经编复合材料的应用与实践


经编复合材料在国外于二十世纪七十年代后期被开发用于航天复合材料,80年代被美国NASA认为是适合于航空航天领域使用的高性能、高可靠材料,90年代欧美各国将其作为一种低价格、高性能材料广泛应用于民用领域。目前,经编复合材料在航空航天、船舰、交通运输、能源、建筑、体育休闲、个人防护以及土工基材等方面有着广泛的应用。国内已经拥有了众多的经编复合材料用增强织物的生产企业,其产品也纷纷达到了国际质量标准并获得了有关的质量认证。但是,国内企业对其所拥有的高品质的增强织物后续应用开发尚显不足,企业在经编复合材料应用方面的探索不多,从而严重阻碍了企业获得复合材料产品的高附加值的收益。 经编复合材料的基本特性 经编复合材料增强织物拥有良好的工艺性能,如:尺寸稳定性好;成型性好,铺设型好,可以用于加工复杂曲面;由于织物中纱线平行伸直排列,纤维内外很容易形成树脂通道,渗透速度快,复合材料加工浸润性好。从经编复合材料的机械性能来看,经编增强体是最有效的预设计增强织物之一,它能充分发挥纤维特性,提高复合材料的性能。多轴向衬纱织物具有更好的机械性能,如:拉伸强度高,在多轴向织物中纱线完全平行伸直排列,各层取向度很高,能够共同承受外来载荷,纱线的特性得到完全利用;由于绑缚纱线的作用,提高了纱线间的摩擦力,增强了织物的层间性能,剪切性能好,抗撕裂性能好;抗脱层强度高,抗弯性好;抗冲击性能和能量吸收性能好。 经编复合材料的应用 船舶工业 在造船业中,经编复合材料主要用于快艇、帆船、高速赛艇和游艇中的壳体、甲板的主结构和次结构等部件。采用经编复合材料后,在同样的产品强度要求下,船艇的建造可节省20%~30%的玻纤原料,减少树脂用量50%。挪威DEVOL公司高速豪华游艇“MOONRANK”部件用经编织物与传统机织相比较:重量减轻14%~45%,材料成本减少最多可达30%,劳动力成本降低35%。 航空航天 经编复合材料使航空和宇航器械的重量降低,可节约燃料,从而增加了有效载荷。经编复合材料在飞机中的应用主要在飞机的蒙皮、尾翼的前缘和边缘、机身面板等。如空中客车A321利用替代材料减轻的30%的重量,能使该机在飞行期间节约24,000吨的柴油。 能源(风力发电) 中国是世界最大的潜在风力发电机市场。风机叶片是风能发电的关键部件之一,叶片是一个大型的复合材料结构,其重量的90%以上由复合材料组成。风力发电转子叶片占风力发电整个装置成本的15%-20%,制造叶片的材料和工艺对其成本有决定性影响。按照计划,我国2005-2010年将增加300万KW风电,按照1MW叶片计算,需要叶片9000片,叶片价值达40亿元。 近海工业 竖井壁和海上钻井平台需要重量轻而刚度高的材料。美国PPG公司和挪威DEVOLD公司开发了救生船,应用了经编复合材料,增强刚度,减薄壁厚,轻质的船能降低重心,增加入水时的稳定性。与传统层合技术相比,救生船的质量减轻800kg。 玻纤增强环氧树脂管在近海工业有广阔的发展前景。自1967年,玻纤环氧树脂管在欧洲、中东、美国、非洲、及亚洲得到了广泛的应用。除了防腐蚀之外,玻纤增强环氧树脂管所需维护修理少,使用寿命长。此外,因重量轻,大大减少了管道安装的费用。与碳钢、不锈钢、铜镍合金管材材料制成的管道相比,玻纤环氧树脂增强管的总费用是最低的(包括材料费用及安装费)。 交通工具 经编复合材料还被广泛用于轿车、公共汽车车身、高速列车车头及车厢等交通工具。由于对汽车重量的减轻,从而节省燃料,减少了C02的排放量。如:Mercedes的SLR型配备了全碳纤维结构的车身,而BMW的M3 CLS装备了内置多轴向织物的碳纤维顶盖。 建筑及土工材料 经编复合材料由于抗压,抗剪切,抗弯曲强度高,负载受力均匀稳定,排水性好,耐腐蚀,常被用于道路,飞机跑道等建设中的路基增强,路面裂缝防护与维修,桥梁的桥墩加固。 防护用品 经编复合材料在防护上也有特别的应用。如:防弹运钞车,车侧门要求防撞击;有防爆要求的飞机行李箱;个人防护服装,如头盔、防弹衣等等。 经编复合材料制作实践经编复合材料是一个多学科、多应用部门的高技术领域。并不仅仅是企业能生产高品质的增强织物,或是能够开展成型加工就可以来单独完成的。它必须将生产企业和用户有机地结合起来,并充分发挥科研机构和高等院校的工艺研究基础以及相关人员培训的潜力,才能为企业真正在经编复合材料领域有所作为奠定可靠的基础。 (本文作者系东华大学纺织学院副院长 李炜博士 罗永康顾问)

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