复合材料中三维编织碳纤维增强体的性能特点.pdf

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1、收稿日期:2003-09-09基金项目:河北建筑科技学院2003年青年基金项目资助(7110)作者简介:赵立新(1969-),男,河北邯郸市人,副教授,从事复合材料力学研究。文章编号:1007-6743(2004)01-0077-04复合材料中三维编织碳纤维增强体的性能特点赵立新1,郑立允1,2,韩彦华3,牛兰芹1(1.河北工程学院 机械系,河北,邯郸 056038;2.华中科技大学 材料工程学院,湖北,武汉 430074;3.邯郸市亚东塑胶有限公司,河北 邯郸 056006)摘要:作者对复合材料中的碳纤维增强方式进行了论述,三维编织碳纤维增强体具有整体性和可适应构件多种外形的特点,由其复合成

2、的材料避免了方向性,使复合材料具有优良的综合性能。关键词:复合材料;碳纤维;三维编织碳纤维增强体中图分类号:TQ332 文献标识码:A在工程上,复合材料主要是指为克服单一材料的某些弱点,充分发挥材料的综合性能,将一种或几种材料用人工的方法均匀地与另一材料结合而成的一种工程材料。按复合形式不同可分为三类:1纤维增强复合材料,2层合复合材料,3颗粒复合材料1。目前以纤维增强复合材料发展较快,应用最广。材料经过复合后,有的性能指标往往超过了各组成材料性能的总和。复合已成为改善材料性能的一种有效手段,并引起人们的重视。有人预言,21世纪是进入复合材料的时代2。碳纤维、聚乙烯纤维、芳纶14(国外叫PRD

3、或Kevlar)纤维等是先进树脂基复合材料中最常用的高性能增强纤维,尤其是碳纤维的应用发展最快。1长短纤维增强体碳元素的同素异构体 石墨具有很高的强度和硬度,其分子结构是层状的六方晶体结构。层面是由间距为1.42!的碳原子作六角形连结,层与层之间的距离是3.34!,故呈现各向异性:平行于层面方向的强度和弹性模量高,而垂直于层面方向的强度和弹性模量则较低。碳纤维就是一种由许多石墨晶体组成的多晶纤维。1.1传统碳纤维增强体碳纤维增强体复合材料一直是被区分为长(连续)纤维和短纤维来加工的,纤维长度可从300-400m到几个毫米不等,过去十几年中,人们在改进不同种类的碳纤维复合材料加工方法和性能方面投

4、入了大量的研究,从预浸料处理到模塑法加工,从短纤维混料注射加工到层压成型,力求为这种性能优良的材料寻找到最佳的加工方法。研究表明,长碳纤维有其抗冲击性能方面的优越性,但与短切纤维比较又有加工困难的缺点。目前的发展趋势是,长碳纤维复合材料在加工上继续完善新工艺方法,短切碳纤维复合材料则向具有更高冲击和拉伸等性能方向发展3。应该说明,碳纤维增强尼龙复合材料是各向异性非均质材料。由于纤维和基体是形状和性能完全不同的两种材料,它们之间的界面又具有分割作用,因此它不是连续和均质的,其力学性能是各向异性的。特别是长碳纤维或纤维制品增强的复合材料更为突出。因此在作强度和刚度设计时不能完全按金属的设计方法进行

5、。长、短碳纤维增强两种方式对复合材料性能的影响比金属更为复杂。一般来说,除了纤维和基体材料本身的性能以及它们之间界面的结合牢固程度外,对于复合材料,碳纤维的排列方向将起决定性的作用,沿碳纤维排列方向受力最大。试验结果表明,顺纤维方向比垂直方向的抗拉强度大40倍。为了消除复合材料方向上的受限性,研究人员开始对三维编织碳纤维进行研究。第21卷 第1期 河 北 建 筑 科 技 学 院 学 报 Vol121No112004年3月 JournalofHebeiInstituteofArchitecturalScienceandTechnology Mar12004 1994-2008 China Aca

6、demic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2碳纤维三维编织复合材料三维编织复合材料是近二十年来诞生的一种新型复合材料,是复合材料科学中异军突起的一支新秀,它以三维整体织物为增强体,其优良的结构性显著改善了复合材料多方面的力学特性,从根本上克服了传统层合板层间剪切强度低而且易分层的缺点,在航空、航天、军工、汽车、医疗以及高级体育用品等领域得到了广泛应用4,5,6。2.1三维编织技术复合材料三维编织技术是由二维编织技术发展起来的高新纺织技术。编织结构复合材料的一体成型特性,在三维整体编织技术中得到了真正体

7、现。三维整体编织技术的另一特点是能有效控制复合材料中的纤维体积含量,在编织前通过CAD系统预先计算,从而准确控制纤维的体积比,纤维含量可高达68%左右。三维编织的编织方法主要有2步法和4步法。2步法织物结构是由大量的轴向纱和较少的编织纱组成,编织纱线将轴向纱线织结在一起形成织物形状,其编织原理见图1。2步法编织的形状范围大,运动少,特别适合较厚的结构。4步法的应用最为广泛,可以编织出许多不同断面的结构,主要有板状、柱体、管状等结构。图2描述了以4行8列为例的4步法的工艺原理。2.2碳纤维三维编织复合材料的特性三维编织复合材料具有整体性和优良的力学结构性两大特点。从编织、复合到成品,不分层,无机

8、械78河 北 建 筑 科 技 学 院 学 报2004年 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/加工,或仅做不损伤纤维的少量加工,从而保持了制品的整体性。三维整体编织技术的突出特点是能根据预成型品的几何形状编织各种复杂的异型整体织物,如I型梁7。这是由于在编织过程中,基本编织结构单元能够随着零件的形状和尺寸的变化而变形,这样既保证了所需要的形状,又维持纤维密度不变。三维编织的基本单元是一个立方体,复合材料中的纤维沿着立方体的对角线方向互相交织形成三维四向织物。另

9、外,在编织过程中还可以沿某个正方向加筋,使材料在某个方向得到特别增强,依据构件的性能要求,使结构更加合理。2.3显著提高了整体强度和刚度Macander8于1986年做了一组实验来验证三维编织复合材料整体性能大幅度提高这一事实,他们把三维编织碳/环氧(C3D/EP)复合材料试片分为两组:一组未加工,另一组经过加工,实验数据列于表1。其中11、13表示编织方式,第一个数字表示纱轴沿机器X方向的位移量,第二个数字表示纱轴沿机器Y方向的位移量。以表中第一组数据为例,可见加工使试片的强度下降了约2/3,模量下降了约2/7,这充分说明保持整体性的重要意义。表1C3D/EP复合材料的力学性能特征1111(

10、机加工)1313(机加工)纤维含量(%)68686868拉伸强度(MPa)665.6228.7970.5363.7模量(GPa)67.850.5126.476.42.4具有良好的耐烧蚀性和抗损伤性采用三维整体编织技术制作的复合材料比三向正交复合材料和缠绕复合材料有更好的耐烧蚀性,与三向正交复合材料相比烧蚀率下降约20%,表2给出了试验结果9。Gause等首先指出三维编织复合材料具有良好的抗损伤性,他们发现三维编织结构钻孔后仍能保持90%以上的拉伸强度。K o10用C/PEEK复合材料做了冲击实验,发现层状结构的损伤面积比三维编织结构的损伤面积约大10倍。而轻气炮冲击实验表明,在弹丸的速度为7

11、000m/s,弹丸动能为4 480J的条件下,三维整体编织复合材料试样是目前唯一未发生整体破坏的试样。表2 不同工艺制造的复合材料性能对比材料拉伸强度(MPa)拉伸模量(GPa)线烧蚀率(mm/s)背面升温()三维整体编织碳/酚醛 50035.50.1815三维正交编织碳/酚醛40236.40.2225斜向缠绕碳/酚醛247.80.22 3三维编织结构体的特点三维编织的基本单元中,四根纤维束在空间均匀地向四个方向延伸,构成了不分层的编织体,形成了一个整体,所以又称为三维整体编织。单向纤维增强的复合材料经常在层间发生破坏,毫无疑问,不分层的整体织物对提高复合材料的性能具有十分重要的意义。3.1三

12、维编织可以直接编织异形复合材料件的增强体三维编织的基本单元立方体在编织过程中可以变形,通过基本单元立方体的变形来适应异形构件的形状变化。不仅如此,还可以利用基本单元立方体的变形在编织体上留眼、留洞,从而避免机械加工给复合材料带来的损伤,所以三维编织又称为异形整体编织,或直接构件编织。3.2力学上结构合理三维编织的基本单元的纤维束是四向结构,也就是说,纤维束在空间均衡地向四个方向延伸。从力学角度来看,这种结构均衡具有良好的综合性能指标。另外,在编织过程中还可以沿基本单元立方体的三个正方向加筋,以增强某一个或两个方向的强度和刚度,这样又发挥了复合材料可设计性的优点。均第1期赵立新等:复合材料中三维

13、编织碳纤维增强体的性能特点79 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/衡性和异形整体编织工艺的灵活性,给总体力学和零部件优化设计创造了条件。3.3三维编织给后续工艺带来方便用三维编织工艺编织的织物,有利于后续基体固化工艺的实施。特别应该指出的是,固化后的构件只作端口的少量加工,这样不仅省工省料,而且不会损伤构件,使复合材料构件具有优良的工艺性能。3.4三维编织物可以构成较复杂的结构形状三维编织物可以构成一些复杂而且十分有用的编织物,例如T形、I形、+形以及U形

14、等型材,还有圆管与长方体的组合以及异形管材等。另外,灵活的编织工艺还可以创造出许多新的复杂的形状。例如,可以编织出既分层又相连的隐层织物,以及形状变化而保持密度不变的密度均衡织物等等。4结语三维编织碳纤维复合材料,有其特殊的结构和性能特点,该材料在取代金属,节约能源,特殊专用等方面将发挥独特的作用。随着加工成型技术不断更新,其巨大的潜力必将得到进一步挖掘。参考文献:1浙江大学.机械工程非金属材料M.上海:上海科学技术出版社,1988.2吴人洁.复合材料M.天津:天津大学出版社,2000.3温变英,李迎春,张学东.尼龙/碳纤维复合材料的研究进展J.新型碳材料.1997,(3):18-18.4 C

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18、University of Engineering,Handan 056038,China;2.Insititute of Materials Sicence and Engineering,Huazhong University of Science&Technology,Wuhan 430074,China;3.Handan Asia East Plastic Co.,Ltd,Handan 056006,China)Abstract:The author discussed that 3-dimension weaved carbon fibre reinforce with charac

19、ter of whole and adaptingfor multi-shaped of component through discussing manner of carbon fibre reinforce in the composite.Compositeavoids direction and composite possesses eximious integrative performance with 3-dimension weaved carbon fibre.Key words:composite;carbon fibre;3-dimension weaved carbon fibre reinforce(责任编辑 刘存英)80河 北 建 筑 科 技 学 院 学 报2004年 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/