碳纤维三维机织材料及特性研究

《碳纤维三维机织材料及特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、碳纤维三维机织材料及特性研究1绪论1.1引言碳纤维由有机纤维经高温炭化而成，其原料主要是聚丙烯腈、沥青和粘胶，生产的碳纤维按照原料分别称为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维，其中聚丙烯腈基碳纤维因为综合性能较好应用最为广泛。早在1897年，美国Edison曾发明用碳纤维做电灯丝，但直到1950年才制成了具有一定机械性能的碳纤维，使碳纤维能够作为复合材料的增强材料，开始了碳纤维发展的新阶段[2]。粘胶纤维基碳纤维的生产起源于20世纪60年代末至70年代初，当时美国UCC公司以粘胶纤维为原料，开

2、发出了粘胶纤维基碳纤维，粘胶纤维经预氧化、碳化、石墨化制成碳纤维，在当时并未推广，主要应用在火箭喷嘴上防止热气流传导[3,4]。碳纤维最为显著的优点是密度小、强度高，同时它还具有碳材料的一般特性，如导电、导热、膨胀系数小、耐摩擦、耐高温等。这些优异的性能使得碳纤维在与树脂、陶瓷、金属等基体复合成碳纤维复合材料后，仍然保留甚至增强了其导电、导热、比强度和比模量高、耐疲劳等优良的性质，并在航空航天、船舶、建筑等行业得到了非常广泛的应用[5,6]。20世纪中后期，各种高性能纤维增强结构复合材料均被研发出来，

3、这些材料具备质轻、强度高等特点。但是随着人们对复合材料性能要求的逐步提高，简单散乱纤维或纤维布作为增强结构已不能满足各高端行业需求[7]。后来科研学者们将碳纤维用于层压板复合材料，该类型复合材料具有工艺简单、技术成熟、生产成本低的优点。然而，层压板复合材料复合的树脂在各层间分布不匀，各层纤维或织物之间靠树脂粘合，制品的层间剪切及冲击强度低，当承受弯曲或振动时，制品层合处易出现开裂、脱层[8]。.1.2碳纤维织造技术及三维机织物的研究现状碳纤维三维机织复合材料在复合之前需要通过织造的方法获得复合材料预制

4、件，碳纤维虽然耐磨、刚性大，但是碳纤维复丝几乎没有抱合力、抗剪切性差，这使得碳纤维复丝在织造的过程中丝束中的碳纤维容易原纤化起毛断头。目前，已出现一些关于改进织机或者在专用设备织造碳纤维织物的研究。同时，三维机织技术一直以来是一个研究重点。三维机织物主要是指在经改造的普通织机上或完全新型的三维织机上通过多组经纬纱、多层织造的方法而形成的立体织物，它不仅使织物厚度增加，并且沿厚度方向的纱线是相互交织在一起的，这就提高了织物的层间抗剪切能力，具有很好的结构整体性。将经、纬纱线在织机上相互交织成织物的工艺过

5、程称为织造。织造过程中需要完成开口、引纬、打纬、送经、卷取五大运动，大部分织机都具有同五大运动对应的五大机构。织机按照引纬机构的不同可以分为：有梭织机、片梭织机、剑杆织机、喷气织机、喷水织机。其中，有梭织机采用传统的梭子做引纬器，另外四种由新型引纬器直接从固定筒子上将纬纱引入梭口完成引纬过程，因为没有采用传统的梭子也被称为无梭织机。..2碳纤维三维机织物的织造2.1织造装置的设计碳纤维复丝在改进后的普通织机上织造前需要络筒整经，由于碳纤维复丝是无捻长丝，剪切强力很低，碳纤维络筒或者整经过程中退绕易粘连

6、、起毛、纠缠、断头进而造成织造困难，后续的浆纱、穿综、穿筘、织造也会产生起毛、断头等现象。在织造生产中碳纤维需要经过停经片、综丝和钢筘，织造过程中碳纤维易发生粘连导致停经片无法正常工作，断纱时停经片无法下垂使机器自停，这就严重影响了织物质量；碳纤维与综丝的摩擦主要是在综眼处，织机每一次开口综丝眼都会都碳纤维复丝形成切向摩擦，随着织造过程的持续综丝眼也会对碳纤维复丝形成持续的纵向摩擦；钢筘对碳纤维的摩擦是最严重的，钢筘每次打纬的前后大幅摆动均会对碳纤维形成较大的损伤，主要体现在筘齿对碳纤维的刮毛、挂毛[

7、46]。如图2.1为碳纤维复丝在半自动小样织机上的织造效果。..2.2原料的选择1879年，爱迪生就试用碳丝做电灯丝。20世纪50年代，美国联合碳化物公司实现了碳纤维的工业生产。1962年，日本研究出以聚丙烯腈（PAN）为原料的碳纤维。1964年，英国皇家研究所在预氧化和碳化时对PAN纤维施加应力牵伸，制得了高强高模的碳纤维。经过了50年的发展，碳纤维在力学性能、工业化生产、品种、应用等方面技术同趋成熟，在复合材料中发挥了非常重要的作用。碳纤维的结构决定了它具有较高的强度和模量。碳纤维的结构属于乱层石

8、墨结构。一根直径为6μm~8μm的碳纤维由原纤组成，原纤是宽度约为20nm、长度为几百nm的细长条带结构。原纤不是笔直沿纤维方向，而是弯曲、皱褶、彼此交叉地分布在单丝中，在这些条带之间存在宽为1.0nm~2.0nm、长几十纳米的针形空隙，空隙与原纤的长轴方向，大体上沿纤维纵轴平行排列，并呈一定的角度，它决定了碳纤维的模量。碳纤维的抗拉强度与处理温度有关，处理温度介于1300℃~1700℃之间时，碳纤维强度出现最大值；处理温度超过1700℃时，