關云清

摘要：紡織結構復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，能夠給紡織及服裝加工帶來一定的經(jīng)濟利潤。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。 本文介紹了一種新型材料—紡織結構復合材料的發(fā)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：紡織工程;復合材料;技術應用;分析探究

一、紡織復合材料的發(fā)展

在20年代，波音公司就已經(jīng)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(fā)展，二維編織工藝也得到了迅速的發(fā)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(fā)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，大大提高了其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(fā)展。創(chuàng)造不補充加油而連續(xù)環(huán)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(fā)編織技術和自動化加工、開發(fā)熱塑性樹脂等重要內(nèi)容。

由此可見，現(xiàn)代紡織結構復合材料是在常規(guī)復合材料高度發(fā)展和廣泛應用于各工業(yè)領域的基礎上產(chǎn)生和發(fā)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(yè)、交通等領域占據(jù)重要地位。復合材料的出現(xiàn)和發(fā)展對20世紀的結構工程產(chǎn)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(guī)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(xiàn)代紡織結構復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、中國、日本、南朝鮮等國。其重要原因之一，就是紡織構造的優(yōu)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(huán)境作用下的工程結構的要求。

二、紡織結構復合材料應用優(yōu)勢

在航天科技中，高溫、燒蝕和高速沖刷的導彈頭錐、火箭發(fā)動機的喉襯采用三維整體編織結構復合材料。發(fā)動機裙和導彈彈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(tǒng)，正在進行一類智能型紡織結構復合材料的研究。這些復合材料的運用，能夠在最大限度發(fā)揮材料力學的特點基礎上，能夠提高產(chǎn)品的穩(wěn)固性，能夠幫助材料形成很強的力度，從而適應材料在航空運用中的需要。

該種材料運用于紡織中，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。 正是基于上述特點，我們可根據(jù)按加載方向增加纖維束數(shù)，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，幫助設計制作，形成可定型性，滿足不同物質材料的發(fā)展需要。

在交通運輸、建筑領域、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)應該注意的地方。在生產(chǎn)過程中，可自動化高效率生產(chǎn)和接近實際產(chǎn)品形狀的制造，使加工量和連接大大減少。因而經(jīng)濟性好、成本低、制造周期短。除此而外，在預成型和復合前安放機敏類材料，從而實現(xiàn)對復合工藝質量監(jiān)控、產(chǎn)品在服務期間的壽命監(jiān)測、振動控制等，這樣既提高了產(chǎn)品質量又增加了可靠性。

三、三維紡織復合材料。

三維紡織復合材料是一種先進的結構復合材料。它使用三維整體紡織預制件作為增強相，克服了以往各種結構復合材料層間強度低的致命缺點，具有優(yōu)異的整體受力性能，可用以制造各種結構的主要承載構件。利用高強度纖維（例如碳纖維）制成的三維紡織復合材料具有比強度高，比模量大，擾疲勞性能好，以及良好的形態(tài)可設計性等優(yōu)點。用它們代替鋼制件時，在滿足同樣的強度和剛度的前提下，減輕重量70%左右。三維紡織復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，可減少零件和模具的數(shù)量。目前，采用三維編織復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，從而使整個飛行器、汽車等的性能得到提高。

四、結束語

綜上所述，運用好紡織結構復合材料，應該在注意其性能特點的基礎上，根據(jù)所使用領域的特殊要求，注重預成型和固化等技術方面的處理，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)的市場競爭力。

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