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熱塑性復(fù)合材料用混纖預(yù)浸料特征

2017-03-28 17:38:13 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì) 分享至：

    1.前言

    自1940年以來(lái)，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的研究與應(yīng)用在復(fù)合材料領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的研究成為國(guó)際上關(guān)注的熱點(diǎn)課題。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料興起之后，人們借鑒纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的成型工藝，對(duì)其預(yù)浸料加工采用“濕法”，即溶液（或溶劑）浸漬和熔融浸漬。由于高性能熱塑性基體塑料（如PEEK）具有高的熔融溫度和熔融粘度，因此引起基體潤(rùn)濕、浸漬增強(qiáng)纖維以及預(yù)浸料適型性的問(wèn)題。為了克服這些困難，開(kāi)發(fā)了用混纖預(yù)浸料加工纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的新工藝方法，其中包括增強(qiáng)纖維與熱塑性基體纖維混合而成的混纖紗、織物混纖。這種新方法可以較好解決高分子量熱塑性聚合物浸漬的問(wèn)題，容易控制增強(qiáng)纖維和基體的比例，有良好的適型性。混纖預(yù)浸料作為熱塑性復(fù)合材料的基礎(chǔ)材料，其結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的浸漬性能、力學(xué)性能有重要影響。

    2.混纖預(yù)浸料的結(jié)構(gòu)分析

    混纖型預(yù)浸料的主要目的是解決熱塑性復(fù)合材料加工中的浸漬性。如果在混纖預(yù)浸料中，增強(qiáng)纖維與基體纖維呈現(xiàn)均勻分布，且沒(méi)有任何兩根增強(qiáng)纖維緊密排列，則在復(fù)合材料成型加工中，基體纖維就可以實(shí)現(xiàn)基體的原位浸漬與固化，大大縮短基體的流動(dòng)路徑，提高加工效率。

    然而，要實(shí)現(xiàn)混纖預(yù)浸料的結(jié)構(gòu)是困難的。按照目前紡織加工的工藝方法，還不能達(dá)到這一點(diǎn)，特別是有確定增強(qiáng)纖維取向的混纖預(yù)浸料。因此，研究適合于熱塑性復(fù)合材料的的混纖預(yù)浸料結(jié)構(gòu)加工是十分必要的。

    3.混纖預(yù)浸料結(jié)構(gòu)型式

    3.1混纖紗

    連續(xù)增強(qiáng)纖維和熱塑性聚合物纖維（長(zhǎng)絲或短纖維）通過(guò)特有的加工技術(shù)形成。在DERFIII摩擦紡紗機(jī)上實(shí)現(xiàn)連續(xù)增強(qiáng)纖維紗作為芯紗，基體短纖維包纏在芯紗上的混纖包芯紗。該工藝方法加工的混纖紗是增強(qiáng)纖維位于紗線中心的皮芯紗。增強(qiáng)相中捻度為零，保證增強(qiáng)纖維強(qiáng)度最佳利用。位于芯層的增強(qiáng)相被基體纖維完全覆蓋，保護(hù)增強(qiáng)纖維在織造加工中免受意外損傷。但是基體纖維與增強(qiáng)纖維的結(jié)合不很牢固，在后加工過(guò)程中，尤其是織造加工中，若沿著紗線方向反復(fù)摩擦，易引起“剝皮”現(xiàn)象，即基體纖維在增強(qiáng)纖維上滑移。

    同時(shí)由于增強(qiáng)纖維與基體纖維的區(qū)域性分布，在復(fù)合材料加工中有可能產(chǎn)生基體浸漬不充分或浸漬時(shí)間延長(zhǎng)的問(wèn)題。借助于科弗紡紗的原理，可以加工連續(xù)增強(qiáng)纖維／熱塑性長(zhǎng)絲混纖紗。這種混纖紗結(jié)構(gòu)不同之處僅僅是基體纖維性狀有差異。上述方法加工的混纖紗中增強(qiáng)纖維與熱塑性纖維的混合程度差。

    利用噴氣氣流加工的連續(xù)增強(qiáng)纖維／熱塑性長(zhǎng)絲混纖紗，克服了增強(qiáng)纖維與基體纖維呈區(qū)域性分布的缺點(diǎn)，具有增強(qiáng)纖維和基體纖維良好的混合以及增強(qiáng)纖維束的適當(dāng)開(kāi)松的優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了熱塑性基體浸漬增強(qiáng)纖維的問(wèn)題。

    3.2織物混纖

    織物混纖包含增強(qiáng)纖維紗與熱塑性纖維紗交替作經(jīng)紗與緯紗進(jìn)行織造加工雙向織物，以及用增強(qiáng)纖維作經(jīng)紗，熱塑性纖維作緯紗進(jìn)行織造加工單向織物。這種方法加工預(yù)浸料比混纖紗加工織物預(yù)浸料的加工成本低。然而，混纖紗織物的懸垂性比織物混纖好。由于混纖紗使增強(qiáng)纖維和熱塑性基體纖維產(chǎn)生良好的混合，因而提高了熱塑性纖維熔融后浸漬的速度和效果，可以獲得力學(xué)性能良好的復(fù)合材料。通常，織物混纖加工對(duì)低分子量聚合物是較合適的。高分子量聚合物應(yīng)進(jìn)行混纖紗加工。

    另一種織物混纖方法是以增強(qiáng)纖維紗（或熱塑性纖維紗）作經(jīng)紗、熱塑性纖維紗（或增強(qiáng)纖維紗）作緯紗，進(jìn)行織物混纖加工。用這種方法加工的預(yù)浸料只能加工單向熱塑性復(fù)合材料。對(duì)織物混纖加工復(fù)合材料用預(yù)浸料，在織造過(guò)程中要避免打緯對(duì)增強(qiáng)纖維造成損傷，尤其是織機(jī)鋼筘摩擦對(duì)增強(qiáng)纖維長(zhǎng)絲產(chǎn)生擦傷，使增強(qiáng)纖維束中的單絲斷裂。同時(shí)這種預(yù)浸料加工方法的增強(qiáng)纖維與熱塑性基體纖維的混合程度差。

    4.混纖紗浸漬分析

    假定一根紗束中熔融基體對(duì)增強(qiáng)纖維浸漬是固定的，即此紗束中的基體只對(duì)其中的增強(qiáng)纖維進(jìn)行浸漬而且浸漬是自足的。同時(shí)在復(fù)合材料加工中所有混纖紗束同時(shí)進(jìn)行浸漬，它們的幾何形狀完全相同。那么，整個(gè)復(fù)合材料的浸漬能通過(guò)單紗束浸漬來(lái)描述。

    在聚合物復(fù)合材料的加工中存在著基體通過(guò)由纖維構(gòu)成介質(zhì)的流動(dòng)。熱塑性基體有相對(duì)高的粘性，基體流動(dòng)速率不可能高，因此基體流動(dòng)是粘性支配。由基體浸漬的基本假設(shè)，對(duì)混纖紗復(fù)合材料中基體的浸漬可看作基體垂直增強(qiáng)纖維材料的一維流動(dòng)則：

    即基體浸漬相同距離所用的時(shí)間增大。減小纖維體積分?jǐn)?shù)可以縮短基體的浸漬時(shí)間，但是纖維體積分?jǐn)?shù)顯著影響復(fù)合材料的性能。因此，在增強(qiáng)纖維與基體體積分?jǐn)?shù)不變的情況下，分割纖維體積即在增強(qiáng)纖維中分段插入基體。

    混纖預(yù)浸料中增強(qiáng)纖維與基體纖維均勻混和、分布是解決基體浸漬的良好途徑。

    5.結(jié)語(yǔ)

    混纖預(yù)浸料的結(jié)構(gòu)對(duì)基體的浸漬行為有重要影響，基體的浸漬直接與復(fù)合材料的性能、加工成本有關(guān)。實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的快速加工并降低加工成本，對(duì)混纖復(fù)合材料而言，增強(qiáng)纖維與熱塑性基體纖維要有良好的混合，并且在預(yù)浸料加工過(guò)程中要避免對(duì)增強(qiáng)纖維造成強(qiáng)度損傷，引起復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。因此，研究預(yù)浸料的結(jié)構(gòu)對(duì)熱塑性復(fù)合材料的加工具有重要意義。