基于紡織復(fù)合材料技術(shù)及其運(yùn)用探析

關(guān)云清

摘要：紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是近來在紡織行業(yè)中較為流行的一種材料，該種材料的纖維性和定型性特點(diǎn)，能夠給紡織及服裝加工帶來一定的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)。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(zhēng)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。 本文介紹了一種新型材料—紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用情況，對(duì)其組成特點(diǎn)、成型工藝和設(shè)計(jì)因素進(jìn)行了分析，并提出分析該種材料力學(xué)性能的一般性方法。

關(guān)鍵詞：紡織工程;復(fù)合材料;技術(shù)應(yīng)用;分析探究

一、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(chǎng)。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。

二、紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在航天科技中，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(zhǎng)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。這些復(fù)合材料的運(yùn)用，能夠在最大限度發(fā)揮材料力學(xué)的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，能夠提高產(chǎn)品的穩(wěn)固性，能夠幫助材料形成很強(qiáng)的力度，從而適應(yīng)材料在航空運(yùn)用中的需要。

該種材料運(yùn)用于紡織中，能夠在有效發(fā)揮材料的彼此合力作用前提條件下，能夠形成一定的可塑性。因此具有具有高強(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。 正是基于上述特點(diǎn)，我們可根據(jù)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，幫助設(shè)計(jì)制作，形成可定型性，滿足不同物質(zhì)材料的發(fā)展需要。

在交通運(yùn)輸、建筑領(lǐng)域、體育用品等企業(yè)的生產(chǎn)過程中，選用合適的材料，并能夠最大限度降低生產(chǎn)成本則是企業(yè)應(yīng)該注意的地方。在生產(chǎn)過程中，可自動(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。除此而外，在預(yù)成型和復(fù)合前安放機(jī)敏類材料，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(cè)、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。

三、三維紡織復(fù)合材料。

三維紡織復(fù)合材料是一種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。它使用三維整體紡織預(yù)制件作為增強(qiáng)相，克服了以往各種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層間強(qiáng)度低的致命缺點(diǎn)，具有優(yōu)異的整體受力性能，可用以制造各種結(jié)構(gòu)的主要承載構(gòu)件。利用高強(qiáng)度纖維（例如碳纖維）制成的三維紡織復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高，比模量大，擾疲勞性能好，以及良好的形態(tài)可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。用它們代替鋼制件時(shí)，在滿足同樣的強(qiáng)度和剛度的前提下，減輕重量70%左右。三維紡織復(fù)合材料還具有損傷后易修理，工藝上便于整體成型和一次成型的優(yōu)點(diǎn)，可減少零件和模具的數(shù)量。目前，采用三維編織復(fù)合材料可以制作飛行器、汽車等上的多種不同形狀的承力梁、接頭，多種形式的耐燒蝕、高承受力的圓筒形、錐筒形的制件：還可以在人造生物組織方面發(fā)揮作用，制作人造骨、人造韌帶，以及制作接骨板等。在保證力學(xué)性能相同或提高的情況下，大大減輕這些制件的重量，從而使整個(gè)飛行器、汽車等的性能得到提高。

四、結(jié)束語

綜上所述，運(yùn)用好紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，應(yīng)該在注意其性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所使用領(lǐng)域的特殊要求，注重預(yù)成型和固化等技術(shù)方面的處理，不僅能夠提高產(chǎn)品的使用效果，還能夠滿足企業(yè)在生產(chǎn)過程中的需要。通過合理的優(yōu)化，能夠更好滿足未來生產(chǎn)發(fā)展需要，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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