纤维成品
表面处理几乎总是应用在纤维上,既可以使处理损伤最小化,又可以提高纤维/基质界面结合强度。在复合材料应用中,碳和芳纶纤维的表面光洁度或尺寸通常能同时发挥这两种功能。在纤维制造过程中,该上浆剂被涂在纤维上,在纤维转化为织物的整个过程中,该上浆剂一直保留在纤维上。对于玻璃纤维,可以选择一种表面处理方法。
玻璃纤维成品
用于直接纤维加工的玻璃纤维粗纱,如预浸、拉挤和长丝缠绕,在纤维制造时采用“双重功能”整理处理。
然而,玻璃纤维纱用于织造时经过两个阶段的处理。第一道表面处理是在纤维制造点上进行的,在相当高的水平上,纯粹是为了保护纤维在处理和处理过程中不受损坏
编织过程本身。这种保护性整理物通常是淀粉基的,在编织过程结束后,通过加热或化学物质将其清洗或“冲刷”掉。经过洗涤的机织织物然后分别用不同的基体兼容整理处理,专门设计以优化纤维与树脂的界面特性,如粘结强度、耐水性和光学清晰度。
碳纤维成品
结构复合材料中使用的碳纤维的表面处理或尺寸通常是环氧基的,根据纤维的最终用途使用不同的水平。织造时的浆料水平约为重量的1-2%,而胶带预浸或细丝缠绕(或类似的单纤维工艺)的浆料水平约为0.5-1%。尺寸的化学性质和水平不仅对保护和基质相容性很重要,而且因为它们影响纤维的扩散程度。纤维也可以不上浆供应,但由于一般处理,这些纤维很容易断裂。大多数碳纤维供应商为每个等级的纤维提供3-4级尺寸。
芳纶纤维成品
芳纶纤维在制造时经过整理处理,主要是为了基体相容性。这是因为芳纶纤维需要较少的保护,以防止纤维处理造成的损坏。主要类型的纤维处理是复合表面处理,橡胶兼容表面处理(皮带和轮胎)和防水表面处理(弹道软装甲)。与碳纤维饰面一样,根据使用纤维的工艺类型,复合应用饰面也有不同的水平。
织物类型和结构
在聚合物复合材料术语中,织物被定义为由碳、芳纶或玻璃或这些纤维的组合制成的长纤维组装,以生产一层或多层纤维的平板。这些层要么是通过纤维本身的机械联锁,要么是通过一种次级材料将这些纤维结合在一起并固定在适当的位置,从而使组装具有足够的完整性。
织物的类型是根据所使用的纤维的方向和用于将纤维粘合在一起的各种构造方法进行分类的。
四种主要的纤维取向类别是:单向,0/90°,多轴和其他/随机。这些将在下面描述。不同材料的许多方面的进一步细节包含在SP系统复合材料手册的加固部分。
单向织物
单向织物(UD)是指大部分纤维只向一个方向运动的织物。少量纤维或其他材料可以向其他方向流动,其主要目的是将初级纤维固定在位置上,尽管其他纤维也可以提供一些结构特性。虽然一些0/90°面料的织工将重量仅为单向75%的面料称为单向面料,但SP Systems的研究表明单向度仅适用于纤维重量占某一方向重量90%以上的织物。单向纤维通常在0°方向(沿棍- a经纱UD),但也可以在90°到卷长(一个纬纱UD)。
真正的单向织物能够将纤维精确地放置在所需的位置,并以最佳数量放置在组件中(不多于或少于所需数量)。除此之外,UD纤维是直的,无卷曲。这使得复合材料结构中的织物具有最高的纤维性能。对于机械性能,单向织物只能通过预浸单向胶带来改善,其中没有任何二次材料将单向纤维固定在适当的位置。在这些预浸产品中,只有树脂系统将纤维固定在适当的位置。
单向结构
有多种方法可以使初级纤维保持单向的位置,包括编织、缝合和粘合。与其他织物一样,单向织物的表面质量由两个主要因素决定:一次纤维的支数和纱线数的组合以及二次纤维的数量和类型。织物的悬垂度、表面光滑度和稳定性主要由结构风格决定,而面积重量、孔隙率和(在较小程度上)湿性则由选择纤维tex和每厘米纤维数的适当组合决定。
单向的经线或纬线可以通过拼接过程制成(参见本出版物的“多轴”部分中的信息)。然而,为了获得足够的稳定性,通常需要在织物表面加一块垫子或纸巾。因此,与组装纤维所需的拼接线一起,这种类型的UD织物中存在相对大量的次要寄生材料,这往往会降低层压性能。此外,缝合线0°层的高昂成本和相对较慢的生产速度意味着这些织物可能相对昂贵。
0/90°织物
对于需要多种纤维取向的应用,结合0°和90°纤维取向的织物是有用的。其中大部分是编织产品。0/ 90°织物可以通过拼接而不是织造工艺生产,下面的“多轴织物”中给出了这种拼接技术的描述。
机织物
机织织物是由经纱(0°)纤维和纬纱(90°)纤维按规则图案或编织方式交织而成。织物的完整性是由纤维的机械联锁来维持的。悬垂度(织物符合复杂表面的能力),表面平整度和织物的稳定性主要由编织方式控制。面积重量、孔隙率和湿出度(在较小程度上)由选择正确的纤维密度和纤维数/厘米*来决定。以下是一些比较常见的编织风格的描述:
平纹织物
每根经纱交替穿过每根纬纱。面料对称,稳定性好,孔隙度合理。然而,它是最难以悬垂的织物,与其他织物相比,高水平的纤维卷曲赋予相对较低的机械性能。对于大纤维(高密度),这种编织方式会产生过多的卷曲,因此它往往不用于非常厚重的织物。
斜纹
一根或多根经纱以有规律的重复方式交替地在两根或多根纬纱上或下编织。这就产生了视觉效果的直或断裂的垂直'肋骨'的织物。斜纹织物比平纹织物更显湿润和垂坠,只是稳定性略有下降。由于卷曲减少,织物也有一个光滑的表面和稍高的机械性能。
缎纹
缎纹织物基本上是斜纹织物,经改良后产生较少的经纬交叉。
名称中使用的“线束”编号(通常为4,5和8)是在纤维重复之前交叉和穿过的纤维总数。“交叉脚”编织是缎面编织的一种形式,在重复模式中有不同的错开。缎纹织物非常平整,具有良好的透湿性和高度的悬垂性。低压弯具有良好的机械性能。缎面织物允许纤维在最接近的地方编织,并可以生产出紧密“紧密”的织物。然而,这种风格的稳定性和不对称性是需要考虑的。这种不对称导致织物的一面纤维主要沿经纱方向运动,另一面纤维主要沿纬纱方向运动。在组装这些织物的多层时必须小心,以确保应力不会通过这种不对称效应建立在组件中。
篮织
篮织与平纹基本相同,只是两根或两根以上经纱纤维与两根或两根以上纬纱纤维交替交织。两根经纱穿过两根纬纱的排列被称为2x2篮,但纤维的排列不需要对称。因此,有可能有8x2, 5x4等。篮状织物更平整,由于卷曲较少,比平纹织物更结实,但不太稳定。它必须用于由厚(高密度)纤维制成的重型织物,以避免过度卷曲。
梭织
梭织编织提高了“开放式”织物的稳定性,这种织物具有低纤维计数。一种平纹织物,相邻的经纱缠绕在连续的纬纱上形成螺旋对,有效地将每条纬纱“锁定”在适当的位置。拉诺织物通常与其他织物组合使用,因为如果单独使用,其开放性不能产生有效的复合成分。
仿梭织
一种平纹织造法,在这种织造法中,偶尔有几根经纱按一定的间隔从交替的上下交错中抽出,而改为每两根或两根以上的纤维交织一次。这种情况在纬线方向上发生的频率相似,总体效果是织物厚度增加,表面粗糙,孔隙率增加。
四方织法
四方织法是一种特殊的编织风格,由SP系统开发,以促进层压在大的表面区域。面料,在任何纤维,编织在4-挽具缎面风格,给一个良好的组合悬垂,潮湿和空气释放。当织物在模子中铺设时,经纬纤维中都包含有示踪剂,用于织物的对准——玻璃织物中有蓝色(聚酯)示踪剂,碳织物中有黄色(芳纶)示踪剂。织物的边缘在厚度上呈锥形,以便相邻织物可以以最小的厚度增加重叠。减少经纱边缘处(通常距织物边30毫米处)的纤维支数,可产生变细效果。
机织玻璃纱织物与机织粗纱
以纱线为基础的织物通常比粗纱具有更高的单位重量强度,并且通常更细,生产的织物在可用重量范围的较轻一端。编织粗纱的生产成本较低,可以更有效地湿润。无论如何,由于它们只能在较重的质地中使用,它们只能生产可用重量范围的中等到较重的织物,因此更适合于较厚、较重的层压板。
下表涵盖了在考虑将玻璃纱纤维用于复合材料组件时应用的一些选择标准。
缝合0/90°织物
0/90°织物也可以通过拼接工艺制作,有效地将两层单向材料组合成一种面料。
由于以下因素,缝制0/90°织物在某些性能上比机织织物的机械性能提高20%:
1.平行无卷曲纤维在加载时立即承受应变。
2.在机织织物中经纬纤维交点处发现的应力点被消除。
3.与机织板相比,层压板可装入密度更高的纤维。在这方面,织物的行为更像是单向层。
与机织织物相比的其他优点包括:
1.用超过1kg/sqm的纤维就可以很容易地生产出厚重的织物。
2.增加纤维的填料可以减少树脂的用量。
混合纤维
“混合”一词指的是在结构中含有一种以上结构纤维的织物。在多层层压板中,如果需要一种以上类型的纤维的性能,那么可以提供两种织物,每一种都含有所需的纤维类型。然而,如果需要低重量或极薄的层压板,混合织物将允许两种纤维在一层织物中呈现,而不是两层。在混纺织物中,一根纤维在纬纱方向上运动,另一根纤维在经纱方向上运动是可能的,但更常见的是在经纱/纬纱方向上发现每种纤维的线是交替的。虽然铝杂化体最常见于0/90°机织织物,但该原理也用于0/90°针织物、单向织物和多轴织物。最常见的混合组合有:
碳纤维/芳纶
芳纶纤维具有较高的抗冲击性和抗拉强度,同时炭具有较高的抗压强度和抗拉强度。这两种纤维密度都很低,但成本相对较高。
芳纶/玻璃纤维
芳纶纤维的低密度、高抗冲击性和抗拉强度与玻璃良好的抗压和抗拉强度相结合,再加上成本较低。
碳纤维/玻璃纤维
碳纤维具有较高的拉伸抗压强度和刚度,并降低了密度,而玻璃则降低了成本。
多轴织物
近年来,多轴织物已开始在复合材料构件的构造中得到青睐。这些织物由一层或多层长纤维组成,由二级非结构拼接胎面固定。主要纤维可以是任意组合的任何结构纤维。缝合线通常是聚酯纤维,因为它结合了适当的纤维性能(用于将织物粘合在一起)和成本。除了简单的0/90°机织织物外,拼接工艺还可以将多种纤维取向组合成一种织物。多轴织物有以下主要特点:
优势
与机织类型相比,缝制多轴织物的两个关键改进是:
(i)更好的机械性能,主要是因为纤维始终是直的,没有卷曲,而且随着织物层数的增加,纤维的方向也越来越多。
(ii)基于织物可以做得更厚和具有多种纤维取向的事实,提高组件构建速度,因此在层压序列中需要包含的层数更少。
劣势
聚酯纤维不能很好地与一些树脂系统结合,因此拼接可能是产生吸汗或其他故障的起点。织物的生产过程也可能很慢,机器的成本也很高。这一点,再加上低重量织物需要更昂贵的低特克斯纤维来获得良好的表面覆盖,这意味着与机织织物相比,高质量的缝制织物的成本可能相对较高。对于极重的织物,虽然可以将大量的纤维快速地融入到组件中,但如果没有自动化的工艺,也很难用树脂浸渍。最后,除非像SP织物样式那样仔细控制,否则缝合过程会将纤维聚集在一起,特别是在0°方向,在层压板中产生富含树脂的区域。
织物结构
这种面料最常见的形式如下图所示:
多轴面料的基本制作方法有两种:
编织与缝合
用“编织和缝合”方法+45°和-45°层可以通过编织单向纬纱,然后在特殊的机器上倾斜织物,到45°层。经纱单向或纬纱单向也可以不倾斜地制成0°和90°层。如果0°和90°层都存在于多层针织物中,那么这可以由传统的0/90°机织织物提供。由于可以使用粗粗纱来制作每一层,编织过程相对较快,后续通过简单的拼接框架将层拼接在一起。
用这种方法制作四边形(四层:+45°,0°,90°,-45°)织物,单向纬纱将被编织,并在一个方向倾斜,形成+45°层,在另一个方向倾斜,形成-45°层。0°层和90°层将呈现为单一的编织织物。然后,这三个元素将被缝合在一个拼接框架上,从而产生最终的四轴织物。
同时针
同时针制是在针织工艺的基础上,在专用机器上进行的,如利巴、马利莫、迈耶等。每台机器的纤维铺设精度各不相同,特别是在保持纤维平行方面。这些类型的机器有一个框架,它同时为每个轴/层吸引纤维,直到所需的层已经组装好,然后将它们缝合在一起,如下图所示。
其他/随机织物
碎链垫
切分绞线(CSM)是一种无纺布材料,顾名思义,由随机定向的切碎的玻璃股组成-用于海洋应用-由PVA乳液或粉末粘结剂连接在一起。尽管PVA具有优越的悬垂处理和润湿特性,但在海洋环境中的用户应谨慎使用,因为它会受到水分的影响,并可能导致渗透,如水泡。
今天短切绞线衬垫很少用于高性能复合材料部件,因为它不可能生产具有高纤维含量的层压板,根据定义,高强度重量比。
薄纱织品
薄纱织品是由均匀而随机地分布在平面上的连续纤维丝组成的。然后用有机粘合剂如聚乙烯醇,聚酯等化学结合在一起。由于强度相对较低,它们主要不用作增强材料,而是作为层压板上的堆焊层,以提供光滑的表面处理。组织通常制造的面积重量在5到50g/sqm之间。玻璃组织通常用于通过在表面富集树脂来创建抗腐蚀屏障。同样的浓缩工艺还可以防止胶衣表面高度卷曲织物的穿透打印。
花穗辫
辫子是由螺旋状的纤维交织而成的管状织物。管的直径由管的周长纤维的数量、螺旋纤维的角度、每单位长度纤维的交点数量以及组件中纤维的尺寸(密度)来控制。如0/90°梭织织物,交织的样式可有所不同(平纹、斜纹等)。管直径通常为纤维角 ±45°,但编织过程允许纤维移动在大约25°和75°之间的角度,取决于纤维的数量和密度。窄角的直径小,而宽角的直径大。因此,沿着一根管的长度,可以通过改变纤维角度来改变直径-较小的角度(相对于零)给予较小的直径,反之亦然。编织可以在桅杆、天线、传动轴和其他需要抗扭强度的管状结构等复合材料部件中找到。
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