纺织导报-纺织结构复合材料的设计与应用.pdf
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1、非织造技术与产业用纺织 品 法的发展必将成为热门。 4 . 2 国内 纺粘法非织 造布技术的 发展 趋势 毋庸讳言, 在纺粘法非织造布领域的技术发展趋势方 面国内外是一致的。 但对国内来说如何消除目 前与国 外水平的差距仍有许多工作要做。 4 .2 . 1原创性技术 经过多年的发展 国内已有高校、 研究院所和企业的 一批专家、 学者、 技术人员进入了纺粘法产业. 积累了丰 富的经验 具备了独立的技术开发能力。 从化纤发展的角 度看, 纺粘法有着广阔的发展空间。 我们完全可以根据不 同原料的性能、 特点和目标市场的需要 设计出具有自主 知识产权的原创性特色产品。 4 . 2 .2专用原料 国内的
2、纺粘法已初具规模 成为原料生产厂重视的一 个应用领域, 但是专用原料很少, 基本采用化纤纺丝级切 片, 这对提高产品质量有一定限制。 随着产品向高品质、 设 备向高效率发展 对原料的要求越来越高。 特别是在熔融 指数、 杂质、 分子量和分子量分布等方面有更高的要求。 采 用专用原料对纺粘法技术的发展是至关重要的。 4 . 2 . 3多品种 我国的纺粘产品品种还很少 在去年生产的3 6 万t 产 品中, 仅有丙纶、 涤纶热轧和涤纶针刺几个产品。 一些国 内应用市场已成熟的产品如丙纶针刺土工布、 簇绒地毯基 布、 汽车用的一些纺粘布、 薄型共聚酞胺热轧衬布等还在 大量高价进口。 因此发展多品种纺粘
3、产品可以提高企业的 效益, 使行业得到良性发展, 避免恶性竞争。 4 . 2 .4设备生产专业化 纺粘生产线是由一些单机设备组建而成的。 国外已形 成了 一些专业生 产厂 如B a r m a g 公司的挤出 机、 K u e s t e r s ( 寇司德) 公司的热轧机、 A c e l l i 公司的卷绕机等。 他们集 中精力 在各自的设备上不断创新、 完善, 形成了自己的 产品优势。国外一些著名的纺粘设备工程公司如 R e i f e n h a u s e r 公司、 S T P 公司等也是采用这些专业厂商的设 备加上自己的核心技术才形成特色鲜明的生产线。 国内设备生产的现状是工程公
4、司多, 单机设备制造厂 多, 低水平重复多, 专业化生产少 各自特色少,因而总 体上生产线品质难以达到较高水准。 目 前已有一些工厂认 准了纺粘法的发展前景, 走上了专业化生产相关设备的道 路相信经过几年的不懈努力, 我国的纺粘法技术、 设备 和产品一定会达到世界先进水平。 fir= 纺织结构复合材料是纺织技术和现代复合材料技术结 合的产物. 它与通常的纤维复合材料具有较大的区别。 纤 维复合材料是通过把纤维束按一定的角度和一定的顺序进 行铺层或缠绕而制成的, 基体材料和纤维材料在铺层或缠 绕时同时组合, 形成层状结构因此也称层合 ( 压) 复合 材料。 纤维复合材料中的纤维是平行的、 互不交
5、叠的, 而 纺织结构复合材料是利用纺织技术首先用纤维束织造成所 需结构的形状形成预制件 然后以预制件作为增强骨架进 行浸胶固化而直接形成复合材料结构 1 - a 1 。因此, 可把纺 织结构复合材料定义为用预制件网络结构增强的一类先进 的复合材料 川。 1 纺织结构复合材料的发展 按当代历史观点, 纺织结构复合材料的出现是近代材 料科学发展的重大进步之一。 而按纺织结构复合材料的定 义, 可以追溯到中国古代用编成排的林桔混合粘土做成的 墙体 这是纺织结构复合材料在建筑领域的最早应用。 另 一个例子就是用铜丝编织成的陶瓷基容器。 可以考证, 早 在中国明朝 ( 1 4 - 1 5 世纪)就可精制
6、此类景泰蓝D 。可 见, 人类很早就熟知纺织结构复合材料的优点: 织造的纤 维网络具有优越的整体增强作用。 因而纺织结构复合材料 的出现和发展是一个悠久的历史过程。 2 0 世纪2 0 年代 波 音公司就已经使用纺织结构来增强飞机的机翼a 5 0 年代 美国通用电器公司也选择纺织结构作为碳/ 碳复合材料鼻 锥的增强形式 z 1 0 7 0 年代初, 在缠绕工艺的影响下二 维编织工艺被引入复合材料领域。 随着复合材料的发展, 二维编织工艺也得到了迅速的发展 并为制造复杂形状复 合材料开辟了一条成功之路。8 0 年代, 通过纺织界与复 合材料界的合作 编织技术由二维发展到三维, 从而为制 造高性能
7、复合材料提供了新的途径。 三维编织结构复合材 料由于其增强骨架为三维整体结构, 大大提高了其厚度方 向的强度和抗冲击损伤的性能 5 1 因而倍受重视并获得 迅速发展。 由此可见 现代纺织结构复合材料是在常规复合材料 高度发展和广泛应用于各工业领域的基础上产生和发展起 来的, 通过吸收纺织学科各类织造技术, 形成了机织、 针 织、编织、非织造等类别的纺织结构复合材料。 2 预制件成型与制造工艺 纺织结构复合材料类似于自然界优胜劣汰的生物组 织。 所不同的是由纤维束组成的各种预成型构造是经过现 代纺织技术织造成型的。 将成型后的纤维束网络骨架充填 3 4 纺 织 导 报C h in a T e x
8、 t ile L e a d e r . 2 0 0 5 N o .9 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 非织造技术与产业用纺织品 纺织结构复合材料的设计与应用 摘要:纷织结构复合材料是纺织技术和现代复合材料技术结合的产物,它与通常 的纤维复合材料具有较大的区别。在阅读有关专著、资料的塞础上,对纷织结构 复合材料的组成特点、成型和设计因素作了分析,总结了 分析该类材料力学性能 的一般性方法,并介绍了纷织结构复合材料的发展与应用。 关键词:纷织结构复合材料;力学
9、性能;分析方法 中图分类号: T S 1 0 6 . 6文献标识码: A 文章编号:1 0 0 3一3 0 2 5 ( 2 0 0 5 ) 0 9一0 0 3 4一0 5 江南大学纺织服装学院邓炳耀 东华大学纺织学院晏雄 以基体材料, 经固化制成纺织结构复合材料。 纤维束是制 造纺织预制件的基本元素。 所谓纤维束是指具有纺织特性 的多根连续纤维组成的纱束, 具有合适的强度和柔韧性。 两个或多个纱束能够被捻到一起形成合股线。 合股线能进 一步并捻形成多股线。 先进的纺织结构复合材料大多数是 由 连续的 长 丝 组 成的 合 股 线 加 工 而 成1 - 3 1 2 . 1 纺织结构复合材料中的纺
10、织品 广义上包括纤维束、 纱线、 机织物、 针织物、 编织物 及非织造布等。由于纤维束和纱线并不是纺织所特有的 因此一般只将机织物、 针织物、 编织物及非织造布等作为 应用于复合材料的纺织品6 1 2 . 1 . 1机织物 机织物是应用于纺织结构复合材料中最常见的纺织 品。它既有平面二轴向结构, 也有平面多轴向结构 还有 空间三维结构 3 1 1 ) 平面机织物 平面织物增强结构一般适宜制作管材和薄型板材等预 制件 若要制作较厚的复合材料则需将多层织物叠合压制, 但如此仍不能克服层间剪切强度低的缺点。 解决这个问题 的一种方法是在多层织物叠合后利用缝纫机缝纫, 形成一 个整体。 这种方法加工简
11、便 能够明显提高层间断裂韧性。 但缝纫过程中引起了纤维损伤 从而降低了材料的面内拉 伸、 压缩和弯曲性能 可以说通过缝纫而使织物层间性能 作者简介:邓炳耀,男,1 9 6 3 年生,副教授,无锡,2 1 4 1 2 2 提高是以降低面内性能为代价的。 2 )三维机织物 三维机织物是一种建立在平面机织物结构叠加的基础 上, 通过在厚度方向引入接结纱而一次成型的三维纤维集 合体。 根据接结纱取向的不同, 三维机织物可分为角联接 结和正交接结: 根据接结深度的不同, 又可以分为分层接 结和贯穿接结几种不同接结组织。 与层压复合材料相比,三维机织复合材料具有以下 优点: 可以生产复杂形状的净型预制件,
12、 如T 字型, H 型、 矩形、 内三角形等 3 1 : 制作复杂结构的成本相对较低 工 艺简便r 一般只需对传统织机进行适当改造即可加工 三维机织物。 也可利用专业织机 可以实现高速织造; 可 以满足对厚度方向有特殊要求的应用; 层间断裂韧性高, 抗分层性能好弹道冲击性能和冲击损伤容限高因为 接结纱阻止和延缓了分层裂纹的形成和扩展速度;拉伸 失效应变高。 尽管三维机织复合材料具有诸多 优点和潜在广阔的市 场前景但到目前为止它在民用领域的应用还并不广泛 这由多方面的原因。 首先,目 前大多数织机还不能加工三 维各向同性的机织预制件,纱线在织物平面中只有0 和 9 0 ”两个方向 导致材料剪切性
13、能较低 1 , 3 1 。其次, 材料 的面内性能比二维机织层压复合材料低 有资料研究表明 拉伸强度和压缩强度下降了巧% 一2 0 %5 1 。 这主要是由 于纱线在织物中呈屈曲状态 力学性能利用率低 加上在 织造过程中纱线受到损伤。 所以合理设计结构及织造工艺, 纺 织 导 报C h in a T e x t ile L e a d e r 2 0 0 5 N o .9 3 5 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 非 织 造 技 术 与产 业 用 纺 织 品
14、以减少纱线的屈曲程度和加工过程中的损伤成为主要研究 内 容之一5 l 。 另外 由 于机织物结构复杂 加之织造和复 合成型都会对材料性能产生影响 使得建模并准确预测材 料的力学性能往往比较困难, 结构参数对预制件及复合材 料性能的影响也不十分清楚。 三维机织复合材料的研究尚 需进一步深入 1 , 3 2 . 1 .2编织物 编织的种类很多按编织形状有圆形编织和方型编 织: 按编织物厚度有二维编织和三维编织。 1 )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3 倍的 编织方法, 一股用于生产鞋带和衣服上的绳、带等但也 可用于加工异型薄壳预制件。 二维编织物中编织纱可分为两组 一组在轨道
15、盘上沿 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10 角。如果需提高织物轴 向性能, 可以在轴向加入轴纱系统。 2 )三维编织物 三维编织物是指编织物厚度至少超过编织纱直径的3 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制件的工艺, 早在2 0 世纪6 0 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3 0 % - 5 0 %。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。 三维编织预制件独特的生产工艺和独特的空间结构决 定了三维编织复合材料
16、具有以下优点: 可以加工形状复杂 的净型预制件, 只需改变纱线的排列即可编织出各种异型 结构 并且加工复杂预制件的成本更低; 抗分层性能好, 冲 击损伤容限高; 可以实现自 动化控制, 从而提高生产效率 和预制件质量; 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,三维编织复合材料的应用仍然不是很广 泛。主要的问题是预制件的尺寸问题 大多数工业编织机 只能编织较窄的预制件 3 , 6 。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性能、 压缩性能、 弯曲性能、 断 裂
17、韧性和疲劳性能, 研究表明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。 2 . 1 .3针织物 针织物的最大特点是存在相互串套的纱圈 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 纱圈相互串套 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。 针织物包括经编和纬编, 它既可以是平面针织物r 也可以是多层多轴向的针织物。 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
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