碳纤维多层织机织边机构优化设计及工艺研究

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1、万方数据天津工业大学硕士学位论文的典型结构主要有角联锁结构、机织三向结构和角联锁加经向增强结构三种结构。我国对发展碳纤维复合材料研究所取得的研究成果是令人向往的，但在如何降低成本、减少污染和能耗、提高产品质量和效益、开拓新的研究方向，将是一项长期而艰巨的科研任务【5】。我国虽然在碳纤维及其复合材料的技术发展领域取得了一些的进展，但在开发、生产、及应用方面与外国的先进技术水平还存在很大的差距，一些先进设备的核心技术被发达国家垄断。因此，我们应加大人力物力投入，联合攻关，解决制约我国碳纤维工业化的关键技术问题，摆脱发达国家技术的封锁，争取能够实现碳纤维复合材料的工业化生产，满足我国航空航

2、天及其他高技术领域对碳纤维复合材料的需求。1．2课题的背景及研究意义本课题来源于“十二五”国家重点支撑项目——碳纤维多层织造装备及技术研发(2011BAF08Boo)。“碳纤维多层织造装备及技术研发”项目重点围绕交通设备、新能源、航空航天等高精尖技术领域用碳纤维及其复合材料织造关键技术装备的需求，按照我国现有的资源的消耗速度，必须加强自主研发，探索具有我国自主知识产权的碳纤维复合材料骨架装备的新技术，重点围绕碳纤维多层立体织物的编织工艺、三维机织织物结构的特点，以及重要零部件的设计以及加工装备制造技术，重点突破碳纤维异形截面织物的编织技术及装备和立体管状织造制造技术，彻底从根本上改变

3、国内碳纤维三维多层立体机织技术的落后状况，实现碳纤维及其复合材料的产业化务务【61。随着中国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持。我国碳纤维工业应用的重要潜在消费市场主要以土木建筑结构物的补强、增强塑料和汽车构件为主，未来其他方面使用市场逐渐发展起来，预计消费市场年均增长率可以达到53．4％。但是由于国产碳纤维产品主要集中于低端领域，难以满足下游高性能产品对其的需求。且受供应不足的影响，国内碳纤维高端消费市场发展极为缓慢。在复合材料织造的工艺研究和其机织装备过程中，碳纤维的编织加工是三维立体复合材料制造的关键过程，其对最终产品的力学性能和后续处理流程工艺有着十

4、分重要的影响。使用各种先进编织加工工艺技术使高性能碳纤维相互交织、交叉而形成的具有特定纤维取向和孔隙分布的纤维织物组织，与建筑物中的钢结构框架类十分似，是高性能复合材料构件中增强骨架。2万方数据第一章绪论1．3碳纤维复合材料及其织造装备技术发展状况1．3．1碳纤维复合材料发展状况1959年，日本的科学家首次提出了用聚丙烯腈(PAN)纤维来生产碳纤维，现在生产碳纤维已经发展成为一个独立完整的新型工业体系，并被称为是当今世界上材料综合性能的杰作，是21世纪的一次工业革命r¨。，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。是由片状石墨微晶等有机纤维材料沿纤维轴向方向堆砌而成

5、，经石墨化和碳化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征，是一种的力学性能优异的新材料。它的重量很轻，它的比重比铝还要轻，不到钢的1／4，比强度是铁的20倍，从这个意义上预示了碳纤维在工程应用领域有着广阔的前景。而且碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等特性。在复合材料大家族中，碳纤维增强材料一直是人们关注的焦点。不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用

6、的时代命【8J。国产碳纤维以低端产品为主。“十五”期间，国家批准在安徽蚌埠建立年产500吨PAN原丝和年产200吨／年PAN基碳纤维(T300)生产线，总投资过过亿元，华皖碳纤维公司投资的二期建设规模将使碳纤维产量翻一番达到400t／a，使我国碳纤维生产进入了产业化阶段命。2006年我国主要PAN基碳纤维生产厂家约12家(5--800吨／年)，合计产能约1310t／年，产品规格为1K、3K、6K、12K，但设备运转率很低，国内实际总产量只有40余吨／年(1K～12K)，而且产品性能不太稳定，绝大部分达不到T300水平。最大生产企业吉化公司，生产能力100t／a；所有设备加班加点生产总

7、能力号称300t／a，实际年产量却不足100t。令人兴奋的是从2000年开始我国碳纤维向技术多元化方向发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，转而采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。必须加快我国碳纤维制备技术的开发和规模化工业化生产的步伐，以缓解我国国防和工业对碳纤维需求紧缺和依靠进口的现状命【9J。制约我国的碳纤维发展的主要因素有三个个方面：其一是PAN原丝质量不过关，规格低。国产PAN碳纤维原丝在生产过程中几乎采用民用腈纶原液，杂质含量比