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1、第3期纤维复合材料No.3372001年9月FIBERCOMPOSITESSep.,2001综述三维纺织复合材料的发展和应用董孚允王春敏董娟(天津工业大学,300160)(天津职工纺织学院,300221)(核工业理化研究院,300180)摘要本文介绍了三维机织、编织、缝合与针织增强复合材料最近的研究和应用,指出妨碍广泛使用的技术和经济上的问题。关键词三维纺织复合材料,机织,编织,缝合,针织ABSTRACTCurrentandfuturepotentialapplicationsfor3Dweavingbraidi
2、ngstitchingandknittingreinforcedcompositesarereviewed,Thetechnicalandeconomicissuesimpedingthemoreuseof3DtextileCompositesareidenifed.1引言现在和将来可能的应用。二维聚合物基层合板的应用,在船舶上超过502三维机织复合材料年,在航空约有30年,最近20年用在汽车和建筑30年前,研制成碳碳三维机织复合材料,替物、桥梁等基础结构。尽管二维层合板已长期使用,代飞机上制动装置的高温金属合金,达到了高比强但由于制造问题和
3、某些力学性能差,在许多结构上度、高比刚度和抵抗损伤的能力。总的看来,三维机受到限制。织复合材料在20世纪八十年代以前研究进展缓慢。二维层合板结构由人工铺叠,劳动强度大,费用但随着二维层合板结构在飞机应用上,制造复杂几高。由预浸料制造层合板还需冷藏保存,生产周期何形状构件造价很高,维修中对不慎落下重物引起长。对于复杂几何形状构件,要加工成零件,通过胶结或机械连接组成。这一系列制造问题,妨碍它在的冲击损伤非常敏感。这两个问题推动了三维机织航空工业上广泛使用。复合材料的发展。通过10~15年的研究,看到三维二维层合板结构,它的冲击损伤抗力和穿过厚机织复合材料
4、优于二维层合板之处,也认识到妨碍度的力学性能低于铝合金和钢材。在航空和汽车工它进一步应用的因素。业的某些关键构件的使用亦受到限制。低的穿过厚三维机织复合材料主要优点是可以制成复杂几度的刚度、强度和疲劳破坏抗力,使二维层合板不宜何形状的整体构件,这样减少材料消耗、零件加工和用在承受横向和层间剪切的厚构件。二维层合板层连接。另外,在制造三维预形件时,只需对标准的二间断裂韧性低,在冲击载荷作用下很易脱层,使冲击维织机稍作修改即可使用,因此节省了制造费用。后的压缩强度、疲劳强度明显降低。为满足特殊需要近年来也研制了诸如螺旋轴型、导克服二维层合板的制造和力学性能
5、中的问题,块型、剑杆型、分裂筘型、极坐标型等专用三维织机。过去30年国外学者结合传统的复合材料制造经验,另一优点是通过控制穿过厚度的增强纱(捆扎纱),利用纺织工艺、通过力学性能的分析,研制出三维纺可生产出各种纤维增强结构,最普遍的是正交织物织复合材料。它在复杂几何形状的构件制造上,工和层间联锁结构(图1)。通过调整经纱、纬纱和捆艺简便、费用低且力学性能优于二维层合板结构。扎纱的数量和材料类型,能制造出满足特殊要求的因之,三维纺织复合材料在许多结构上成功地取代预形件。研究认为三维机织复合材料有较高的冲击了二维层合板结构。本文将通过对三维机织、编织、损伤抗
6、力和低速冲击损伤容限。例如三维机织碳缝合与针织复合材料的性能介绍,评述其优、缺点及双马来酰亚胺复合材料初始损伤所需冲击能量比同38纤维复合材料2001年等纤维体积含量的二维层合板高出60%以上。冲的三维纺织复合材料。击性能的改善,是由于捆扎纱阻止或减慢了在冲击3三维编织复合材料载荷作用下形成的脱层裂纹的增长。而且捆扎纱亦使三维机织复合材料在破坏时的伸长变形增大。编织是第一个用于制造三维复合材料预形件的纺织工艺。20世纪六十年代后期,生产了碳碳三维编织复合材料,用于替代火箭发动机部件的高温金属合金,减轻重量达30%~50%。当时采用的四
7、步法,纱线结构如图2a,其特点是几乎所有的编织纱在面内和厚度方向之间偏离不多角度。八十年代中期提出圆形编织四步法、六步法和多步法。另外图1三维机织预形件两种有特色的三步法编织和联锁编织(图2b,2c)亦(a)正交型(b)联锁型得到普及。三维机织复合材料的缺点表现在面内纱线的排列为0和90的布置。这种织物各向异性突出,抗剪切和扭转性能差。难适合某些航空构件各向同性的要求。另外三维机织复合材料的面内拉伸、压缩强度较具有同等纤维体积含量的二维层合板减少15%~20%。强度的降低是由于捆扎纱使用面内纤维卷曲和歪斜造成。目前力学性能的研究仅限于拉伸、压
8、缩、弯曲,但在恶劣环境条件下的耐久性研究很少。再者,机织预形件加工过程中纱线变形相当严重,难于
