經(jīng)編纖維增強增強骨架的玻纖增強復合材料的性能

經(jīng)編纖維增強增強骨架的玻纖增強復合材料的性能

結(jié)構(gòu)建筑材料是指承受負荷的增強體材料（如玻璃、陶瓷、素、高聚物、金屬、天然纖維、織物、晶體纖維、塊、顆粒等）。可以連接到整體材料，并在傳遞力的基礎上發(fā)揮輔助作用，如樹脂、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥。結(jié)構(gòu)復合材料的性能很大程度上取決于增強骨架的性能,而增強骨架的性能除了取決于增強體自身的性能外,還取決于增強骨架的結(jié)構(gòu)和加工方式。好的增強骨架結(jié)構(gòu)不僅能承受多種載荷,同時也有助于在加工中穩(wěn)定幾何構(gòu)造,因此研究開發(fā)新型增強骨架的必要性十分重要。傳統(tǒng)的紡織結(jié)構(gòu)復合材料基本都采用機織方格布作為增強骨架。這是因為首先,針織物是一種低模量的織物,在小的負荷下就會產(chǎn)生較大的變形,不適合做增強骨架。其次,針織物中的纖維含量不能滿足復合的要求。但隨著針織工藝的發(fā)展,特別是經(jīng)編工業(yè)的突飛猛進,人們已開始逐漸注意到了經(jīng)編針織物的優(yōu)越性,它的特殊工藝很好地彌補了傳統(tǒng)針織物的缺點,同時機織物本身特有的組織結(jié)構(gòu)缺陷如織物中紗線的屈曲效應,也越來越引起人們的關注?，F(xiàn)對這兩種紡織結(jié)構(gòu)復合材料進行縱橫向生產(chǎn)工藝的比較分析。玻纖增強復合材料的強度主要取決于經(jīng)緯向的玻璃纖維和基體樹脂的性能以及兩者之間的組合狀態(tài)。因此,要對比討論兩種不同增強骨架的玻纖增強復合材料的性能時,就必須對影響它們性能的因素有所了解,這樣才能使兩者的對比站在同一起點,使對比具有可比性。1纖維概論1.1動物纖維生產(chǎn)歷史上由用勞玻璃纖維(GlassFiber)是由氧化硅與金屬氧化物等組成的鹽類混合物熔融方式制成的,它是最早被用作增強材料使用的纖維之一。玻璃纖維的生產(chǎn)具有悠久的歷史。由于玻璃纖維在結(jié)構(gòu)、性能、加工工藝、價格等方面的特點,使它在復合材料制造業(yè)中一直占有重要位置。1.2漏板和玻璃液卷繞目前主要有兩種:一是代鉑坩堝法。把玻璃做成球,將球投入到由鉑鐒合金制成漏板的坩堝熔爐中,玻璃液從漏板上的許多漏嘴中流出,卷繞在高速轉(zhuǎn)動的繞絲筒上;二是池窖法。將玻璃粉料直接投入到池窖中熔化,玻璃液經(jīng)過安裝在若干分道上的漏板漏嘴中流出,拉絲方法同前。1.3關于纖維本身對材料的性能的影響(1)斷裂強度的測定國內(nèi)常用的玻璃纖維化學成分有兩種:無堿和中堿,通常認為前者的拉伸強度比后者高10%～20%,如公稱直徑同為13μm,中堿斷裂強度>500MPa,而無堿>575MPa。本次對比試驗均采用無堿粗紗為原料。(2)各纖維平均直徑的變化纖維加捻后,各根纖維受力均勻,測得強度較高,如同為無堿纖維,加捻110±15捻/m,單纖維公稱直徑為8μm的折算強度>1000MPa,而不加捻的8μm的折算強度>625MPa。當這些纖維被粘接力較高的基體樹脂浸透,同樣能使各根纖維的受力均勻,纖維的強力同樣得到充分發(fā)揮,而且無捻紗也有利于基體的滲入,所以作為增強材料的玻璃纖維或織物一般都采用無捻紗。2雙軸向經(jīng)編機玻璃纖維織物,在最初是完全借鑒棉紡等已經(jīng)成熟的織造工藝,在普通織機如1511,1515上完成的。但由于玻璃纖維具有剛性強、抱合力小、彈性差、伸長小等特點,所以其織造又不同于普通織物,特別是由于玻璃纖維的耐磨性、耐扭轉(zhuǎn)性、彎曲性及剪切性能特別低等特點,所以在傳統(tǒng)機織織造過程中存在許多問題,如斷紗率高、紗線易刮毛等。但隨著經(jīng)編工業(yè)的發(fā)展,特別是雙軸向經(jīng)編機,這一問題已得到了很好地解決。目前,雙軸向經(jīng)編機以德國卡爾邁耶公司的Rs3msu型機和利巴公司的CopcentraHS-2-ST經(jīng)編機最為典型。本文所采用的雙軸向經(jīng)編織物試樣就是用CopcentraHS-2-ST經(jīng)編機所編織的,這種新型經(jīng)編機最適合高性能纖維的織造,如碳纖維、玻璃纖維、芳綸等。這種經(jīng)編機的成圈機構(gòu)見圖1。1為地組織導紗梳櫛,它可以編織出雙梳地組織結(jié)構(gòu)。2為復合針床,該復合針的動程為16mm,由于動程較短,機器速度有了很大提高。3為針芯床,4為沉降片床,5為推緯片床,帶有單獨的推緯片。6為襯經(jīng)紗梳櫛,以穿在導紗片孔眼中的銅絲來引導和控制襯經(jīng)紗的工作。由于其改變了傳統(tǒng)的導紗針孔眼結(jié)構(gòu),故紗線在編織過程中不會被刮毛,并且由于導紗片剛性較大,所以在編織高性能纖維時,在很大的編織張力情況下仍能保持導紗片的挺直。這種機型獨特的襯緯機構(gòu)見圖2a、圖2b。圖2a中的輸緯鏈,由傳動鏈塊所帶動,在進入編織區(qū)之前,緯紗夾持器是處于打開狀態(tài),此時緯紗由專門的全幅襯緯裝置送入掛鉤,由于掛鉤是與輸緯鏈成為一體的,且鉤距一致,這就使得緯紗之間絕對平行,從而提高了紗線的強力利用系數(shù),進而使織物的整體強度提高。在進入編織區(qū)后,緯紗夾持器便在傳動鏈塊與輸緯鏈的相互作用下,向前運動從而將緯紗封閉在掛鉤中,并且在整個編織過程中,緯紗在兩端的輸緯鏈的作用下,始終保持相同的紗線張力以及紗線間的平直關系,從而保證了高質(zhì)量織物的制造。圖2-b中便是輸緯鏈與全幅襯緯裝置的運動關系,其中箭頭所指為運動方向。3兩種增強材料組織結(jié)構(gòu)的比較3.1紗線卷曲度和織物密度機織工藝歷史悠久,適宜加工的原料種類廣泛,結(jié)構(gòu)組織點微小,尺寸穩(wěn)定性較傳統(tǒng)緯編織物好。但傳統(tǒng)的機織工藝織造的產(chǎn)業(yè)用織物存在如下不足之處。首先,機織物是每一根經(jīng)紗和緯紗都從一根紗下穿過,并壓在另一根紗上,也就是說,每過一根紗就有一個交點(如圖3)。這樣,從它的組織結(jié)構(gòu)圖來看,紗線是呈波浪形,而不是直線,這就產(chǎn)生了不利的問題,織物處于不穩(wěn)定狀態(tài),在外力尚未全施加于紗線之前,就有了微量的伸長。其次,高強度、高模量紗線的全部潛能未全部利用。當承受外力時,紗線潛能的一部分浪費在垂直方向推開其它紗線上(如圖4)。還有當機織物密度提高時,紗線卷曲度也會隨之增加,顯見,高性能的紗線的潛能就利用的更少了,而且當使用高模脆性纖維時,就更應注意經(jīng)緯紗線的彎曲程度了。否則織物密度過高,就會使紗線脆裂,從而使復合材料力學性能降低。最后,在節(jié)點處,樹脂滲入的時間也要比非節(jié)點處大的多。而且,當承受外力時,在結(jié)點處容易產(chǎn)生應力集中,從而使織物與樹脂首先發(fā)生脫離,這樣材料的整體性能就會下降,成了由基布來承受外力,最后導致力學性能降低。3.2雙軸向襯經(jīng)襯緯織物對于傳統(tǒng)的針織物而言,從結(jié)構(gòu)特征看,強度、模量、穩(wěn)定性等要求一般不及機織物。這是由于針織物是由線圈相互穿接而成,在受到外力時不能利用紗線原有潛在的強力。但現(xiàn)在出現(xiàn)了襯經(jīng)襯緯的雙軸向經(jīng)編織物,下面圖5(a)便是雙軸向襯經(jīng)襯緯經(jīng)編織物。圖5(b)為截面圖。在這種織物中,襯經(jīng)襯緯紗是平直排列并垂直迭加在一起,在由編鏈紗將它們在交點處捆綁在一起,所以并不存在交結(jié)互壓的現(xiàn)象,從而使織物中各襯墊的紗線組都是平行排列,取向度很高,能夠共同承受外來的載荷,紗線的性能得到完全利用,織物的抗拉強力較高。而且,也可以采用高模脆性纖維。另外,由于織物中紗線平直排列消除了紗線的卷曲現(xiàn)象,從而提高了織物的彈性模量。4兩種增強材料的比較(1)進展之一:通過引離、道路雙軌的方法將經(jīng)紗引離織物,把織物加入工作區(qū)機織物在織機上的形成,是經(jīng)過下面幾個工藝程序來完成的。①按照織物的組織圖案,把經(jīng)紗上下分開,形成稱為梭口的空間;②把緯紗引入所形成的梭口;③把緯紗推向織口;④把已織好的織物引離織物形成區(qū);⑤把經(jīng)紗輸入工作區(qū)。以上5個工藝程序連續(xù)不斷地循環(huán)著,因而不斷地形成織物。從上面的5個過程我們可以看出,引緯速率是機織物生產(chǎn)效率的關鍵,當前發(fā)展較為迅速的是無梭織機,諸如瑞士蘇爾壽公司的片梭織機,意大利舒美特公司的天馬超優(yōu)秀劍桿織機、天鷹型噴氣織機等,都有比較高的技術水平,劍桿織機的入緯率已達1600米/分左右,噴氣、噴水機可以達到2000米/分。(2)全幅多點襯緯以CopcentraHS-2-ST全幅襯緯