高技术纤维材料（精选12篇）
高技术纤维材料 第1篇
1 使用纳米纤维过滤介质的航天器再循环水处理系统
作为地球上最宝贵的资源之一, 水在航天器上显得尤为珍贵, 据测算飞行器运行于低地球轨道水的成本大约为2.19万美元/L。在上述前提下, 应运而生了Disruptor纳米纤维过滤介质的净化技术, 其可以把航天员的汗液和尿液经过经过成为饮用水, 以供给航天员在飞行过程中的用水。
Disruptor的过滤介质采用了纳米纤维, 其构成主要是在金属网或细旦玻璃纤维网上下位附着氧化铝纳米, Disruptor拥有非常良好的过滤性能, 如果采用单层结构进行水过滤功能, 可去除99.99%的直径0.025μm的粒子;如果采用三层结构进行水过滤功能, 对相同直径粒子, 其去除率甚至可高达99.9999%。采用了纳米纤维的过滤介质不仅可以去除存在于水中的病毒, 还可以对DNA (脱氧核糖核酸) 和RNA (核糖核酸) 进行稳定吸收。
2 使用碳纳米纤维符合材料的锂离子电池电极
锂电池电极经过NASA航天电池研究团队多年研究后制造得出, 所采用的就是硅晶须与CNF的复合材料。其中CNF是采用单丝直径在100到200nm之间, 纤维长度在30到100μm之间。其所选用的是Pyrograf型碳纳米纤维。硅晶须使用VLS方法包覆在CNF上。VLS要经过一定的处理过程, 在500摄氏度、30Torr的压力环境下, 将四氢化硅混合气体的流速严格控制为每分钟80m L, 反应时间大约可设定为十分钟。锂离子电池的最高容量可达到1000m Ah/g。除此之外, 美国斯坦福大学历经了多年研究开发出了中空CNF符合材料的锂离子电池阴极材料, 即在中空的CNF内壁灌封硫化物, 让电池能够尽可能多地搜集多硫化物。这种电池的容量经实验显示会更加高, 可达1673m Ah/g, 其电化学循环特性也是比较良好的。
3 高强力/重量比纤维材料在航天领域的应用
经测算可知, 目前在地球轨道送入一颗卫星大约需要2万美元/磅的成本, 在美国航天飞机升空大约需1万美元/磅的成本。在此巨额成本消耗前提下, 就需要研究新材料和技术以完成保证航天器性能下功耗成本的降低, 近年来高强力/重量比的工程纤维成为高技术纤维开发的热点, 这与其可以有效减轻航天器的重量有很大的关系。这些高强力/重量比纤维材料也具备相关的技术特点:1) 聚合物材料的玻璃化转变温度为90摄氏度;2) 克重≥100g/㎡;3) 若纤维材料使用时间超过5年, 其保持率>85%;4) 就纤维来讲, 其强力与重量比≤1000;
目前研究的高强力/重量比的纤维主要设计有液晶纤维、聚对苯撑并双恶唑、超高分子量聚乙烯和芳香族聚酰胺等。其产品可以分为轻质挠性复合材料、中厚型挠性复合材料和重型挠性复合材料三个系列。超高分子量聚乙烯和聚对苯撑柄双恶唑纤维的强力/密度比是相当良好的, 就强力/密度比而言, 超高分子量聚乙烯为3.4, 聚对苯撑并双恶唑为3.8;就模量/密度而言, 超高分子量聚乙烯为53.2, 聚对苯撑并双恶唑为114.4。虽然其他复合材料的强力/密度比没有前两类高, 但是也举杯高性能纤维的基本特征。就重型挠性复合材料来讲, 其具有强力高、伸长低、抗撕裂能力良好和高抗破坏性冲击等优良性能, 多用于可充气压力构筑物、大型汽艇和挠性压力舱中。
4 碳纤维增强的复合材料材料在航天领域的应用
碳纤维是把有机纤维进行碳化和石墨化处理后而获得的微晶石墨型材料。其中在航空上主要应用到的是由碳纤维与环氧树脂结合形成的复合材料, 它具有比重小、强度高、刚性好、密度低、非氧化的条件下能耐超高温以及X射线的透过性很好等优势。在航天器构建的制作中得到广泛的应用, 在应用中可以减轻航天器的重量, 这样每减轻1公斤, 运载火箭就可以减轻500公斤。因此, 这种材料的应用大大减轻了航天器的负担。譬如美国航天飞机的3只火箭推进器关键部件以及先进的MX导弹发射管等构件, 都是利用碳纤维的复合材料制作的。
5 纺织材料在航空领域的应用
纺织材料在航空领域主要应用于降落伞、以及航天员的个体防护装备等方面。主要的纤维材料有天然的纤维如棉、蚕丝以及麻等;涤纶、芳纶、锦纶和高强度聚乙烯等材料。其中这些材料都具有密度小、抗老化、防辐射、耐高温、拉伸率高、防水、保温等优势, 这样的材料用来制作降落伞、航天员个体装备可以帮助航天员有效的适应太空高辐射等环境, 同时能够起到很好的保护作用。其中在降落伞、航天员的个体装备主要应用的就是锦纶、芳纶以及高强度的聚乙烯材料。
6 结论
航空航天工业对技术要求非常高, 虽然其风险和投入都较高, 但是也具备巨大的经济效益, 也体现了其重大的军事价值。我国作为航天工业大国, 有必要承担起提供高性能纤维及其复合材料的重任。加大对高技术纤维材料的开发与利用, 制造出更多品种、性能更好的材料, 并广泛的应用于航天、军事领域, 并通过突破技术障碍、提高材料的应用性来实行大规模生产与应用, 形成材料的市场化。这样不仅能够促进我国航天领域和军事领域的发展, 同时能够解决原材料短缺的问题, 在一定程度上能够带来很大的经济效益, 促进经济的发展。因此, 今后要加大对高技术纤维材料的研发并广泛应用于航天等领域, 为航天事业做贡献。
摘要：我国高速发展的航空工业, 使高技术纤维材料和复合材料得到了广泛应用, 本文将概括高技术纤维材料运用于航空领域的要求和特点, 并着重介绍纳米纤维及复合材料和高强力/重量比纤维材料在航空领域的具体应用和价值。
关键词：高技术纤维材料,纳米纤维,航天航空
参考文献
[1]芦长椿.从战略性新兴产业看纤维产业的发展 (三) 高性能纤维材料在航空航天领域的应用[J].纺织导报, 2012, 7.
[2]黎小平, 张小平, 王宏伟.碳纤维的发展及应用现状[J].高科技纤维与应用, 2006, 2.
碳纤维复合材料 第2篇
摘要:主要介绍了碳纤维复合材料的基本概述，并对它的一些结构性能、应用（主要在航空领域的应用）、发展，并分析了目前我国碳纤维复合材料的研究进展和应用前景。
关键字：碳纤维复合材料、碳纤维树脂基复合材料、碳／碳复合材料、结构性能、发展、航空领域。
1、引言
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的“比强度”。碳纤维属于聚合物碳，是有机纤维经固相反应转变为纤维状的无机碳化合物。碳纤维是一种新型非金属材料，它和它的复合材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小和热胀胀系数小等优异性能，碳纤维单独使用时主要是利用其耐热性、耐蚀性、导电性和其它性质。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP（即碳纤维复合材料）的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。目前，碳纤维不仅广泛应用军事工业，而且在汽车构件、风力发电叶片、核电、油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电缆以及建筑补强材料领域也存在巨大应用空间，而其在航空领域的光辉业绩尤为引人注目。
2、碳纤维的发展
碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。
我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。
3、碳纤维复合材料的性能及主要用途
由于碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。（1）碳纤维的化学性能
碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构，因此气孔率高达25％左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。（2）碳纤维的物理性能（a）热学性质
碳素材料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于一般固体物质与温度的依存性，从工业的应用角度来看，碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而变化（b）导热性质
碳素材料热传导机理并不依赖于电子，而是依靠晶格振动导热，因此，不符合金属所遵循的维德曼—夫兰兹定律。根据有关资料介绍，普通的碳素材料导热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美(c)电学性质
碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关，石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。
碳纤维的主要用途：
与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。
总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面
（一）航天领域
碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70％~80％，在军用飞机上占30％~40％，在大型客机上占15％~50％。（a）碳纤维树脂基复合材料 碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有质量轻
等一系列突出的性能，在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具有很大优势。碳纤维增强树脂基复合材料已成为生产武器装备的
重要材料。AV—8B 改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26％，使整机减重9％，有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22 为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。
直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部队并参加了2007 年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9 型直升飞机，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生产的OH-1 “忍者”直升飞机，机身的40％是用CFRP，桨叶等也用CFRP 制造。在民用领域，世界最大的飞机A380 由于CFRP 的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。这种飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP)。由于CFRP 的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损，从而大大减少了油耗和排放。燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%~20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。(b)碳／碳复合材料
碳／碳复合材料是以碳纤维及其制品（碳毡或碳布）作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个（即碳元素）,因而碳／碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点，如密度低（石墨的理论密度为2.3g/cm3）和优异的热性能,即高的热导率、低热膨胀系数,能承受极高的温度和极大的热加速率，有极强的抗热冲击,在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性，碳纤维增强基体的（C／C）复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，都会选用碳碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片，目前，国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。这种刹车副不仅质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长，更为方便的是可设计性强，性能便于调节。还可制作发热元件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。
（二）、其他领域 1)、高尔夫球棒
用CFRP制成的高尔夫球棒、可减轻重量约10一40％。根据动量守恒定律，可使球获得较大的初速度。另一方面．CFRP具有高的阻尼特性，可使击球时间延长,球被击得更远。2)、钓鱼竿
碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿比GFRP制品或竹竿都要轻得多，使其在撒竿时消耗能量少，而且撤竿距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好，刚性大，钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原，使其传递诱饵的感觉较为灵敏。现在已有商品销售，用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀，其重量不超过l40克，但它的疲劳强度高，耐摩擦，因而使用寿命长。3)、赛车
用石墨纤维长丝制成的管材可用来制造比赛车或通用自行车的车架,其特点是重量轻，比钢制架可减重50%左右，使自行车的总重量减轻15%。
碳纤维与玻璃纤维混合增强复合材料可用来制造越野赛汽车，它的特点是重量轻。用金属材料制造的同样车体的总重量为226.8公斤，用CFRP制造时为63.5公斤，用CF／GPRP制造时重量可减轻到31.8至36.5公斤。
在赛车领域，碳纤维复合材料最著名的运用无疑是F1车身。为了使重量保持最小，所有车队都广泛使用碳纤材料，而这些材料的强固性足以支撑车子的重量。
4.我国碳纤维复合材料发展现状
现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起高温分解并且碳化后得到的，还不能直接用碳或石墨来制取。
据了解，目前全球碳纤维产能约3.5万吨，我国市场年需求量6500吨左右，属于碳纤维消费大国。在以“高性能聚丙烯腈碳纤维制备的基础科学问题”为主题的第335次香山科学会议上，会议执行主席、国家自然科学基金委员会师绪院士指出，与国外技术相比，我国碳纤维领域还存在较大差距。2007年，我国碳纤维产能仅200吨左右，而且主要是低性能产品。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，目前国内企业尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。这就使得我国碳纤维在质量、技术和生产规模等方面均与国外存在很大差距，绝大部分高性能增强材料都长期依赖进口，价格非常昂贵。由于缺乏创新与集成和应用领域的拓展，极大地制约了我国碳纤维复合材料工业的发展。
余姚建设新型纤维材料产业基地 第3篇
该基地由中国化学纤维工业协会、中国纺织建设规划院与当地政府部门科学布局与深入探讨后才开工建设。余姚市招商局副局长武彦介绍，纤维新材料作为战略性新兴产业的重要组成部分，是化纤行业未来发展的战略制高点，也是行业发展新的增长点，余姚力求抓住发展机遇，实现错位发展。
他强调，在基地建设之初就与行业相关部门紧密联系，旨在为我国化纤行业的转型升级做出带头示范作用，力求做到科学统筹规划，避免盲目建设和粗放发展。
余姚地处江浙经济发达地区，同时也是传统的化纤产业发达地区，拥有良好的产业、市场和人才优势。在良好的背景下，武彦进一步向本刊记者阐述了“国家新型纤维材料生产基地”的基本情况。
定位差别化
TAweekly：请您具体谈谈基地的定位。
武彦：余姚国家新型纤维材料生产基地定位于服装、家纺用合成纤维的差别化产品、新型聚酯纤维、再生纤维、产业用纺织品的终端制品以及产业用纺织品专用纤维、生物质技术成纤材料和生物质纤维及原料。可以说，所涉及的项目均为化纤行业当下及未来发展的重点项目，符合行业的发展潮流趋势，市场需求空间巨大。
园区完全建成后，将成为全国范围内重要的新型合成纤维制造基地，以及主要的产业用纺织品集群之一，并成为东部地区生物质纤维产业培育中心，以及纤维新材料技术公共服务平台。
TAweekly：您如何分析我国纤维新材料产业的发展形势和竞争压力？
武彦：当前世界化纤产业已形成了具有五个层次的产业价值链，居于最高端的是美国、日本、西欧，中国处于中间。美国、日本和欧洲已经由常规化纤品种生产，转向发展高科技、高附加值产品，并已成为全球高新技术纤维及生物质工程技术的领先者和垄断者。韩国和我国台湾地区也正在逐步退出常规化纤生产，专项生产高附加值产品，并将部分产能向中国大陆或东南亚国家转移。
《化纤工业“十二五”发展规划》关于产业区域定位的思路十分清晰，东部地区重在产业整体转型升级。东部沿海地区应充分利用现有优势，以“优化结构、强化创新、增强服务、培育品牌”为原则，推进产业升级。重点引导产业向高端领域转移，发展高技术、高附加值、差异化产品，重点发展资金密集型、科技含量高的化纤及其下游产业用纺织品等。同时，严格控制常规产能的扩张，并适当地将生产环节转移到中西部地区。
实现错位发展
TAweekly：浙东竞争激烈，已有若干化纤产业园区和基地，相比之下，余姚的产业竞争优势如何？
武彦：首先，石化产业是宁波的优势产业，依靠镇海、北仑和大榭三大石化产业集聚区，宁波“十二五”期间将打造成具有较强国际竞争力的世界级石化产业基地，并力争形成550万吨PTA和100万吨MDI的生产能力。余姚隶属宁波，具备丰富的化纤原料优势。
另外，宁波的纺织、服装制造水平一直保持全国领先地位，纺织服装行业是宁波最富有竞争力的传统优势产业和支柱产业。此外，中国科学院宁波材料技术与工程研究所是中国科学院在浙江建立的首家国立研究机构，在碳纤维制备、低成本碳纤维复合材料结构件制造、超高分子量聚乙烯纤维等纤维新材料领域具备很强的研发与工程化实力。2011年，宁波材料所获得了中国化学纤维工业协会授予的“国家高性能纤维表征检测（宁波）基地”的称号，是我国推动高性能纤维市场化、产业化的重要力量。
但也应该看到，江浙两省是中国化纤产业最主要的集聚地区，化纤产量占据全国总量的70%。相对萧山、绍兴、桐乡、江阴等地，余姚化纤产业属于后发者，所以，我们基地的建设确立以差异化为整体战略，通过有针对性地选择产业链环节和主导产业，将园区与潜在竞争对手的差异化体现在“高技术、高附加值、低能耗、低污染和可持续发展”上，并以此来形成具备自身特色的竞争优势。
提供有力支持
TAweekly：请您谈谈基地目前的建设情况和特色？
武彦：基地西距杭州约100公里，北濒杭州湾，与上海市隔海相望，交通极其便利。基地规划面积达6230亩，目前配套设施已基本齐全，通讯、运输、水、电、气等都已到位。余姚经济开发区管理委员会为入驻企业提供从立项、审批、规划、建设等一条龙服务，在审批中实行的“一门受理、限时办结”并联审批制度以及全国领先的模拟审批，大大缩短了审批时限。
基地目前有6家企业签约落户，产品类型主要包括PBT树脂、PPT短纤以及多种产业用纤维，投资额逾50亿元。未来我们希望能引入实力雄厚、技术先进的国际龙头企业入驻，而对于那些技术含量高、带动作用明显、市场竞争力强、经济效益好的优势项目，我们还将在土地、立项、审批、资金等方面给予“一企一策”的待遇。
高技术纤维材料 第4篇
玻璃纤维增强复合材料(GFRP)具有密度低、比强度高和比刚度高等优良特性,在航空航天以及很多民用工业领域已得到广泛应用。由于装配和连接需要有精确的尺寸,纤维复合材料制品常常需要进行机械切削加工。复合材料在切削过程中的断裂与损伤机理非常复杂,因此在切削技术的研究手段上需要将断裂力学和损伤力学有机地结合起来,形成新的研究方法。
国内外学者对复合材料的切削性能进行了一系列研究。Koplev首先提出复合材料的切屑形成过程是材料断裂过程的观点[1],随后国内外学者对碳纤维复合材料的切削加工进行了研究。日本大阪大学的花畸伸作等[2]认为:在碳纤维的切削加工中,碳纤维被切断的原因主要是由于刀具前进引起的垂直于纤维自身轴线的剪切应力超过其剪切强度极限。北京林业大学的张厚江等对单向碳纤维的切削机理进行了理论分析研究,并给出了切削力的理论计算公式[3,4]。印度的G. Venu Gopala Rao[5,6]、澳大利亚的Mofid Mahdi等[7]对复合材料加工过程的切削力进行了微观建模研究。以上研究大多以碳纤维复合材料的切削为研究对象,但对玻璃纤维复合材料的加工质量控制和材料损伤机理的系统研究尚未见相关报道。笔者在对玻璃纤维复合材料进行系统切削加工研究[8,9,10]的基础上,以单向玻璃纤维复合材料直角切削为研究对象,对复合材料切削技术进行了进一步研究。
1 实验
本试验所用材料为3.7mm厚的单向玻璃纤维复合材料板,板材由威海光威复合材料有限公司生产的单向玻璃纤维预浸料模压成型,预浸料型号为G600 32,环氧树脂含量约为32%,固化温度为130°,固化压力为10MPa。在立卧复合铣床X6532上进行直角切削试验。图1为切削力测试系统示意图,图中θ为纤维方向角,0~90°为顺切,90~180°为逆切。试件的切削试验条件如表1所示。试件尺寸为40mm×7mm×3.7mm,切削刀具采用高速钢,切削刃宽度为8mm。通过改变纤维方向角来测试切削力的变化,采用触针式表面形貌仪测量已加工表面的粗糙度,以扫描电镜作为观测仪器,观察和分析加工表面的损伤和纤维的断裂机理,研究材料的切削性能。
2 结果分析
2.1 切削力测试结果分析
图2为根据测试结果绘出的切削深度为0.04mm、切削速度为0.58m/min时不同刀具前角情况下纤维方向角与单位厚度水平切削力的关系曲线。由图2可以看出,在顺切范围内,随着纤维角的变化,顺切开始时力稍微降低;当纤维方向角达到30°时切削力达到最低;随后,切削力逐渐变大,但变化不明显;在逆切范围内,随纤维方向角的增大,切削力变化剧烈,并呈现先升后降的变化规律,在120°纤维方向角处最大。
分析认为:在顺切过程中,当小纤维方向角切削时,刀具对纤维的作用主要是后刀面与纤维摩擦造成的纤维拉伸断裂,故切削力相对较大。当纤维方向角约为30°时,拉伸作用减小,前刀面对材料的剪切作用逐渐沿纤维方向滑移,故切削力减小。随着纤维方向角的增大,切削刃对纤维的切断作用增加,前刀面所受的压应力增加,因此切削力增加。总之,在顺切情况下,刀刃切入时基体材料首先破裂,纤维在切削力的作用下受拉伸和剪切联合作用而断裂,已加工表面损伤较小,加工过程所消耗的能量较小,因此与逆切相比,顺切所需的切削力较小。逆切情况下,随着刀具的向前运动,刀具前方的纤维束弯曲变形由小逐渐变大,纤维和基体界面的应力集中处产生微裂纹,微裂纹进一步发展造成微区脱粘,使纤维产生层间滑移和分离,从而耗损较大的能量;被分离的部分材料继续弯曲变形,当弯曲应力超过玻璃纤维增强复合材料的弯曲强度极限时,材料沿最大弯曲应力处与其周围基体一起断裂,断裂过程包括了基体裂纹沿垂直于纤维方向的扩展、纤维断裂和纤维的拔出等过程。这种切削过程包括了弯曲变形、剪切变形和材料内部微观裂纹的扩展,比顺切情况下材料在切削力作用下仅发生拉伸和剪切变形所消耗的能量要大得多,因此所需的切削力也大得多。
2.2 已加工表面粗糙度测试结果分析
采用触针式XM-200型表面形貌仪对单向玻璃纤维复合材料直角自由切削试件已加工表面的粗糙度进行接触式二维形貌测量。图3为不同切削速度下纤维方向角与表面粗糙度的关系曲线。由图3可见,表面粗糙度Ry随纤维方向角的变化变动也较大。在θ≤90°时,粗糙度值较小,尤其在90°时值最低;在θ>90°时,表面质量很差。图3还表明,切削速度越快,粗糙度变化趋势越大。因为切削温度随切削速度的加快而升高,切削温度的升高加剧了粗糙度的增加,因此,不同的纤维方向角决定了粗糙度随切削速度变化的趋势,而切削速度又决定了这一变化的幅度。
2.3 材料损伤与表面微观结构分析
图4为纤维角在0°、45°、90°和150°时复合材料已加工表面的SEM照片。由图4可以看出,纤维方向角为90°时纤维断口平整,表面质量理想。在刀具切削刃对复合材料的推挤作用下,纤维承受垂直于纤维自身轴线方向的剪切应力,当该应力超过纤维剪切强度极限时,由于纤维在垂直纤维方向的抗剪切强度较低,纤维被切断,因此纤维的主要断裂形式为剪切断裂。在切削过程中,材料变形很小,刀具切削刃通过后形成平整的断口,表面较光滑。
150°时表面有多个纤维束集体断裂留下的较大空洞,表面质量较差。由于切削方向不是纤维剪切强度最低的方向,加工过程中刀具的作用使纤维和基体产生损伤,纤维与基体脱胶分离。损伤向纵深处扩展,出现裂纹。裂纹扩展方向偏离切削方向,断裂时形成较大空洞。另外,由于纤维与基体脱胶分离的出现,被加工过的表面出现大量的损伤和裂纹,加工表面层材料的强度降低,表面粗糙度差。
0°时表面纤维呈现层次不规则断裂,有些纤维断裂后成段残留在表面,纤维周边有树脂残留。分析认为由于树脂的强度和模量均较小,所以在切削刃的作用下基体相首先出现裂纹,然后表层纤维在界面应力作用下拉断,呈现沿0°方向分段断裂状态。观察发现,已加工表面的高低点差值为一个纤维直径。
45°时属于顺切情况,纤维在刀刃的直接切断作用下断裂。由于断裂面下侧纤维的支持作用,切断端面偏离切削方向的距离较短,尽管刀刃对纤维的拉伸作用使断裂位置参差不齐,形成单根纤维的微小空洞,但没有出现纤维束集体断裂的大空洞,已加工表面损伤较小,表面粗糙度较小。
3 结论
(1)在切削过程中,纤维方向角是影响加工表面完整性和切削性能的关键因素。θ=90°时为一临界点,超过此点,表面破坏严重,切削力急剧增加,切削性能差。
(2)切削速度越快,加工表面质量越差。随着切削速度的加快,粗糙度变化趋势变大。
(3)单向玻璃纤维增强树脂复合材料已加工表面的纤维断裂形式不同:90°以剪切为主;顺切以拉伸和剪切变形为主;逆切以弯曲和剪切变形为主,其中剪切区域表面质量较好,为表面加工质量的研究指明了方向。
参考文献
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碳及碳纤维复合材料 第5篇
碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为：Carbonium，意为“煤，木炭”。汉字的“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成，从“炭”字音。
碳是一种非金属元素，无臭无味的固体?。无定形碳有焦炭?，木炭?…等，晶体碳有金刚石和石墨。冶铁和炼钢都需要焦炭。在工业上和医药上，碳和它的化合物用途极为广泛。
碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛地存在于大气和地壳之中。
碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。
碳也是生铁、熟铁和钢的成分之一。
碳单质很早就被人类认识和利用，如：金刚石、石墨（如：铅笔芯、干电池芯）…等。
碳纤维(carbon fiber)，碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。
碳材料主要有：碳碳复合材料、碳纳米材料、碳纤维材料、新型碳材料?…等。
低碳材料（Low Carbon Materials）：意指能够在确保使用性能的前提下降低不可再生自然原材料的使用量。制造过程低能耗、低污染、低排放, 使用寿命长，使用过程中不会产生有害物质，并可以回收再生产的新型材料。
低碳材料在生产、使用全过程实现节能减排，是可持续和面向未来的材料。
在复合材料的大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
结构
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。
碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
碳纤维作为一种高性能纤维，因具有比强度高、比模量高、热膨胀系数小、摩擦系数低、耐低温性能良好…等特性而成为近年来树脂基复合材料最重要的增强材料。
用途
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷…等基体复合，制成结构材料---碳纤维增强环氧树脂复合材料（碳纤维树脂），其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
现在的F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
人造卫星和飞机部件都需碳纤维：据了解，碳纤维材料是一种具有很高强力和模量的耐高温纤维，是化纤的高端品种。用碳纤维制造的复合材料具有质地强而轻、耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀等众多优点。碳纤维复合材料中的CFRP“碳纤维增强塑料”则更是具有一般材料无法比拟的特性：它的比重是铁的五分之一，强度却是铁的10倍，刚性是铁的7倍，抗疲劳强度是铁的2倍。同时，还具有热膨胀系数小、导电性强、耐振、耐水、耐腐蚀、不易生锈、拉伸强度和抗压强度大，韧性优异等特点。
“正是因为碳纤维有这么多的优点，所以它既能用来制造航天飞机，也能用来作为iphone等高端手机的外壳。”日本超级树脂工业株式会社营业部(相当于中国企业的业务部)部长古闲森淳告诉记者。诸多优点使碳纤维复合材料被广泛应用于机械、航空航天、船舶、压力容器、医疗设备、建筑材料、机车赛车、风电叶片、油田开发、体育娱乐用品等民用以及军事领域。
在这些领域，碳纤维都可以取代金属，我们熟知的波音747客机，50%以上的材料为碳纤维，这种轻便材料的采用，可节省大量燃油。未来，汽车、赛车、摩托等零部件也将实现碳纤维材料的替换。中国科学院先进材料领域战略研究小组在就中国先进材料研究的未来方向的探讨中也提到：“2020年，高性能碳纤维主要应用于大型飞机、宇宙飞船、风力发电用叶片等领域。”
碳纤维复合材料的现实应用主要有以下几个方面：
(1)宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层;卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件;航天飞机机头,机翼前缘和舱门等制件;哈勃太空望远镜的测量构架,太阳能电池板和无线电天线。
(2)航空工业用作主承力结构材料,如主翼、尾翼和机体;次承力构件,如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等,此外还有C/C刹车片。
(3)交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件;船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇,以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆;海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。
(4)运动器材用作网球、羽毛球和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。
(5)土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。
(6)其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐;催化剂,吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。
优势
1、高强度（是钢铁的5倍）
2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)
3、出色的抗热冲击性，抗热冲击和热摩擦的性能优异。
4、低热膨胀系数(变形量小)
5、热容量小（节能），比热容高，能储存大量的热能，导热率低。
6、比重小（钢的1/5，密度1.7g/cm3左右），在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200℃时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。
7、优秀的抗腐蚀与辐射性能，8、耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。
目前世界上最轻的固体材料——碳海绵
2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的课题组制造出一种超轻物质，取名“碳海绵”，这是一种气凝胶，世界上最轻的一类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。
“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。
2011年，美国科学家合作制造了一种镍构成的气凝胶，密度为0.9毫克/立方厘米，是当时最轻的固体材料。把这种材料放在蒲公英花朵上，蒲公英茸毛几乎没变形。高超课题组这些年一直从事石墨烯宏观材料的研发。他们用石墨烯制造出了气凝胶——“碳海绵”。“碳海绵”每立方厘米重0.16毫克，比氦气还要轻，约是同体积大小氢气重量的两倍。从当时公开的报道看，“碳海绵”是世界上最轻的固体。
这种“碳海绵”是用石墨烯制造的，研究称它可以用来处理海上原油泄漏事件，还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。
“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。现有吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”能吸收250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。
“碳海绵”这一特性可用来处理海上原油泄漏事件——把“碳海绵”撒在海面上，就能把漏油迅速吸进来，因为有弹性，吸进的油又挤出来回收，碳海绵也可以重新使用。
另外，“碳海绵”还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。
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参考网址：
碳纤维世界
中国碳素材料网
中国碳纤维网
复材在线
高技术纤维材料 第6篇
摘 要：随着人们对环境问题的重视，利用农作物秸秆纤维作为增强体来制备复合材料越来越引起人们的重视。本文叙述了秸秆纤维、纤维复合材料概念和分类，对包括木塑复合材料、秸秆纤维、树脂基复合材料和秸秆纤维、水泥基复合材料在内的几种典型的秸秆纤维增强复合材料的研究现状做了详述，并对秸秆纤维增强复合材料的应用发展前景进行了展望。
关键词：农作物秸秆；秸秆纤维；复合材料
中图分类号： TQ323.4 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-60-2
0 引言
我国是农业大国，农作物秸秆资源非常丰富，每年包括玉米、小麦、稻草、棉花秸秆等在内的农作物秸秆产量可达数亿吨[1]。但这些丰富的秸秆资源却未得到很好的利用，目前的利用率只有约10%左右，而这其中的大部分又都是通过制造有机肥、直接还田、作动物饲料和作燃料等这些不加任何处理的方式低效率利用，经技术处理后利用的仅占2.6%[2]。其余60%多的秸秆均被作为废弃物直接焚烧掉，这不仅造成了自然资源的严重浪费，而且造成严重的空气污染，恶化的人类生存环境，因此，秸秆的处理急需一种更为有效的利用方法和途径。利用农作物秸秆来制备一些新型复合材料既可以有效利用农作物秸秆资源，又可减少环境污染，也是附加值非常高的一种秸秆处理方法，因此利用秸秆资源制备秸秆纤维复合材料已经成为秸秆处理研究的热点之一。为此，本文就秸秆纤维增强复合材料的研究进行了综述。
1 秸秆纤维
秸秆作为农作物的副产品，具体可分类为经济作物秸秆（油菜秆、麻秆、芦苇秆、棉花秆、豆类秸秆）和粮食作物秸秆（麦秸秆、谷类作物秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、高粱秸秆）[3]。秸秆纤维是将秸秆材料通过化学方法和物理机械处理的方法，得到稳定和细化后的纤维素纤维，秸秆纤维自身就是一种复合材料。一般来说，秸秆纤维的表面处理要采用两种方法：物理方法与化学方法。物理方法包括表面原纤化处理以及放电处理。化学方法有碱化处理、酯化处理、接枝改性、浸渍处理、涂层处理等。
2 纤维增强复合材料
凡是由两种或两种以上性质差异的原材料， 通过某种工艺方法形成的多相材料（各相间存在有明显的界面）都可称为复合材料。复合材料两个显著的特点分别是：材料的可设计性，就是按不同的性能需求进行材料的设计与制造。另外一个就是材料与结构件的一致性 。纤维增强复合材具有高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳等特点。
复合材料的加工方法常用的有三种方法：①传统的加工方法或改进后的传统加工方法；②水力喷射加工；③激光加工。
3 典型秸秆纤维增强复合材料
3.1 秸秆/橡胶复合材料
秸秆/橡胶复合材料是将秸秆进行粉碎处理后，将其粉末填充于天然橡胶或丁腈橡胶基体里而制备的复合材料。相关的研究表明，将天然橡胶加入秸秆后门尼粘度会增大、流动性会下降，而且加工流动性也会变差，秸秆/天然橡胶复合材料的门尼粘度与秸秆用量成正比。而在机械性能方面，秸秆对天然橡胶（NR）一般只是起填充作用，对材料的机械性能影响不大；而对丁腈橡胶（NBR）而言，秸秆纤维的加入材料的强度和硬度提高，即具有一定的补强作用。用硅烷偶联剂对秸秆纤维进行处理后，或对秸秆纤维进行碱化处理后都可以明显提高秸秆纤维/橡胶复合材料的力学性能。在天然橡胶中加入秸秆纤维后，所得复合材料的耐热老化性能相较于天然橡胶本身在一定程度上有所降低。
3.2 木塑复合材料
木塑复合材料（wood plastics composites，WPS）是一种绿色环保型复合材料。主要是用热塑性聚合物（如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等）为基体，秸秆纤维或木粉为填料即增强体的复合材料。
木塑材料的研究最早开始于美国，至今已有几十年的历史，1997年加拿大Onyx公司首批生产线生产，现在国外目前大批生产主要集中在美国、加拿大、日本、俄罗斯、乌克兰、保加利亚。国外的研究主要集中在对木粉复合材料的预处理、增韧和增强复合材料以及吸水性复合材料。在我国，木塑复合材料始于福建林学院于20世纪80年代中期开始的研究，相比较国外起步较晚。1999年形成较为完整的工艺生产线，安徽蒙城县铝塑型材有限公司与蒙城县铝塑研究所合作研究完成了国内第一家大规模的木塑复合材料生产线。目前，国内一些生产技术比较先进的木塑公司产品已经赶上甚至超过国外，前景十分光明。 木塑材料的应用主要在这几个方面：建筑结构的部件、汽车内饰部件、室内外装修材料等。
3.3 秸秆纤维/PBS复合材料
秸秆纤维/PBS复合材料是以聚丁二酸丁二醇酯（PBS）为基体，麦秸秆纤维、稻草秸秆纤维以及竹纤维为增强体合成的复合材料。主要工艺方法：熔融共混法、热压成型法。
Yang-Zhao运用热压成型法制备了稻草秸秆纤维/PBS复合材料，其优点在与不仅提升了复合材料的综合力学性能，复合材料的吸水性也大大降低了。张敏[8]对玉米秸秆采用水煮处理后与PBS共混制备出了玉米秸秆纤维/PBS复合材料，其力学性能大幅度的提高。
秸秆纤维/PBS复合材料目前的应用领域是非常广泛的，包括：餐饮（如饭盒、一次性果盘等）、医药（药瓶、药品包装袋、生物医用高分子材料等）、农业（农用地膜、水果蔬菜套袋等）生活（化妆品瓶等）。
3.4 秸秆纤维/水泥基复合材料
秸秆纤维水泥基复合材料就是将农作物秸秆（如小麦秸秆，玉米秸秆、高粱秸秆等）掺入到水泥中共混得到的复合材料，其具有轻质、隔热保温、吸声、节能环保的优点。
秸秆/水泥基复合材料具有很长的使用历史。张琳等 通过对小麦秸秆纤维水泥基复合材料进行性能测试发现：对小麦秸秆做碱液处理后可降低小麦秸秆纤维中溶出物水泥化影响，增强水泥硬化程度，提高综合力学性能。
秸秆/水泥基复合材料主要应用于建筑领域。
3.5 秸秆纤维增强脱硫石膏墙体材料
秸秆纤维增强脱硫石膏墙体材料是既经济又环保的新型材料。以稻草秸秆玉米秸秆作等作为增强体得到的。吴其胜对其制备与性能进行了研究，他发现：在抗压强度、抗折强度以及保温性能方面较普通脱硫石膏墙体材料都有了很大的提升与改善。
4 秸秆纤维增强复合材料的应用
秸秆纤维增强复合材料以及其制品在以下一些方面的应用：
①建筑和土工材料：由于秸秆纤维增强复合材料具有比重小，隔热、隔音性能好，在广泛用作建筑工程材料。秸秆纤维水泥基由于具有较高的抗裂性能，因此可用作建筑承重墙的材料；秸秆纤维石膏复合材料可作为建筑墙体的墙面材料和顶部装修材料；而木塑复合材料则在建筑业中应用更为广泛，可用于室内外的多种建筑材料，如：室内地脚线、吊顶板材、门窗的框套等。另外，秸秆纤维增强复合材料还可用于围护栏、门窗型材。还有正在研究并初步应用的，如：百叶窗、墙板等。孙成栋采用水泥作为胶结料，木质纤维用农作物秸秆替换，然后添加特种的复合添加剂，生产出一种秸秆纤维填充水泥复合板，已取得了不错的成效。
②其他方面：隔音板、绝缘板、抗腐蚀板材。将秸秆纤维与废旧轮胎颗粒复合制造出了建筑绝缘复板，经过测试性能，发现其具有良好的隔音性、绝缘性、强耐腐蚀等性能，能够用来替换建筑行业所用的的绝缘材料；电池隔板、某些有特殊功能的填充原料与元件，例如保温、密封、耐高温、防紫外线等。
5 结语
增强复合材料已经成为复合材料领域新的研究热点与重点。但仍旧存在有一些问题需要继续研究克服的。首先，作为增强体的秸秆纤维的制备及其表面处理技术已无法满足需求，要研制出综合性能稳定可靠的秸秆纤维增强体秆纤维复合材料那就必须更新工艺，更好的处理秸秆纤维。再者，成型工艺与生产设备也是需要不断更新的。决定复合材料的性能、成本的关键技术就是成型工艺与生产设备。最后，就是怎样能够更好地制备出可完全生物降解秸秆纤维复合材料。只有这样才能够使其成为真正意义上的“绿色材料”。秸秆纤维增强复合材料具有的可回收和可降解等优良性能，将会满足未来社会的各个领域，尤其是在环保领域的发展潜力。新工艺与新品种的出现姜维秸秆纤维增强复合材料的发展带来更大的发展前景。
参 考 文 献
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高技术纤维材料 第7篇
关键词：芳纶纤维,复合材料,卫星通讯
以碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、硼纤维为代表的高性能纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域日益受到青睐。先进复合材料的用量已经成为航空航天技术的先进性标志之一。近些年来,随着卫星通讯技术的高速发展,天线类设备在精度及稳定性的提高和重量控制等方面提出了更高的要求,而材料的选用对这些性能的影响至关重要。因此先进复合材料已成为制造高性能天线设备的最佳选择。
芳纶纤维复合材料具有优异的力学性能、耐老化性能、电绝缘性能以及较低的介电常数和线膨胀系数,在卫星通讯技术领域中应用前景广阔。如雷达天线罩,双栅天线反射器、频率选择反射器、天线支撑结构件等方面已得到了广泛的应用。
1芳纶纤维的性能特点
芳纶纤维是芳香聚酰胺纤维的简称,它是以芳香族化合物为原料经低温缩聚纺丝制成的一类新型合成纤维。芳香聚酰胺的分子链具有良好的规整性,因而芳纶纤维具有高度的结晶性。由于连接酰胺基的是芳香环或芳香环的衍生物,使得高聚物分子链柔性减小而刚性增加。这种刚性的集聚状分子链,在纤维轴向是高度定向的,分子链上的氢原子将和其它分子链上的羰基结合成氢键,形成高聚物分子间的横向联结,分子间排列十分紧密,在单位体积内可容纳很多聚合物分子,从而使纤维具有很高的模量和强度。此外,由于苯环结构环内电子的共轭作用,使纤维具有化学稳定性,又由于苯环结构的刚性,使高聚物具有晶体的本质,因而,芳纶纤维高温状态下具有良好的尺寸稳定性[1]。这些优异的性能使其能够应用于航空航天结构件中,并且成为高性能复合材料中用量仅次于碳纤维的另一种新型材料。
2芳纶纤维的品种
芳纶纤维首次商品化是在1972年,定名为Kevlar。1974年由美国贸易联合会命名为“Aramid fibers”,在我国通称芳纶。芳纶纤维有两类[2]:全芳纶和杂环芳纶。
目前在复合材料中得到普遍应用的主要是全芳纶,根据其高聚物的结构形式和性能特点分为两种:聚对苯二甲酰对苯二胺和聚对苯甲酰胺纤维(对位芳纶)、聚间苯二甲酰间苯二胺和聚间苯甲酰胺纤维(间位芳纶)。对位芳纶主要的生产商是美国杜邦公司,其商品有通用型Kevlar29、低弹性模量型Kevlar119、高强度型Kevlar129、高弹性模量低吸水型Kevlar149、高弹性模量型Kevlar49。除此之外,国外同类纤维还有荷兰恩卡公司的Twaron、前苏联的Apmoc和CBM、日本帝人的Technora。我国也在1981年通过了芳纶14的鉴定,1985年又通过了芳纶1414的鉴定,他们分别相当于美国杜邦公司的Kevlar29和Kevlar49。目前商品化的间位芳纶较少,主要的产品有美国杜邦公司的Nomex、日本帝人的Conex、俄罗斯的Fenelon、中国的芳纶1313。各国芳纶纤维的性能比较见表1[3,4]。
3芳纶纤维复合材料在卫星通讯技术中的应用
3.1雷达天线罩
雷达天线罩从使用角度来讲,具有功能件和结构件的双重作用,其材料要求具有优异的力学性能、较低的介电损耗和比重等要求。以往的雷达天线罩主要采用玻璃钢层压板及玻璃钢蜂窝夹层结构。地面使用的小型雷达天线罩多采用玻璃钢层压结构,而大型的雷达天线罩在减轻结构重量的同时为了满足力学性能要求,则是较多地采用了玻璃钢蜂窝夹层结构。
自芳纶纤维问世以来,国内外均开展了用芳纶及其织物增强树脂基复合材料研制雷达罩的工作[5]。如美国赛斯纳飞机公司的“奖状”飞机的雷达罩,加拿大飞机制造公司的“挑战者”飞机雷达罩,都是用Kevlar纤维增强树脂复合材料制造。
3.2双栅天线反射器
双栅天线由两组馈源与两个反射面组成,其栅网前反射面有两个作用:作为一个反射面,反射极化与其栅条方向平行的波;另一作用则是透过垂直于栅条方向的波。因此,芳纶纤维增强树脂基复合材料成为制造栅网前反射面的首选材料。其制造工艺的关键技术难点在于复合材料介质上金属栅条的成型和反射面型面精度的控制。
美国劳拉公司采用铜丝铺设成型双栅反射器,日本三菱公司采用CAD辅助修型和栅网膜粘接成型双栅反射器,法宇航采用薄膜腐蚀栅条粘接成型双栅反射器,阿尔卡特公司采用金属镀膜化铣法成型双栅反射器,德国原MBB公司采用真空镀膜和激光刻蚀法成型双栅反射器,这些方法成型双栅反射器型面精度RMS在0.2-0.4 mm内。
国内也开展了该技术研究。由中国航天科技集团公司第五研究院西安分院设计、中航飞机西安飞机分公司复合材料厂承制的“委星1号”、“鑫诺6号”通信卫星分别于2008年10月和2010年9月在西昌卫星发射中心发射成功。这两颗卫星上装有口径分别为1.6米和1.4米的双栅天线栅网前反射面也是采用了芳纶纤维复合材料蜂窝夹层结构,其铺层结构如图1所示,金属栅条铺设在内蒙皮的两层芳纶预浸布之间。制造过程中采用了铜丝铺设粘接成型法,并通过特殊的固化工艺,研制的双栅天线反射器组合后型面精度RMS为0.40mm,达到了国际先进水平。
3.3频率选择反射器
频率选择反射面(Frequency Selecting Surface,简称FSS)是一种具有特殊性质的周期性金属图案的介质板,它可以在一定频段上全透过电磁波,而在另一频段上全反射电磁波[6],其结构如图2所示。
美国的跟踪与数据中继卫星(TDRSS)系统双频反射面跟踪天线是一个典型的应用实例。该天线由一个大型网状主反射面和一个具有双色性(即具有频率选择性)的副反射面以及分别处于副反射面两边的Ku波段和S波段的馈源构成。频率选择反射面雷达罩在美国已投入工程应用,先是应用于导弹,后又应用于飞机上。美国轻型喷气运输机C-140和第四代战斗机F-22都使用了这种机头雷达罩。欧洲空间局(ESA)1986年成功研制了口径1.1m、重4.5Kg的蜂窝夹层结构频率选择副反射器,用于为卫星通讯和数据传输。
中航飞机西安飞机分公司复合材料厂承制的F卫星自适应调零天线也应用了频率选择副反射器,是采用Kevlar49-120芳纶纤维预浸料蒙皮-Nomex蜂窝芯夹层结构,并通过真空镀膜技术在反射面上形成一层铝膜,再进行激光刻蚀,得到特定排布要求的金属阵列。T卫星上使用的频率选择副反射器则是在芳纶纤维预浸料蒙皮-Nomex蜂窝芯夹层结构反射面上粘贴覆铜聚酰亚胺薄膜,从而实现反射面表面金属化,但这种方法得到的金属阵列精度相对较低。
3.4天线支撑结构件
芳纶纤维复合材料具有优异的比强度、比刚度以及热稳定性,可用于制造天线工程中的结构件。同时,芳纶纤维复合材料为绝缘、透波材料,作为结构件使用时比碳纤维复合材料更为有利。
我国的F、T等多个卫星中均使用了芳纶纤维复合材料结构件,如副反射器支撑杆、反射器连接环、反射面支撑、馈源支撑等。
由于芳纶纤维质地柔软,具有良好的抗冲击韧性和耐磨性能,可用普通的纺织机加工成各种织物。另外,在轻型构架天线中,芳纶纤维也可与其他的高性能纤维进行混杂,充分发挥各种纤维的优势,克服缺点,达到最佳性能。如芳纶纤维可用于对碳纤维织物进行法向缝纫增强,以达到改善碳纤维抗冲击韧性的目的。
4结语
由于芳纶纤维复合材料具有优异的比强度、比刚度、耐老化性能、电绝缘性能以及较低的介电损耗和线膨胀系数等优点,在卫星通讯技术领域具有重要的应用前景。但是在进一步扩大其应用的过程中,有几个亟待解决的关键技术问题。
首先,与国外同种类型芳纶纤维相比,国产芳纶纤维的性能仍存在一些差距,且规格较少,可供设计选择的余地很小。其次,芳纶纤维表面黏附性及浸润性很差,不能与树脂形成稳固的界面相,导致芳纶纤维树脂基复合材料具有较低的层间剪切强度,受到载荷时易发生分层。再次,芳纶纤维复合材料的硬度低、韧性好、层间结合力差,导致其构件机械加工性能差,使用普通机床进行边缘切割或制孔时,若选用的刀具或加工参数不合适,会使切割边出现分层、拉毛、烧焦等缺陷[7]。
为了加速推进芳纶纤维复合材料在卫星通讯技术领域的应用进程,在尽快解决上述三项关键技术问题的同时,材料开发机构还应进一步扩大与航空航天等工业单位的合作,加快实验结果向实际生产的转化。
参考文献
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[6]方芳.频率选择表面天线副反射面研制[J].电子机械工程,2009,25(5):41.
高技术纤维材料 第8篇
关键词：碳纤维复合材料,应用,无损检测技术
随着当今科学技术的告诉发展, 对材料的要求越来越高, 由单一物质构成的材料已经无法满足人们的要求, 因此由两种及两种以上的物质构成的复合材料逐渐成为当今人们关注的焦点, 并在各个行业展现出了不可估量的发展前景。在大力提倡智能环保的今天, 开发高性能、高附加值的复合材料成为复合材料发展的必然趋势, 碳纤维复合材料作是一种先进复合材料, 对其研究不可忽视。
1 碳纤维复合材料
碳纤维复合材料是由两种或两种以上不同元素、不同形装、不同性质的物质复合形成的新型材料。各种物质在性质和功能上能够互相补充互相弥补, 增强物质的功能和效应, 使碳纤维复合材料的总体功能和性质比组成物质优越, 并且能够满足各种不同的场合和场所的要求。碳纤维复合材料在军事领域的应用有导弹发动机的壳体、民兵系列发动机的喷管扩张段等, 国外先进战略、战术固体火箭发动机等方面都有较多的应用, 是因其较高的比强度、比模量。碳纤维复合材料除了在军事领域有应用外, 在民用领域也有很多应用, 如飞机的外壳构件、动车组的刹车系统、汽车的复合材料结构件、汽车的高性能碳纤维轴承、渔杆、滑雪板、球拍等。由于碳纤维生产成本的逐步下降和生产规模的扩大, 其应用也必将迅速扩大, 如新型电极材料、增强混凝土、新型取暖装置乃至日常生活用品等方面。同时对其质量和性能的要求也会提高。
2 无损检测
所谓无损检测, 就是在不破坏被检测物质原来的形状和大小、不改变被检测物质的性质和功能的基础上, 对物质的结构和功能进行检测, 并能够保证被检测物质的可靠性和安全性的检测技术。该技术是利用声、光、热、电、磁等对物质内部结构、存在的缺陷、造成的损伤和物质的质量等进行检测, 并达到对物质的判断和评价。
3 无损检测技术在碳纤维复合材料检测中的应用
碳纤维复合材料在生产工艺过程中, 碳纤维复合材料在生产制造和使用过程中之所以存在缺陷和遭受损伤, 是由于受到碳纤维的形状和大小不规则、制作过程中的化学反应速率、各种元素的占有量、结合用的树脂的用量和粘度等的影响。为了更好地利用碳纤维复合材料, 在使用前和使用中都要能够实施对其检测, 因此无损检测技术成了不可缺少的检测方法使其应用到碳纤维复合材料的检测中。
碳纤维复合材料制成后的损伤和缺陷的检测是非常重要的, 这样不仅能检测出碳纤维复合材料的损伤和缺陷的所在, 还能检测和评估其性能的好坏。无损检测方式很多, 针对碳纤维复合材料不同的损伤和缺陷形式, 应采用不同的无损检测手段。碳纤维复合材料表面有裂纹与损伤可用目视法, 表面贯穿裂纹与分层可用渗透法, 内部缺陷检测, 厚度测量, 材料性能表征可用超声波法, 表面微裂纹、孔隙、夹杂、贫胶、纤维断裂等可用X射线法, 载荷试验过程中的裂纹产生与扩展可用声发射法, 胶接构件可用激光全息法, 不同的检测方式都有其优缺点。
无损检测技术被应用到碳纤维复合材料的损伤和缺陷的检测中的方法有超声波检测法、X射线检测法、声发射检测法。无损检测技术是一门应用型技术学科并建立在现代科学技术基础之上, 它具有较强的工艺性或操作性并着重于科学技术的具体应用, 。操作过程的熟练程度, 在检测结果的准确性方面有很大程度的决定作用。
4 碳纤维复合材料的超声波检测
超声波是可以检测但是人耳却听不到的声波, 频率范围在20KH-103MHz之间, 它在介质中可以传播、反射、折射、干涉、衍射、转换波形。超声波检测是利用声波的传播、反射、折射、干涉、衍射、转换波形等特性实现超声波探伤的目的。若要实现探测缺陷的大小和位置可根据超声波在被检测材料中的衰减、反射与共振的情况来判断, 若要实现探测缺陷的类型可根据超声波在被检测材料中的传播的情况和实际探伤经验来判断。超声波在检测复合材料构件缺陷的同时, 也能检测复合材料构件的质量, 这对复合材料构件应用的安全性提供了保障。超声波检测可以分为反射法和穿透法, 对于由碳纤维复合材料制成的大型结构的构件在检测时赢采用水喷穿透法和水喷脉冲反射法, 对于由碳纤维复合材料制成的较厚结构的构件在检测时赢采用直探头脉冲反射法, , 对于由碳纤维复合材料制成的薄的曲率不大的构件在检测时赢采用带延迟块的直探头脉冲反射法, 对于由碳纤维复合材料制成的平面层压板在检测时赢采用带延迟块的直探头脉冲反射法。
碳纤维复合材料无损检测中应用的最为广泛的无损检测探伤方法之一超声波法, 已经有很多人在这方面做出了研究。许有昌利用超声波检测对碳纤维复合材料舱体舱体结构特点和缺陷产生的原因进行了专门的研究, 认为对碳纤维复合材料舱体缩比件的缺陷检测应采用超声波检测。魏勤等利用超声波对铝基Si C复合材料进行了研究, 研究过程中Al/Si C材料中的裂痕或凝聚物直观地显示出来, 便于我们判定工件的缺陷的位置。
5 结束语
碳纤维复合材料在投入使用前和使用中出现结构损伤是无法避免, 这是由碳纤维复合材料本身的结构特点和成型方法决定的。但是当碳纤维复合材料制成的构件要被应用到非常重要的航空、航天领域时, 对其结构的安全性和可靠性的要求就非常高。所以由碳纤维复合材料制成的构件的缺陷和损伤的检测就显得十分重要。近年来, 无损检测技术在碳纤维复合材料检测中的应用已成为人们关注的焦点, 它不仅能检测构件的缺陷和损伤, 还能检测构件的质量。无损检测技术中超声波检测法是应用最广泛、使用频率最高的一种无损检测技术, 体现在保证产品可靠性和安全性上。
参考文献
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高技术纤维材料 第9篇
ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件, 可以分析复杂的固体力学、结构力学系统, 特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题[1]。Python是一门优雅而健壮的编程语言, 它继承了传统编译语言的强大性和通用性, 同时也借鉴了简单脚本和解释语言的易用性, 具有十多年的发展历史, 成熟且稳定[2]。它具有脚本语言中最丰富和强大的类库, 足以支持绝大多数日常应用。ABAQUS Scripting接口是Python编程语言的一个扩展, 因此, 利用Python编程语言编写ABAQUS接口可执行的脚本, 针对不同的问题开发的一系列程序, 所用编程语言均为Python语言, 采用的ABAQUS软件版本为6.5-1。
自动化建模技术在纤维复合材料微结构设计中有着比较重要的意义。在使用ABAQUS/CAE建立几何模型的时候常常会遇到一些困难, 模型在几何特征上具有在ABAQUS/CAE界面用手工难以实现的特殊性, 另外在进行微结构建模时通常会要求模型的海量化, 这一要求对于ABAQUS/CAE GUI (图形用户界面—Graphics User Interface) 来说也是比较困难的, 因此本文采取在ABAQUS有限元分析软件中建立编织复合材料微结构的代表性体积单元RVE (Representative volume element) 的几何模型的方法来实现。根据需求定制ABAQUS GUI界面, 编写python脚本程序来建立复杂的几何模型, 从而达到建模自动化, 开发出客户需要的自定制应用程序, 节省工程人员在建模时所花费的时间和精力, 提高工作效率。
2 自动化建模技术简介
ABAQUS为二次开发提供了接口, 因此可以借助ABAQUS计算平台, 开发出建模程序, 实现自动建模的目的。ABAQUS二次开发有如下几种途径[3]: (1) 通过用户子程序可以开发新的模型, 控制ABAQUS计算过程和计算结果; (2) 通过环境初始化文件可以改变ABAQUS的许多缺省设置; (3) 通过内核脚本可以实现前处理建模和后处理分析计算结果; (4) 通过GU I脚本可以创建新的图形用户界面和用户交互。本例中结合使用 (3) 和 (4) 两种途径来实现自动化建模。
ABAQUS有限元分析实现的步骤[5]:前处理 (ABAQUS/CAE) 、分析计算 (ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit) 、后处理 (ABAQUS/CAE或ABAQUS/Viewer) 。前处理阶段需要定义物理问题的模型, 并生成一个ASBAQUS输入文件。ABAQUS/CAE是完整的ABAQUS运行环境, 可以生成ABAQUS模型、交互的提交和监控分析作业, 并显示分析结果。使用python语言编写内核脚本实现前处理自动化建模, 然后开发相应的图形用户界面来与用户交互。
3 3D-Weave编织复合材料建模程序开发实例
3.1 程序需求描述
采用两种方案来实现编织体几何形状, 方案一给定一定数目的纤维丝, 按要求排列, 使得排列好的纤维束截面长短半径呈1∶1, 2∶1, 3∶1, 4∶1等不同的比例。单根纤维丝的半径, 纤维丝之间的距离, 编织后的单束纤维之间的间距从界面读入参数实现。方案二给定一定尺寸比例的纤维截面, 在此截面范围内排列纤维丝。设计纤维束截面的纤维排列算法, 将排列好的纤维束按特定的要求编织起来, 形成一个RVE体积单元。开发GUI界面, 通过界面实现参数化, 自动化建模及分析计算工作。
3.2 程序整体流程图
依据ABAQUS/CAE推荐的建模次序设计了程序整体流程图。如图1所示。主要实现过程分为三个部分:第一部分进行方案选择, 该部分包括了模型自动化实现的启动部分, 编写内核程序进行两种方案的选择, 通过界面来与用户交互;第二部分为核心算法, 该部分为程序的核心部分, 设计了两种不同的算法与截面排列方案相对应, 在该部分生成了建立编织体几何模型所需的所有数据;第三部分为建模过程, 该部分利用上一步生成的数据建立编织体几何模型, 实现建模过程自动化。
3.3 自动化开发机制
实现纤维复合材料增强体建模的自动化通常需要两个方面的内容, 即对ABAQUS内核进行操作的Kernel commands (内核命令) 部分和与客户进行交互的GUI commands (图形用户界面命令) 部分。内核代码部分由Python模块组成, 包含了用来执行各种任务, 实现纤维束截面纤维排列算法的函数和类, 是ABAQUS/CAE的核心部分。在编写内核程序程建立模型时, 首先必须导入abaqus、part、assembly和abaqusConstants等常用模块, 由于本程序还自己设计了纤维丝截面排列算法, 实现该算法时还需导入sys、math和random等模块, 这样导入模块的代码在其命名空间中就有了一个对该模块的引用, 使用import语句导入以后, 程序可以随时访问该模块的任意标识符。然后编写建模程序和算法程序, 尽量使不同功能的程序模块化, 以便在需要的时候调用。
图形用户界面部分提供了一个快捷、友好地机制来从用户处收集内核代码 (Kernel code) 所需要的数据。其中包括了方案的选择、纤维丝间距、纤维束间距等数据的输入, 采用按钮的方式向内核提交命令。kernel command字符串通过进程间通信 (IPC) 从GUI process被发送至kernel process。 kernel process解译和执行kernel command字符串。如果 kernel command 发布了一个异常, 该异常又被传回GUI process, 被捕捉和恰当的处理, 一般都会弹出一个错误对话框来进行提醒客户, 如图5 (c) 所示。ABAQUS/CAE使用IPC (inter-process compunction) 协议在Kernel process和GUI process之间完成交流。界面与内核之间的通信机制流程, 如图2所示[6,7]。
3.4 实现方案及建模效果
本研究以椭圆面作为纤维束截面几何形状, 圆截面为椭圆截面的特殊情况, 开发过程中为了满足开发需求首先将椭圆截面近似为六边形截面, 这样在很大程度上降低了排列纤维丝的算法难度;然后计算在不同比例截面下的最简排列方式;最后在最简截面的基础上按一定比例增长的方式排列纤维丝, 从而达到方案一的目的。方案二中根据客户给定的纤维束截面半径数据, 单根纤维的半径, 以及间距等数据, 计算处该纤维束截面最多可以排列的纤维丝数, 然后将数据按照方案一描述的算法进行排列。如图3所示, a, b, c, d分别为四种比例的截面在ABAQUS中实现的最简效果图。在完成单束纤维纤维建模的基础上进行编织体整体结构的组装, 图4所示为编织体实现后的总体效果图。
GUI界面专为3D weave 编织材料建模程序制作, 具有针对性强的特点, 实现了建模过程自动化, 参数化;避免了手工建模的繁琐, 效率低等弱点, 为3D weave 编织材料定制了自己特色的用户交互界面。图5 (a) 、 (b) 显示程序在ABAQUS/CAE 6.5-1环境下的运行界面。
该GUI界面主要实现了以下几个方面的功能: (1) 方案选择, 可对前文中描述的两种方案根据需要进行选择。 (2) 数据收集, 方案一主要收集数据有:纤维根数、纤维截面比例、纤维丝半径、纤维丝之间的间距、纤维束之间的间距等;方案二主要收集的数据有:纤维束的截面半径, 纤维丝半径、纤维丝之间的间距、纤维束之间的间距等。 (3) 文字说明, 对界面数据的输入等情况作简要说明。 (4) 图片说明, 用图片的方式对编织结构、数据含义等进行简要的图示说明。并设置了“Preview”、“Analyze”、“Default”、“Cancel”四个按钮向内核程序提交参数, 实现自动化建模、分析计算等功能。
4 结语
在ABAQUS环境下结合GUI和内核两个方面的开发, 主要对3D weave 编织材料自动化建模方法进行了研究, 并设计了相关算法, 实现了开发需求, 程序也通过了调试验证。主要有以下几个方面的内容: (1) 用Python语言实现了两种方案的编程;并在ABAQUS环境下用Python语言编写了自动建模程序。 (2) 设计了特色的GUI界面实现编织材料建模的自动化。 (3) 为后继的设置分析步, 划分网格, 分析计算工作奠定了基础。
参考文献
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高技术纤维材料 第10篇
树脂基碳纤维复合材料层合板在多次冲击下容易产生层间分层, 这使层合板在较低的载荷下就发生分层失稳和扩展, 从而导致结构失效[1]。针对层间失效, 大量学者提出改进方法, 一是改善树脂基体性能, 二是三维增强, 即增加法向材料, 如编织、缝合、Z-pin增强等, 三是层间增韧。其中Z-pin增强技术是最简便、影响最小和有效的方法[2]。
在解决树脂基碳纤维复合材料应用中出现的问题, 特别是增强层间性能时, Z-pin增强技术具有明显的前景, 并且Z-pin联结也有很大优点和发展空间。
2 Z-pin增强技术
Z-pin技术工艺过程是在预浸件中直接嵌入固化好的纤维棒或金属棒, 然后再按传统方法对含Z-pin的复合材料固化成型。Z-pin可选用的材料非常广泛, 可用钢、铝等金属, 也可用碳纤维、玻璃纤维等非金属, 其直径一般在0.2mm ~ 0.6 mm之间, 体分比一般2%~ 5%左右。Z-pin嵌入预浸件中可多个排列有序的一次性整体嵌入和利用高压枪单个射入, 其中常用整体嵌入有热压灌法和超声植入法 (UAZ) 两种工艺, 如图1 为整体嵌入, 图2 为超声植入机器人[3]。
目前, Z-pin增强技术在树脂基碳纤维复合材料的层间增强、X-cor夹层复合材料增强和联结增强研究比较活跃, 另外孔边增强等也有学者研究。除此外Z-pin增强技术在陶瓷基碳纤维复合材料中也有所发展[4]。
3 层间增强
层间破坏有I型层间破坏 (层间张开) 与II型层间破坏 (层间相对错动) 两种形式, Z-pin层间增强也就是阻碍两种形式破坏的发生。学者从不同方面对Z-pin影响I, II型层间断裂韧性做了大量研究。Ivana K、郑锡涛[5]等利用双悬臂梁 (DCB) 、端部开口弯曲 (ENF) 模型从应变能的角度进行研究, 说明Z-pin的加入增强了应变释放率。褚奇奕、王晓旭、Vazquez[6]等对Z-pin拔脱过程进行研究, 并提出了埋入深度、直径、与基体的共固化效应等影响因素。
4 联结增强
相对于机械联结增加质量、破坏纤维, 胶接传递载荷小等不足, Z-pin联结有对层合板破坏小、质量轻、联结强度大等优点。Z-pin联结增强常用结构形式有T型联结、搭接等。
4.1 T型联结
T型联结中与载荷同向的Z-pin联结增强机理与层间增强机理是相同的。因为T型联结在受载荷时 (对Z-pin来说是偏心载荷) , Z-pin同样受I、II型破坏, 只是不同位置的Z-pin , I、II型变形比重不同。T型联结中与载荷垂直的Z-pin联结增强机理与下文中搭接增强机理是相同的。
同样, 学者也从整体力学性能角度用试验和有限元分析说明了Z-pin的T型联结增强。Z-pin的增加大大提高了T型结头承载能力, 其承载能力与Z-pin直径、排列、植入密度、植入角度、间距、Z-pin与载荷距离等有关[7]。与层间增强一样, Z-pin的嵌入对碳纤维复合材料也有相同的影响和损伤, 但这此影响或损伤只是破坏了层合的板的部分性能, 对联结性能几乎没有负面影响。
4.2 搭联
Z-pin搭结承受的载荷方向是垂直于Z-pin的, 承受载荷时Z-pin主要受II型变形。若Z-pin搭结承受的载荷由于工况而方向不垂直于Z-pin或是变化的, 这会使Z-pin受I、II型混合变形。
由于搭接的结构、施加载荷不同, 它的破坏的表现形式与前两者也不同。Z-pin搭接中的失效破坏形式主要有:Z-pin剪断破坏;层合板被Z-pin挤压破坏;Z-pin拔脱失效。
对于Z-pin搭结, 同样与Z-pin直径、位置、排列、植入密度、植入角度等因素有关[8]。
5 展望
(1) 工艺方面。Z-pin层间增强与联结增强主要应用在高新技术方面, 这是与复合材料在民用方面的不够广泛所导致, 这也是工艺发展缓慢的原因。Z-pin技术工艺成熟与Z-pin技术应用广泛是相互影响发展的。
(2) 金属Z-pin方面。在国内外学者研究Z-pin增强技术试验中, 金属Z-pin棒的试验相对较少, 金属z-pin的层间增强与联结增强会有与碳纤维z-pin不同的增强机理和破坏形式。
(3) 金属与碳纤维联结方面。现研究的Z-pin联结增强是碳纤维复合材料之间的联结, 随着碳纤维复合材料的应用领域增加, 碳纤维与金属之间的联结不可避免。工业常用的联结为机械联结、胶接等, 发展碳纤维/ 金属之间的Z-pin联结是有必要的。这也与金属Z-pin的发展相关。
(4) 环形联接方面。随着碳纤维在传动轴的大量应用, 环形联结接头需要更多研究。环形联结、金属与碳纤维联结、金属Z-pin应用的成熟可解决碳纤维传动轴/ 金属法兰的联结问题。
摘要：Z-pin增强技术在复合材料层间增强与联结增强中是简便、影响最小、有效的方法。Z-pin增强技术是在碳纤维预浸件中直接嵌入固化好的纤维棒或金属棒然后成型。从理论与试验的角度分别说明Z-pin的嵌入能减少层间Ⅰ, Ⅱ型破坏和联结破坏, 大大增加层间强度与联结强度。Z-pin增强技术的应用应向工艺方面、金属Z-pin方面、金属与碳纤维联结方面和环形搭接方面发展。
关键词：Z-pin增强,Ⅰ型,Ⅱ型,层间增强,联结增强
参考文献
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高技术纤维材料 第11篇
摘要：通过对黄麻纤维热处理、碱处理、硅烷偶联剂处理和异氰酸酯处理进行表面改性，并对改性黄麻纤维布进行热压工艺处理，最后采用VARTM成型工艺制备黄麻纤维增强环氧树脂复合材料，并对其性能进行了系统研究.通过扫描电镜（SEM）分析表明，热处理和碱处理的黄麻纤维增强环氧树脂复合材料的界面粘结未得到明显改善，而通过硅烷偶联剂和异氰酸酯处理的黄麻纤维增强环氧树脂复合材料的界面粘结性能得到了显著的提高.将硅烷偶联剂和异氰酸酯处理的黄麻纤维布通过热压处理不仅可以增加复合材料中黄麻纤维体积含量，而且可以提高复合材料的综合性能，复合材料力学性能研究表明，经硅烷偶联剂处理后的黄麻纤维增强复合材料拉伸强度、模量和弯曲强度分别提高了18.6%，71.4%和50.2%.经异氰酸酯处理的黄麻纤维增强复合材料的拉伸强度、模量和弯曲强度分别提高了16.3%，34.0%和50.3%.
关键词：黄麻纤维；复合材料；热压工艺；硅烷偶联剂；异氰酸酯
中图分类号：TQ327.8文献标识码：APreparation of Jute Fibers Reinforced Epoxy
Resin Composites by VARTM
LI Wei，HUANG Hongyun， WU Yongqing
（College of Materials Science and Engineering， Hunan Univ，Changsha，Hunan410082，China）Abstract： In this research， the jute fibers were first treated with heating， alkali， silane coupling agent and isocyanate respectively， then the jute fibers fabrics were treated with hot pressing process， and finally， the jute fiber reinforced epoxy resin composites were fabricated with VARTM molding process. Scanning Electron Microscopy （SEM） analysis shows that the interface bonding of jute fibers treated with heating and alkali reinforced epoxy resin composites has not been improved， but the interface bonding of composites has been significantly improved with the jute fibers treated with silane coupling agent and isocyanate. The hotpressing process can not only increase the jute fibers volume content in the composites but also improve the performance of composites by the jute fibers treated in advance with silane coupling agent and isocyanate. The mechanical properties of the composites show that tensile strength， modulus and flexural strength of the jute fiber treated with the silane coupling agent reinforced composite increase by 18.6%， 71.4% and 50.2%， respectively， and the tensile strength， modulus and flexural strength of the jute fiber treated with the isocyanate reinforced composite increase by 16.3%， 34.0% and 50.3%， respectively.
Key words：jute fiber；composites；hot pressing process；silane coupling agent；isocyanate
麻纤维是一种天然植物纤维，具有价格低廉、可生物降解、优良的力学性能等优点.相比于合成纤维，天然麻纤维具有更好的吸能效果，能制造出高性能的复合材料，可广泛地应用于汽车制造工业[1-2].
麻纤维种类较多，常见的麻纤维有苎麻[3]、黄麻、亚麻等.黄麻是最廉价的天然纤维之一，黄麻纤维纤维素质量分数约为57%～60%，单纤细度为15～18 μm，单纤长度为1.5～5 mm，因为单纤维短且长度参差不齐，故无法单纤维纺纱.黄麻纤维具有不规则的多边形混合截面，吸湿性和透湿性较苎麻要高2%～4.5%.其生物分解性好，初始弹性模量高，不起球，抗菌能力优异，生产成本低，因此具有很好的市场应用前景.
纤维素吸水材料 第12篇
高吸水材料是一种典型的功能高分子材料, 广泛应用于医药卫生、农业/园艺的保水剂、日用化学品、果蔬的保鲜剂、脱水剂和建筑防水等方面。纤维素是储藏量最为丰富的天然高分子, 具有诸多合成高分子无可比拟的优点。以天然纤维素为原料制备纤维素高分子吸水材料, 用于各行业, 将又开辟纤维素的另一应用。吸水材料吸水原因是材料分子结构中含有亲水基团和相互交联的网状结构[1]。纤维素的结构是由D-葡萄糖经β-1, 4-糖苷键交织成的三维网状结构, 内含3个游离态的亲水性基团, 具备一定的吸水能力, 同时也满足制备高吸水材料的基本要求。虽然纤维素自身不易溶于水, 也不易溶于一般的有机溶剂。但加入特殊的溶剂来破坏它的氢键, 使纤维素更好的溶剂, 为了提高它的吸水、吸盐能力, 需要在纤维素上引入更强的亲水基团[2], 如:羧酸基、磺酸基、氨基、季铵基、醚基等, 纤维素吸水材料的常见制备方法有:直接交联法、醚化-交联法、接枝共聚法、接枝-共聚法、直接酯化法等[3]。
本文简要叙述了纤维素吸水材料的种类及其应用。
2 国内外的研究情况
上个世纪六十年代开始研究高吸水材料, 虽然它的发展只有短短几十年的历史, 却取得举世瞩目的成绩, 这离不开科研人员的浓厚的兴趣和不懈的努力。1961年, Gugliemell等[4]以淀粉接枝丙烯腈制备出高吸水性树脂, 打开了研究的大门。66年随后Fanta等[5]完成了其共聚高吸水材料的合成且实现了工业化生产。60年代末70年代初, 美日诸国相继开发出新高吸水材料, 并迎来第一个热潮, 对该类材料的种类研发、合成方法、生产工艺、性能检测以及拓展应用领域等方面, 开展了大量且具体的工作, 并且取得不错的成绩。1953年Flory推出了高吸水材料的溶胀率的数学表达式, 如公式1所示:
其中i/VU:电解质的电荷浓度;S:离子浓度; (1/2-X1) :亲和力;Ve/V0:交联密度。
上世纪80年代, 我国开始了对高吸水材料的研究, 属于典型的起步晚、发展快[6]。我国高吸水性树脂的生产现状与预测, 如表1所示。虽多种产品均实现工业化生产, 但与国外先进技术相比, 仍有很大的上升空间。作为世界上最大的农业国, 针对我国特殊的地理形貌, 南方雨水充沛, 土地肥沃;北方则相对较贫瘠, 市场吸水材料的需求量非常大。现阶段, 我国主攻方向为提高材料的吸水能力, 完善生产工艺, 降低成本, 寻找可生物降解的替代品以及拓宽材料应用领域等[7]。但是经济的高速发展不能以牺牲环境为代价, 寻找能生物降解的替代品对解决废品回收问题和循环使用有很重要的意义[8]。
3 纤维素接枝改性型吸水材料的种类
纤维素是世界上最为丰富的一种可再生资源, 每年植物的光合作用约能产生数以万亿吨纤维素, 对纤维素的有效利用不仅能缓解石油资源匮乏的危机, 还能提高对农产品的利用率[9]。而我国作为世界上最大的农业国, 自然资源丰富, 对纤维素改性材料的有着深远的意义。目前纤维素系吸水材料主要是通过醚化、酯化、接枝共聚制备天然纤维素类高吸水剂。对纤维素的接枝改性主要在非均相体系中进行[10], 常见的引发剂主要有高锰酸钾、过硫酸钾、硝酸铈铵和过氧化氢-抗坏血酸、硫脲-过氧化氢等氧化还原体系中进行[11]。常见的交联剂主要有环氧氯丙烷、乙烯砜、氨基腈等[12], 但是氨基腈和乙烯砜的价格昂贵且毒性较大。常见的醚化剂主要是一氯醋酸及一氯醋酸盐、环氧乙烷、环氧丙烷、一氯甲烷等[13]。
纤维素改性制备高吸水性树脂的原理类似于淀粉[14], 反应原理如图2 (其中Cell代表纤维素大分子) , 纤维素的吸水倍率的公式可以表示为公式2。
Q表示纤维素吸水材料的吸水率;M1表示吸水后的重量;M0表示材料吸水前的重量。
3.1 羧甲基纤维素型吸水材料
由纤维素制备羧甲基纤维素本身具备一定吸水能力, 但是速度较快, 吸水率适中, 能完全生物降解、无毒性、抗盐性、可再生且具有毛细管效应和较大的比表面积[15]。而由甲壳素脱乙酰化制得壳聚糖, 是一种聚阳离子多糖, 有很好的生物相容性及可自然降解能力, 具有广泛的应用前景。羧甲基纤维素和壳聚糖分子链上均有大量的亲水基团, 可以调节两者的浓度进行交联, 制备出高吸水复合材料[26]。
李勤奋等[17], 采用溶液共混法和冷冻干燥法分别制备出羧甲基纤维素/壳聚糖吸水复合材料。当CMC/CS比例为9:1时, 复合材料的吸水率达到最高, 其吸水速度最快且具备很好的保水能力。
王迎军等[18], 采用二步加热法制备羧甲基纤维素高吸水材料, 该实验表明:经过简单的热处理, 可以得到吸水率超过110倍, 吸人工尿率超过25倍的羧甲基纤维素吸水材料。原理为:加热使-OH和-COOH产生交联, 材料的结晶度和晶型均发生不同程度的变化进而转化成高吸水材料。
赵宝秀等[19], 在制备过程中采用微波辐射制法得高吸水性树脂。该材料的最大吸水量达到1200g/g, 反应的整个操作简便、设备简易、反应速度较快, 利用低成本的原料制得高品质的材料。
丙烯酰胺/聚丙烯酰胺是具有保水吸水的高分子材料, 徐浩龙等[20]将其应用于羧甲基纤维素的接枝改性, 并将硅溶胶进行原位杂化制得了高吸水材料。氮素的释放量符合GB/T23348-2009的要求。该实验原料的最佳比例为3∶17, 12%丙烯酰胺, 所制备包膜材料的吸去离子水达到743g/g, 自来水497g/g, 盐水329g/g。
3.2 沸石-纤维素型吸水材料
沸石表面疏松多孔, 具有骨架结构的水合铝硅酸盐矿产, 廉价易得且世界储量丰富, 因其表面疏松多孔, 具有较大的比表面积。广泛应用在溶液加热时, 形成气流中心防治爆沸。同时沸石还具有良好的吸附性能和阳离子交换性能。基于沸石的种种优点, 张秀兰等[21]人开始以天然的无机亲水性矿物和纤维素作为原料, 接枝丙烯酸制备高吸水材料, 沸石能很好的分散在聚合物内。该材料凝胶强度大, 耐盐性高, 易生物降解, 吸水率为547.3g/g, 吸盐率达到91.4g/g。较低的成本使其具有良好的发展前景。
李云龙等[22]将羧甲基纤维素进行改性, 原位溶胶-凝胶法与Si O2杂化, 加入交联剂使有机基质形成一个三维网状结构, 有机化合物与无机填料相互交织, 部分形成氢键或化学键, 能制得较为理想的高吸水材料。
3.3 膨润土 (高岭土) /纤维素/丙烯酸吸水材料
膨润土的主要成分是蒙脱石, 属于非金属矿产。蒙脱石的化学成分为: (Al2, Mg3) [Si4O10][OH]2·n H2O, 蒙脱石的化学结构由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成。其层状结构中含有某些金属阳离子, 如Cu、Mg、Na等, 这些金属阳离子在体系中不稳定容易被其它阳离子替换, 故膨润土具有良好的离子交换性能。吕艳阳[23]等, 将膨润土/纤维素和高分子材料接枝共聚, 制备出吸水性能适中的复合材料, 该材料的制备工艺简单, 成本较低, 能生物降解, 完全满足农林业等领域对高吸水材料的需求。
高岭土属于亲水性的层状硅酸盐粘土性矿物质材料, 将高领土进行深加工后, 制成具有大比表面积的产品, 与膨润土的原理相似。林松柏等[24], 以N, N-亚甲基双烯酰胺作交联剂, 硝酸铈为引发微晶纤维素, 接枝共聚丙烯酰胺制得高吸水材料, 其吸水率达到1166g/g, 吸盐率达到86g/g。
3.4 纤维素黄原酸盐吸水材料
在碱性条件下, CS2与纤维素中的羟基发生反应, 能值得纤维素原酸酯。其吸水、吸盐及吸碱的效果都呈现出良好性能[25], 其中吸水率达到170g, 吸烟率为160g, 而吸碱率则为140g。CS2为黄原酸 (HO-CS-SH) 的酸酐, 该反应的机理可以表示为如图3所示:
4 纤维素吸水材料的应用
全球持续升温和白色污染无时无刻在提醒人们, 保护环境刻不容缓, 正是对环境的迫切需求, 人们对可降解性材料的欲望与日俱增。于是开始将眼光放至可生物降解的纤维素上, 经过接枝共聚, 直接或间接交联等方法, 来改善纤维素的吸水性能, 合成高分子材料的原料主要有两种[26]:一种是取之天然材料;另一种则取自大量的垃圾, 垃圾里含有丰富的纤维素、半纤维素等绿色无污染的资源。这一项惊人的发现, 无疑扩宽了制备高吸水树脂的原料来源, 在节能减排的同时也保护了环境。
纤维素系材料的吸水能力虽不及淀粉系产品, 但其吸水后形成的凝胶强度高, 经久耐用可以重复使用;可溶性成分不多, 不易溶解流失, 在抗霉菌方面, 由纤维素制备的高吸水材料性能远超淀粉系列[27]。我国作为世界上最大的农业国, 有丰富的植物资源和林业资源, 纤维素的年产量十分惊人, 有效的利用纤维素不仅是对植物资源的深开发, 更是一种对环境的爱护。
现将纤维素吸水材料的应用归结为以下几个方面: (1) 农/林业的保水剂, 能充分保持土壤的水分, 延长水量使用时限; (2) 医药卫生材料, 外科手术垫、绑带、手术服、纸尿裤、妇女卫生巾、手帕纸; (3) 日化产品, 作为添加剂加入化妆品中, 能减缓香味的消散速度, 提高产品保湿性, 达到补水的效果; (4) 水果蔬菜的保鲜剂; (5) 建筑材料, 广泛应用在房屋防漏, 管道密封等; (6) 作为脱水机, 在有机溶剂中加入少量的高吸水树脂, 可以除去溶剂中的水分, 不影响实验结果。
5 纤维素吸水材料的前景展望
近年来, 人们对研发新产品产生浓厚的兴趣, 探索高吸水材料的动力不该局限在新方法, 新工艺, 新原料和降低成本等, 可以将现有的材料进行复合、改性以获取性价比较高的功能性材料[28]。利用天然植物资源制备高吸水材料, 我国有着明显的优势, 而当前对材料的开发与研制应将目光转至:如何进一步提高吸水材料的吸盐能力, 未来有希望用于海水淡化工业上。
纤维素系吸水材料的吸水率虽不及淀粉系, 是不是可以通过改变纤维素的粒径来改善吸水效果, 微晶纤维素的吸水效果影响很大。纤维素不易溶于水, 现今是不是利用离子液体的技术来加强纤维素的溶解率, 其直接影响纤维素的接枝率。纤维素的吸水材料的应用广泛, 前景可观, 属于绿色化学材料的潜力股。
摘要：文章简要综述了纤维素吸水材料的种类及研究进展。