓷、金属和先进复合材料存在的工程问题提供了解决方法,在航空 领域得 到了 广泛的应用。
6、用 杜邦:;纤维填塞密度最低,纤 维体积比最小适应性好。英国采 用纬编方法制作碳?碳飞机制动器的预制件。在三维针织中,多轴 向经编结构最具有发展前景。多轴向经编是由少经纱、?。纬纱和斜向纱线#士 通 过经平组织连接在一起的。该织物斜向纱线为伸直的,结构 准 确度高。三向正交 非织造物是较早使用最 多的织物。最早是由航空部门研制的,目前在法国、日本已达 到了自动化的程度。绝大多数的非织造物 在 各个方向是线性增强的。采用非线性引入平面纱线的方法可以得到网眼结构、强性结构和其他结构。用于复合材料结构增强 的编织纤维预成形是?年 由!6 4(536首次引进工 程领域的,他认为 采用传统的编织机 可以
7、编 织高性能的玻璃纤维和碳纤维。随着 人们对三维编织 机 的 认识和 发 展,一?9年刊;3(,+(对具有独特的三维编织系统申请了专利。三维整体编织是犷种先进的纺织方法,它通过长比纤维的相互交织可以获取三维无缝合的完整结 构。三维结构具有很高的抗破坏性,能够 消除分层现象,阻止裂纹扩展。三维编织工艺的特点是%?能制造各种规则形状的实 心体和 空 心体?能制造各种异形的实 心体和空 心体。这是其他几种结构在取得形状的能力上所不及的。编织物一 次成形实现产 品的最终形状,能够整体地不使纤 维断裂地留孔、留洞,消除了 后加工工艺,保持了材 料的强度。采用机织针织和三向正交非织造方法制作异 形件比较困
8、难,但编织工艺却可以制造出多种异形件,并且外观尺寸准确。美国大西洋研究所采 用编织技术 生产出导弹零部件、飞机结构件、整体轮毅和船舶叶片推行器预成形件?飞机正弦翼梁,火箭喷咀和 涡轮机零部 件。天 津纺织工学院 采用三维编织技术编织出多种规则 和异形预成形件。采用编织方法,除了可以得 到 不同形状的结构件还可以使结构件具有多功能。由于高性能材料的要求,一种材料同时要有多种性能。采 用编织方法可以取得多层整体结构,层与层 之 间使用不 同 的编 织纤维,但层与层之 间是彼此编织在一起 的。天津纺织工学院复合材料研究中心为航天部门提供了多 层整体锥套,该锥套是一个三 层整体结构,从横截面看外层为金
9、属纤维、中层为碳纤维,内层 为玻璃纤维。不 同的编织层具备不 同的性能,三层编织层同时构成整体,成为多功能整体编织结构锥套。材杆 导报?。塑 三维纺织复合材料的特性?“?9?9?芝!喇擎坦戮#聚合物基体纷织复合材杆的性能荃体纤维纤维构造%型玻瑞&七()冬。习+,及.(/曰。0 12 型玻玻&3()4 晚如,5,)二678+9记。0 12石呈,:);.95(&3()6一78+9过人?件)5场),冬73的6一7+加盆场()拉伸性能与剪切性能拉拉拉拉拉拉拉拉拉拉拉拉拉压压压压压压压压压压压压压压压#单向带编织物#几,创 6#,一创富留!侧卿导权 =6#?山芝甲长侧#6=应变图 喇.(%3复合材料 乃
10、#6 6#,沙=6 铆#?,署!侧瞪曰书牙,口心6=勺,二二?山荟!侧淤导叔二维三袖向机 织):注#6一78+9记6二维机织布层压 三向正交=布缝合层压二维机织三维 机织=5%复合材料图#%型玻劝乙姗若友合材料图6%+幽.(复合材料?,阴。材朴导报 抗冲击性能三向正交三维编织#9#?曰!长买牡 =,?召!长田牡 忍=#=#位移)#位移)平纹机织缎纹机织#=#分#会 实牡=#=介 以】#姗 =?召!长压牡=#=#位移)=#=#位移)困=肠”龙友合材料金属基纷织复合材杆一川6拉伸性能断裂性能三维编织 5 一?三三?轴向一一一召魁匕华监横向 =言吕!长国#6=应变忆圈卜肠。,友合材料4 4 一 上二
11、一一一一 一一一 立一6=断 裂韧性裂纹长裂纹宽困 5 卜 复合材料=6#浓、甲 日之芝!娜侧吸崇娜韶注#单 向带纤维体积 比。三维编织=6三维编织#=月,墓体材 并 导板?,撇冲击性能断裂性能#一?纤维体积比三维编织#!?单向带总吸收能量#,一)裂纹初始能量#,一?比裂纹扩展能量#曰比最大 负荷#?加三维编织?!朽!盛!二任,?匀三维机织#峋瓷基 纷织复合材抖拉伸性能层压 9 9 巧?二三,艺!兰,_=群套):,工弓图 8复合材料通过上面 的性能 曲线可以看出无论是案合 物 基还是金 属基和 陶 瓷基复合材料,三 维纺 织复合材料在力 学 性 能、抗冲击性能上以及 抗破坏性上都优于层 压和铺
12、层复合材 料的性能。?,芝甲长侧6应变=接受三维纺织 复合材料的挑战三维编织一?4?4、4、机织缎纹6=纤维体积比#编织物缎纹缝合锻纹#翁=纤维体积比图了;8二复合材料三维纤维结构复合材料预成 形从根本 上消除 了铺层、层 压 复合 材 料存 在的严重 分 层现象使材料在厚度方向得 到了充分的整体增强,提高了复合材料的综合性能。三维纺织 预成形在未来高性能结构复合材料的增韧与加工 上将发挥 重要 的作用。在高性能纤维三 维结 构预成形这一大家族中即可以剪裁 出各式各样 的纺织预成形件,又可以直接成形 获取所需的形状,以适应特殊要求。其中,编织技术在编织异形件上具有突 出的能 力。采用三维预成形
13、的发展趋势向我们提出了重要 的技术 挑战,使我们面 临了必须 解 决的新的间题。首先是如何把脆性纤维材料转化成纺织结构。一般来说,纤维承受高温 的能力越强,纤维就愈硬和愈脆,加工 脆性纤维有一 定 困难,所以要求创造性地将材 料 系统地结合在一起,例如材料混 杂与几何形状混杂。其 次是如何询高密度的三维纤维结构网络注入基体材 料。这需要 了解掌握固化过程一结=的 =#几#鑫几?布吕!侧崇坦繁赞 盆。奋 3+碑(?,居!侧密足祖侧鱿?,附材料 导报构的相互作用的动态过程,解决基体注射的最佳孔洞形状,孔洞分布以及纤 维束粗细和纤维与基体之 间 的界面作用等问题。在使用三维纺织复合材料时应有指导性地
14、选择纤维几何结构、基体固化方法以最大可能地发挥出三维纺织复合材料的优 良性能的这一共性,又能突出不 同纺织结构、不同基体的特性,这样才能在减少费用 的情况下适宜造材。三维纺织复合材料正在我国航空航天领域内逐渐地扩大应用,十分具有发展前途。同时还 应当向民用工业,体育设施等方面发展,充分体现纺织材料在性能方面 的适 应性,才能具有广阔的市场。参考文献8;!.!4(5;!“=,),3,34帅户”+,)“3;3+33址,以 3;334们(+一4,3议冶 户洲,)”2,:!?!“8 +7 4如(;1一4(5 一.;&(83;恤),+7曰比3 3;3);3 3;)阵7;卯(,)”!234(5,!,3 7
15、 抽 3,8(让3(4,;(4 66”+3+?“:比3:,)8 4=(+比叱;,+3别”4(5 43比(;3 户”+,)”!+4 伪,+(,8(,3(4,+;(466 户招主,+!?;!来津讲学笔录材料!?!?9#责任编辑傅绍课 一)+一(系形状记忆合金无缝钢管据世 界金属 导报?年?月日报道,北京科技大学铁基 形状记忆合金组研制成功 一)+一(系形状记忆合金无缝钢管,并制成管接头。由于采用 了微量元素处理,热、冷 加工性能优异,所制无缝钢管及接头的成品率达?,其加工性能、记忆效应优于美、日、俄等国 的同类产品。该校研制成功的管接头正 在化工、石油、天燃气等工业部门安装 使 用,并正 在扩大生产规模。这种耸接头的投放市场,将使我国成为功 能结构材料大 规模工业应 用 的领先国家。紫外光固化树脂研制成功据科技日报?年月 9 日版报道,喷上一层紫外光 固化树脂,经过光处理,家用电器就穿上 一件硬如玻璃钢,光结似镜面 的“外衣”。紫外光 固化树脂的应用可以使产 品装饰跨上一个新台阶。湖南亚大高分子化工有限公司研制的这一产 品得到 了参加科技成果和 新产 品鉴定验收专家的高度肯定和评价。经化工部合成材料老 化研究所检验和一些冰箱厂家试用,这种新型 树脂质量达到 国外同类产品先进水平。