【集萃網(wǎng)觀察】材料、能源和食品既是人類賴以生存的三大要素,又是人類與自然界作斗爭所追求的三大目標(biāo),由它們組成的某個(gè)時(shí)代的物質(zhì)世界就是人類歷史演進(jìn)的標(biāo)志。 一、紡織復(fù)合材料技術(shù)分析 紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是紡織技術(shù)和現(xiàn)代復(fù)合材料技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,它與通常的纖維復(fù)合材料具有較大的區(qū)別。纖維復(fù)合材料是通過把纖維束按一定的角度和一定的順序進(jìn)行鋪層或纏繞而制成的,基體材料和纖維材料于鋪層或纏繞時(shí)同時(shí)組合,形成層狀結(jié)構(gòu),因此也稱層合(壓)復(fù)合材料。纖維復(fù)合材料中的纖維是平行的、互不交疊的。而紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是利用紡織技術(shù)首先用纖維束織造成所需結(jié)構(gòu)的形狀,形成預(yù)成型結(jié)構(gòu)件(簡稱預(yù)成型),然后以預(yù)成型作為增強(qiáng)骨架進(jìn)行浸膠固化而直接形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。正是這種工藝的變革,使紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與普通復(fù)合材料相比具有許多突出的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化又給設(shè)計(jì)和分析增添了更多的困難。迄今雖然經(jīng)過許多研究者的努力,已經(jīng)發(fā)展了各種分析模型,能解決一些應(yīng)用問題,但還遠(yuǎn)沒有成熟,還需要經(jīng)過比較、積累和進(jìn)一步發(fā)展,以形成完善而統(tǒng)一的分析、設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),才能使紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料得到更廣泛的應(yīng)用。 二、紡織復(fù)合材料的發(fā)展 在20年代,波音公司就已經(jīng)使用紡織結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)翼。50年代,美國通用電器公司也選擇紡織結(jié)構(gòu)作為碳/碳復(fù)合材料鼻錐的增強(qiáng)形式。70年代初,在纏繞工藝的影響下,二維編織工藝被引入復(fù)合材料領(lǐng)域。隨著復(fù)合材料的發(fā)展,二維編織工藝也得到了迅速的發(fā)展,并為制造復(fù)雜形狀復(fù)合材料開辟了一條成功之路。80年代,通過紡織界與復(fù)合材料界的合作,編織技術(shù)由二維發(fā)展到三維,從而為制造高性能復(fù)合材料提供了新的途徑。三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于其增強(qiáng)體為三維整體結(jié)構(gòu),大大提高了其厚度方向的強(qiáng)度和抗沖擊損傷的性能,因而倍受重視并獲得迅速發(fā)展。創(chuàng)造不補(bǔ)充加油而連續(xù)環(huán)球飛行一周記錄的“航行者”飛機(jī)與美國比奇公司的“星舟”1號(hào)公務(wù)機(jī),都采用了一些編織結(jié)構(gòu)件。英國道蒂公司的復(fù)合材料螺旋漿,其漿葉為編織結(jié)構(gòu),獲得1991年英國女王技術(shù)成果大獎(jiǎng)。美國航空航天局(NASA)大力開展三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究工作。計(jì)劃中包括開發(fā)編織技術(shù)和自動(dòng)化加工、開發(fā)熱塑性樹脂等重要內(nèi)容。 由此可見,現(xiàn)代紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是在常規(guī)復(fù)合材料高度發(fā)展和廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的,通過吸收紡織學(xué)科各類織造技術(shù),形成了機(jī)織、針織、編織等類別的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。值得指出的是,在過去40年里,還主要是以層板復(fù)合材料應(yīng)用最廣,特別是在航空航天、軍事工業(yè)、交通等領(lǐng)域占據(jù)重要地位。復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)20世紀(jì)的結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用,并形成全球性的先進(jìn)纖維材料的市場。在這種應(yīng)用背景下,層板復(fù)合材料因存在“層”而帶來力學(xué)性能的弱點(diǎn):如分層、開裂敏感和損傷擴(kuò)展快,垂直結(jié)構(gòu)厚度方向強(qiáng)度低,抗沖擊性能差等都顯露出來。由此古代紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的思想必然被人們接受用來消除復(fù)合材料的“層”。在常規(guī)復(fù)合材料成熟的設(shè)計(jì)分析方法、織造工藝以及高效的紡織織造技術(shù)的前提下,現(xiàn)代紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料以驚人的速度蓬勃發(fā)展,已波及美國、法國、英國、德國、俄羅斯、拉脫維亞、芬蘭、比利時(shí)、中國、日本、南朝鮮等國。其重要原因之一,就是紡織構(gòu)造的優(yōu)越的力學(xué)性能,特別是不同的織造技術(shù)所形成的纖維束的微觀構(gòu)型,適應(yīng)十分廣泛的載荷環(huán)境作用下的工程結(jié)構(gòu)的要求。 三、紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用 。ㄒ唬┌串(dāng)代歷史觀點(diǎn),紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的出現(xiàn)是近世紀(jì)材料科學(xué)發(fā)展的重大進(jìn)步之一。而按紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的定義,可以追溯到中國古代用編成排的秫桔混合粘土做成的墻體,這是紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的最早應(yīng)用。 。ǘ┯勉~絲編織成的陶瓷基容器。可以考證,早在中國明朝(1368年~1644年)就可精制此類景泰藍(lán)。由此可知,人類很早就熟知紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn):織造的纖維網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)越的整體增強(qiáng)作用。因而紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展是一個(gè)悠久的歷史過程。 (三)在航空航天領(lǐng)域,高溫、燒蝕和高速?zèng)_刷的導(dǎo)彈頭錐、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的喉襯采用三維整體編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。發(fā)動(dòng)機(jī)裙和導(dǎo)彈彈體(或火箭箭體)以及飛機(jī)機(jī)身則采用二維編織或機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。目前對(duì)空間飛行器,特別是對(duì)那些長時(shí)間在軌道運(yùn)行的空間站、空間實(shí)驗(yàn)室和重復(fù)使用的太空運(yùn)輸系統(tǒng),正在進(jìn)行一類智能型紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究。這類結(jié)構(gòu)是將諸如光纖(傳感)、壓電(驅(qū)動(dòng))等元件埋入材料內(nèi)部,以監(jiān)控制造過程中的質(zhì)量和運(yùn)行中結(jié)構(gòu)的健康狀況或控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為; 。ㄋ模┰诮煌ㄟ\(yùn)輸領(lǐng)域,從自行車到汽車、艦艇、高速火車和軍用戰(zhàn)車,都可以找出用紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制成的零、部件和主體構(gòu)架的例子,只是不同部件采用不同類型的紡織結(jié)構(gòu)而已。如形狀復(fù)雜的螺旋槳、曲軸就采用整體編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料; 。ㄎ澹┰诮ㄖI(lǐng)域,可分為兩類:一類是剛性復(fù)合材料構(gòu)件,如梁、柱、骨架等;一類則是柔性復(fù)合材料構(gòu)件,如體育館、停車場和車站的屋頂、野營帳篷等。前者大多采用三維織造類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,后者則用二維織造類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料〔8〕; 。w育用品如高爾夫球桿,醫(yī)療用品如人造血管、骨骼等都可用三維織造類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。 四、紡織復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢 (一)高強(qiáng)度、高模量,特別是包括厚度方向、橫向的全方位增強(qiáng),使材料具有高損傷容限、高斷裂韌性、耐沖擊、抗分層、開裂和疲勞等; 。ǘ﹥(yōu)良的可設(shè)計(jì)性,可按加載方向增加纖維束數(shù),以及按實(shí)際需要(整體)織造復(fù)雜形狀的零、部件和一次完成組合件,如加筋殼、開孔結(jié)構(gòu)的制造等; 。ㄈ┛勺詣(dòng)化高效率生產(chǎn)和接近實(shí)際產(chǎn)品形狀的制造,使加工量和連接大大減少。因而經(jīng)濟(jì)性好、成本低、制造周期短; 。ㄋ模┮子谠陬A(yù)成型和復(fù)合前安放機(jī)敏類材料,如光纖、壓電等,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合工藝質(zhì)量監(jiān)控、產(chǎn)品在服務(wù)期間的壽命監(jiān)測、振動(dòng)控制等,這樣既提高了產(chǎn)品質(zhì)量又增加了可靠性。 五、紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的組成與設(shè)計(jì)因素 紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料類似于自然界經(jīng)過優(yōu)勝劣汰的生物組織。所不同的是由纖維束組成的種種預(yù)成型構(gòu)造是經(jīng)過現(xiàn)代紡織技術(shù)織造成形的。將成型后的纖維束網(wǎng)絡(luò)骨架充填以基體材料,經(jīng)固化制成紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。 紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的另一個(gè)組分就是基體材料。主要有樹脂基、金屬基、陶瓷基和碳碳基4類基體材料。在復(fù)合材料中,基體起著傳遞載荷、均衡載荷和固箝支持纖維的作用。只有纖維和基體兩者有機(jī)地匹配協(xié)調(diào),才能充分發(fā)揮整體作用和各自的性能,即通常估算力學(xué)性能的混合律方可成立。值得指出,混合律還只是一個(gè)工程處理模式,切勿從混合律各組分所占的比例來判定各個(gè)組分所起的作用。這是因?yàn)榧徔椊Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料的工藝性、力學(xué)性能中的壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、對(duì)環(huán)境的溫度、介質(zhì)相容性以及導(dǎo)電、傳熱等物理或化學(xué)性能主要取決于基體材料。研究表明,兩組分固化后組分之間受4種力的相互作用而固結(jié)成整體:其一,兩組分本身的內(nèi)聚力;其二,在纖維表面的微孔隙被基體大分子滲透擴(kuò)散而“釘牢”所產(chǎn)生的機(jī)械作用力;其三,包括氫鍵和范德華力在內(nèi)的吸附力;其四,基體的化學(xué)基團(tuán)與纖維表面化學(xué)基團(tuán)起化學(xué)反應(yīng)所形成的化學(xué)鍵的作用力。這是組分選擇和工藝方法選擇的第二個(gè)應(yīng)考慮的因素。
基體的類型繁多,在選擇基體材料時(shí),還必須考慮固化收縮率。例如環(huán)氧類、聚酯類和酚醛類樹脂的收縮率分別在1%~2%、4%~6%和8%~10%范圍內(nèi)。收縮率越大意味著固化后產(chǎn)生的縮孔和微裂紋就越多,結(jié)果會(huì)降低紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能。近年來,材料科學(xué)研究致力于減小基體的收縮率。通常的做法是在熱固性樹脂中填入熱塑性大分子,這樣既改善聚收狀態(tài)又提高結(jié)構(gòu)材料的韌性。 總之,在紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)計(jì)中,首先就是選擇纖維和基體的材料。選擇的依據(jù)是基于:產(chǎn)品所經(jīng)受的載荷和環(huán)境(溫度、濕度、腐蝕和其它化學(xué)作用等);產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其功能要求;采用的預(yù)成型和固化技術(shù);成本限制等因素。 來源: 印染在線
該文章暫時(shí)沒有評(píng)論!
最新技術(shù)文章
點(diǎn)擊排行