紡織復合材料在化工領域中的應用淺析

摘要：纖維復合材料中的纖維是平行的、互不交疊的。而紡織結構復合材料是利用紡織技術首先用纖維束織造成所需結構的形狀，形成預成型結構件(簡稱預成型)，然后以預成型作為增強骨架進行浸膠固化而直接形成復合材料結構。正是這種工藝的變革，使紡織結構復合材料與普通復合材料相比具有許多突出的優點，同時由于細觀結構的復雜化又給設計和分析增添了更多的困難。迄今雖然經過許多研究者的努力，已經發展了各種分析模型，能解決一些應用問題，但還遠沒有成熟，還需要經過比較、積累和進一步發展，以形成完善而統一的分析、設計方法和相應的標準，才能使紡織結構復合材料得到更廣泛的應用。本文結合實踐，介紹了一種新型材料－紡織結構復合材料的發展與應用情況，對其組成特點、成型工藝和設計因素進行了分析，并提出分析該種材料力學性能的一般性方法。

關鍵詞：化工行業 紡織材料 紡織復合材料

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所追求的三大目標，由它們組成的某個時代的物質世界就是人類歷史演進的標志。紡織結構復合材料是紡織技術和現代復合材料技術結合的產物，它與通常的纖維復合材料具有較大的區別。纖維復合材料是通過把纖維束按一定的角度和一定的順序進行鋪層或纏繞而制成的，基體材料和纖維材料于鋪層或纏繞時同時組合，形成層狀結構，因此也稱層合(壓)復合材料。

一、紡織復合材料的發展

在20年代，波音公司就已經使用紡織結構來增強飛機的機翼。50年代，美國通用電器公司也選擇紡織結構作為碳／碳復合材料鼻錐的增強形式。70年代初，在纏繞工藝的影響下，二維編織工藝被引入復合材料領域。隨著復合材料的發展，二維編織工藝也得到了迅速的發展，并為制造復雜形狀復合材料開辟了一條成功之路。80年代，通過紡織界與復合材料界的合作，編織技術由二維發展到三維，從而為制造高性能復合材料提供了新的途徑。三維編織結構復合材料由于其增強體為三維整體結構，大大提高了共厚度方向的強度和抗沖擊損傷的性能，因而倍受重視并獲得迅速發展。創造不補充加油而連續環球飛行一周記錄的“航行者”飛機與美國比奇公司的“星舟”1號公務機，都采用了一些編織結構件。英國道蒂公司的復合材料螺旋漿，其漿葉為編織結構，獲得1991年英國女王技術成果大獎。美國航空航天局(NASA)大力開展三維編織結構復合材料研究工作。計劃中包括開發編織技術和自動化加工、開發熱塑性樹脂等重要內容。

由此可見，現代紡織結構復合材料是在常規復合材料高度發展和廣泛應用于各工業領域的基礎上產生和發展起來的，通過吸收紡織學科各類織造技術，形成了機織、針織、編織等類別的紡織結構復合材料。值得指出的是，在過去40年里，還主要是以層板復合材料應用最廣，特別是在航空航天、軍事工業、交通等領域占據重要地位。復合材料的出現和發展對20世紀的結構工程產生了巨大的推動作用，并形成全球性的先進纖維材料的市場。在這種應用背景下，層板復合材料因存在“層”而帶來力學性能的弱點：如分層、開裂敏感和損傷擴展快，垂直結構厚度方向強度低，抗沖擊性能差等都顯露出來。由此古代紡織結構復合材料的思想必然被人們接受用來消除復合材料的“層”。在常規復合材料成熟的設計分析方法、織造工藝以及高效的紡織織造技術的前提下，現代紡織結構復合材料以驚人的速度蓬勃發展，已波及美國、法國、英國、德國、俄羅斯、拉脫維亞、芬蘭、比利時、中國、日本、南朝鮮等國。其重要原因之一，就是紡織構造的優越的力學性能，特別是不同的織造技術所形成的纖維束的微觀構型，適應十分廣泛的載荷環境作用下的工程結構的要求。

二、紡織結構復合材料應用

1 按當代歷史觀點，紡織結構復合材料的出現是近世紀材料科學發展的重大進步之一。而按紡織結構復合材料的定義，可以追溯到中國古代用編成排的秫桔混合粘土做成的墻體，這是紡織結構復合材料在建筑領域的最早應用。

2 用銅絲編織成的陶瓷基容器。可以考證，早在中國明朝(1368年～1644年)就可精制此類景泰藍。由此可知，人類很早就熟知紡織結構復合材料的優點：織造的纖維網絡具有優越的整體增強作用。因而紡織結構復合材料的出現和發展是一個悠久的歷史過程。

3 在航空航天領域，高溫、燒蝕和高速沖刷的導彈頭錐、火箭發動機的喉襯采用三維整體編織結構復合材料。發動機裙和導彈彈體(或火箭箭體)以及飛機機身則采用二維編織或機織結構復合材料。目前對空間飛行器，特別是對那些長時間在軌道運行的空間站、空間實驗室和重復使用的太空運輸系統，正在進行一類智能型紡織結構復合材料的研究。這類結構是將諸如光纖(傳感)、壓電(驅動)等元件埋入材料內部，以監控制造過程中的質量和運行中結構的健康狀況或控制結構的動力學行為；

4 在交通運輸領域，從自行車到汽車、艦艇、高速火車和軍用戰車，都可以找出用紡織結構復合材料制成的零、部件和主體構架的例子，只是不同部件采用不同類型的紡織結構而已。如形狀復雜的螺旋槳、曲軸就采用整體編織結構復合材料，

5 在建筑領域，可分為兩類：一類是剛性復合材料構件，如梁、柱、骨架等；一類則是柔性復合材料構件，如體育館、停車場和車站的屋頂、野營帳篷等。前者大多采用三維織造類結構復合材料，后者則用二維織造類結構復合材料；

6 體育用品如高爾夫球桿，醫療用品如人造血管、骨骼等都可用三維織造類結構復合材料。

三、紡織復合材料的應用優勢

1 高強度、高模量，特別是包括厚度方向、橫向的全方位增強，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；

2 優良的可設計性，可按加載方向增加纖維束數，以及按實際需要(整體)織造復雜形狀的零、部件和一次完成組合件，如加筋殼、開孔結構的制造等；

3 可自動化高效率生產和接近實際產品形狀的制造，使加工量和連接大大減少。因而經濟性好，成本低、制造周期短；

4 易于在預成型和復合前安放機敏類材料，如光纖、壓電等，從而實現對復合工藝質量監控、產品在服務期間的壽命監測、振動控制等，這樣既提高了產品質量又增加了可靠性。

四、紡織結構復合材料的組成與設計因素

紡織結構復合材料類似于自然界經過優勝劣汰的生物組織。所不同的是由纖維束組成的種種預成型構造是經過現代紡織技術織造成形的。將成型后的纖維束網絡骨架充填以基體材料，經固化制成紡織結構復合材料。

紡織結構復合材料的另一個組分就是基體材料。主要有樹脂基、金屬基、陶瓷基和碳碳基4類基體材料。在復合材料中，基體起著傳遞載荷、均衡載荷和固箝支持纖維的作用。只有纖維和基體兩者有機地匹配協調，才能充分發揮整體作用和各自的性能，即通常估算力學性能的混合律方可成立。值得指出，混合律還只是一個工程處理模式，切勿從混合律各組分所占的比例來判定各個組分所起的作用。這是因為紡織結構復合材料的工藝性、力學性能中的壓縮、彎曲、剪切、扭轉強度、對環境的溫度、介質相容性以及導電、傳熱等物理或化學性能主要取決于基體材料。研究表明，兩組分固化后組分之間受4種力的相互作用而固結成整體：其一，兩組分本身的內聚力；其二，在纖維表面的微孔隙被基體大分子滲透擴散而“釘牢”所產生的機械作用力·其三，包括氫鍵和范德華力在內的吸附力，其四，基體的化學基團與纖維表面化學基團起化學反應所形成的化學鍵的作用力。這是組分選擇和工藝方法選擇的第二個應考慮的因素。

基體的類型繁多，在選擇基體材料時，還必須考慮固化收縮率。例如環氧類、聚酯類和酚醛類樹脂的收縮率分別在1％-2％、4％～6％和8％-10％范圍內。收縮率越大意味著固化后產生的縮孔和微裂紋就越多，結果會降低紡織結構復合材料的力學性能。近年來，材料科學研究致力于減小基體的收縮率。通常的做法是在熱固性樹脂中填入熱塑性大分子，這樣既改善聚收狀態又提高結構材料的韌性。

總之，在紡織結構復合材料設計中，首先就是選擇纖維和基體的材料。選擇的依據是基于：產品所經受的載荷和環境(溫度、濕度，腐蝕和其它化學作用等)，產品結構特點及其功能要求，采用的預成型和固化技術；成本限制等因素。