現代紡織復合材料概述

代彥彥，張國利

(天津工業大學紡織科學與工程學院 復合材料研究所，天津300380)

自20世紀40年代起，紡織復合材料就成為一種新興的工業材料，70年代之后，航空航天飛速發展，對輕質、高性能的復合材料需求增大，紡織結構復合材料便順勢發展起來。層合復合材料是將二維織物層層進行鋪覆或用纖維條纏繞而制成的層片狀結構復合材料，在鋪覆織物或纏繞纖維條時要按照一定的角度、次序及方式，雖然層狀結構的復合材料被廣泛應用于各行各業，但因其層間性能差、機械連接孔和幾何突變處的強度下降、沖擊后易受損傷等缺點，在主承力件上的應用被限制。三維紡織復合材料可以彌補傳統復合材料層與層之間強度低、沖擊韌性和損傷容限不高的缺點，整體受力性能較好，因此三維紡織復合材料逐漸替代了二維紡織復合材料用于制造各種結構的主承力構件。紡織復合材料的成型工藝決定著制品的形狀尺寸，以及增強體與基體材料之間的結合程度，對復合材料制品最終的性能有著很大的影響力。目前，復合材料的傳統成型工藝有模壓成型工藝、纏繞成型工藝、樹脂傳遞模塑成型工藝、熱壓罐成型工藝，新興的復合材料制造技術主要是3D打印技術，各有彼此的優缺點。近些年來，紡織復合材料與機械、電子、化學等各學科之間進行交叉，應用領域隨之增大，被廣泛應用在民用、航天、工業、軍事、體育、娛樂等領域。本文對紡織復合材料的發展歷程、主要的紡織結構、復合材料成型工藝、相關應用、存在的問題進行了介紹[1-6]。

1 紡織復合材料

復合材料由基體相和增強相組成，兩者之間存在著明顯的界面，經過一定的工藝技術將2種或2種以上性能特性不同的材料制備成一種全新的材料，新材料保有著各個成分的原有特性，從而發揮出各組分組合而成的綜合特性。紡織復合材料就是增強體為纖維、紗線、織物的復合材料，制備流程一般是先按照所需要的結構形狀將增強纖維織造成預成型結構件，再將其作為增強骨架與基體材料進行復合，最后成型的材料就是紡織復合材料[7]。

紡織復合材料有著悠久的發展史。自中國古代起，古人就會用編成排的秫秸混合著黏土做墻體，用銅絲編織成陶瓷容器，這是復合材料被實際應用的啟蒙例子，但紡織復合材料的快速發展卻是在20世紀之后。紡織復合材料比傳統復合材料力學性能均勻，強度模量等性能都得到很大程度的提高，紡織復合材料增強體所用的纖維從最開始的天然纖維到錦綸等合成纖維，再到碳纖維、超高分子量聚乙烯、無機陶瓷等高性能纖維，織物復合材料性能隨著纖維材料的更新換代而逐漸提升。所用基體材料有樹脂基體、金屬基體、碳碳基體、陶瓷基體等，目前紡織復合材料的基體材料使用最多的是樹脂基體，使用最多的樹脂基體有環氧、酚醛等。

2 紡織復合材料中的紡織結構

織物作為紡織復合材料中的增強體，決定著復合材料的性能，根據織物紡織結構的交織形式，可以將紡織結構分為機織結構、編織結構、針織結構、縫合結構、非織造結構;根據幾何特征主要分為二維紡織結構和三維紡織結構，纖維在織物的厚度方向也進行交織，使得織物形成一個整體結構，類似于網狀不可分層，層間性能和整體性能得到提高，為承力結構件提供了一種新的材料選擇[8-9]。

2.1 機織機構

在紡織結構復合材料增強體中，機織物是較為常見的紡織結構，主要分為平面雙軸向、平面多軸向、空間三維結構這3種結構。機織織物可以被任意設計，從而得到結構性能良好、穩定性好，且在經紗和緯紗大型平面內覆蓋系數比較大的織物[10]。

2.1.1 平面雙軸向機織結構

二維機織物是由2種相互垂直排列的紗線(經紗、緯紗)按照設計好的交織規律，相互交織而織造出的織物[11]，如圖1所示。根據織物組織結構的不同，平面雙軸向機織物分為：平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單向布。對于平紋織物，只要保證經緯紗的線密度、經緯密相同，就能使該增強結構各向同性;斜紋織物的變形性能比平紋織物好[12];緞紋織物中，紗線交織次數少，復合時，與基體材料浸漬效果較好;單向布也可通過改變經緯紗線的線密以及經緯向密度，來滿足不同的增強要求。

圖1 平紋織物結構

2.1.2 平面多軸向機織結構

傳播的內容上應將廣西民族文化的精神、內涵、性格等嵌入旅游合作的價值理念、實施策略及合作機制之中，以民族文化內容建設為基礎，以交流互動為動力，以共同利益為最高原則，拓寬傳播的渠道。

在平面多軸向機織物中，0°與90°這2個方向上的紗線呈現不完全伸展狀態，剛性和強度會有所降低。平面三向織物是平面多軸向機織物中較為普遍的織物，織物中的3組紗線互呈120°，相互交織，經紗呈斜向排列，緯紗是水平方向排列。平面三向織物是各向同性的，與普通二維機織物相比，其力學性能更好，抗剪切性能好，抗撕破強度高，抗頂破性好，缺點是生產效率低，織造過程復雜，新型結構在不斷涌現，該織物結構也逐漸失去了其市場。

2.1.3 空間三維機織結構

三維機織結構采用多層的經紗織造技術，Z方向紗線將層經紗和緯紗連接起來，相互交織形成一個三維整體織物。三維機織結構分為正交三向結構、中間空隔織物、角連鎖結構，如圖2所示。三維機織預型件中最常見的就是正交三向結構，在X、Y、Z三個方向上，紗線取向都是90°，可形成特定形狀的截面，如T形梁、I形梁等形式。中間空隔織物通過Z方向的紗線使得兩層機織物連接在一起，可形成圓形空心、矩形空心等各種結構，中間空隔織物的重量輕，性能良好[13-14]。角聯鎖結構根據加入襯紗的方向不同可以分為襯經襯緯角連鎖結構、襯經角連鎖結構、襯緯角連鎖結構[15]。三維機織結構與二維結構相比，可以有更多形狀復雜的預制件，其沖擊損傷容限高，抗分層性能也較好，但因機織材料結構復雜，對其力學性能進行建模和模擬時較為困難，仍需繼續研究。

圖2 三維機織物結構圖

2.2 編織結構

2.2.1 二維編織結構

對于二維編織結構，編織物的厚度不能大于編織紗直徑的3倍，可加工異型薄殼預制件。在軌道板上，二維編織物的2組編織紗向2個相反的方向運動，紗線與織物形成方向的交織角度是±α°，可通過在軸向加入軸紗系統提高其軸向性能[16]，結構如圖3所示，(α：編織角;h：花節長度)。

圖3 編織物表面圖

2.2.2 三維編織結構

三維整體編織的方法有二步編織法、四步編織法，編織形式有方形、圓形編織形式[10]。二步編織法編織的預制件中的紗線在空間上呈5個方向，軸向紗線的比例較大，四步編織法的基本編織形式中只有編織紗，可以向其中加入軸紗，在織物內部的空間內，紗線取向有4個方向，在不同方向加入軸紗，就可以得到三維五向、六向、七向的編織預制件[17]，如圖4所示。可以設計三維編織預制件，可設計參數有編織角、節點的長度、襯里紗線數量，改變這些參數，復合材料的性能也會隨之改變。但市場上工業編織機的編織寬度不寬，編織的速度不高，所以其應用并不廣泛[18-19]。

圖4 三維編織結構圖

2.3 針織結構

2.3.1 平面針織結構

2.3.2 多軸向針織結構

多軸向針織結構是采用針織經編工藝用另一組紗線把已經按經向、緯向和其他方向鋪放在一起的伸直的紗線連接在一起而形成的織物結構，如圖6所示。將其制成復合材料，因襯紗呈伸直狀態，力學性能會很好，影響性能的參數有不同方向襯紗的數量、層數和每層直鋪紗線的方向，可以通過改變這些參數來滿足性能要求。多軸向編織結構的厚度有一定限制，但寬度可以滿足使用要求[21-23]。

圖5 平面針織結構圖

圖6 多軸向針織結構圖

2.4 縫合結構

20世紀80年代，縫合復合材料開始被使用，經多次試驗表明，縫合處的抗拉強度比未縫合處高70%以上，與二維層合板相比，三維縫合復合材料具有制作方法簡單、成本低、抗沖擊損傷能力強、損傷容限高等優點，可是在縫合的過程中會損失面內纖維，從而導致面內剛度、強度的下降，另外縫合結構織造的設備昂貴，縫紉構件的尺寸會受到縫紉機寬度的限制，仍需大力研究[24]，結構如圖7所示。

圖7 縫合結構圖

2.5 非織造結構

非織造布應用在紡織復合材料領域中的時間較短。非織造織物主要有平面非織造布、正交三維非織造織物2種，將多層平面非織造布通過化學粘合法或者針刺法連接起來，就得到了三維非織造布，如圖8所示，其中正交三維非織造物被應用在航天的特殊復合材料構件中。在負荷應力下，非織造織物均勻地分布，損害穩定性好，可以在混凝土結構中用來代替鋼[25]。

圖8 非織造內部結構圖

3 紡織復合材料成型工藝

復合材料成型工藝從最開始的手糊工藝發展到現在，已經有了幾十種，每種工藝都有各自的特點。成型工藝對復合材料的外觀形狀、內在性能等各方面起著決定性的作用，是制備復合材料的關鍵步驟，涉及到高分子物理、化學、流體力學、材料力學等多學科，目前使用較多的紡織復合材料成型工藝包括模壓成型工藝、纏繞成型工藝、樹脂傳遞模塑(RT M)成型工藝、熱壓罐成型工藝、3D打印成型技術等。

3.1 模壓成型工藝

模壓成型工藝就是將浸漬有樹脂基體的織物預浸料裁剪成與模具配套的形狀，隨后將預浸料按照設計的角度順序鋪覆在模具陰模內，合上陽模，再對其加壓加熱，使得樹脂和織物充滿模腔，在固化溫度下固化成型，最后脫模、加工得到紡織復合材料制品，成型過程如圖9、圖10所示。影響模壓成型制品質量的因素包括溫度、壓力、加壓點的選擇、預浸料含膠量、模具的加工精度等，紡織復合材料所用基體材料多為樹脂，模壓成型過程要配合樹脂的流變特性和固化交聯反應，所以加壓點的選擇、加壓壓力、固化溫度制度都對模壓成型制品起著重要的作用。模壓成型工藝生產效率高，可一次成型，制品尺寸精準，表面平滑，但模具設計制造麻煩，成型時樹脂不易流動，制品易出現纖維變形、分層等各種缺陷[26-28]。

圖9 模型成型工藝流程圖

圖10 模型成型原理

3.2 纏繞成型工藝

纏繞成型工藝自20世紀30年代才逐漸發展起來，在復合材料成型工藝中是使用最早的自動化工藝技術。將浸有樹脂的連續纖維或織物帶，按照設計的纏繞規律纏繞到芯模上面(芯模形狀有球形、方形、圓柱等各種形狀)，隨后固化成型、脫模、后加工，最終得到纖維纏繞復合材料制品，這就是纖維纏繞成型工藝，成型過程如圖11所示。纏繞成型工藝有干法、濕法和半干法纏繞3種，干法纏繞是指纖維不需要再經過浸膠槽浸漬樹脂，直接使用浸漬過樹脂的預浸料，經過加熱設備軟化后就可進行纏繞;濕法纏繞過程中，纖維需要經過浸膠槽浸漬樹脂，才可進行纏繞;半干法纏繞中，纖維也要經過浸膠槽浸漬樹脂，纖維浸漬樹脂后，不能直接進行纏繞，要經過預烘干步驟。在實現纖維連續有規律的穩定纏繞，同時制品形狀結構尺寸不同的情況下，纖維纏繞規律被分為環向纏繞、縱向纏繞、螺旋纏繞3類，環向纏繞是指芯模繞著自身軸線勻速地轉動，導絲頭在與軸線平行的方向，沿著芯模筒身運動，纏繞角接近90°;螺旋纏繞是指芯模繞著自身軸線做勻速圓周運動，導絲頭在平行于軸線的方向，采用特定的速度做往復運動，纏繞在芯模上的曲線呈螺旋狀，螺旋纏繞的纏繞層皆為雙層;縱向纏繞是指芯模圍繞著軸線轉動，導絲頭在固定的平面上做勻速圓周運動。纏繞角一般不大于20°，3種纏繞規律的纏繞效果如圖12所示。影響纏繞制品質量的參數有纏繞張力、纏繞規律、纏繞角度、固化方式等，在不改變外形尺寸的前提下，可通過改變纖維材料、纖維層厚度比和纏繞角度等因素，設計出不同的纖維纏繞復合材料結構，有效改善纏繞制品的剛度、強度和抗沖擊等力學性能。纏繞成型工藝具有生產率高，可生產大型制件，且制件具有可設計性強、強度高、精度高等突出的優點，可以實現低成本制造高性能的紡織復合材料，但是纏繞成型制品無纖維間的纏結，層間性能不好[29-31]。

圖11 纏繞工藝流程圖

3.3 樹脂傳遞模塑成型工藝

樹脂傳遞模塑(RT M)成型工藝是指將織物預制件放入密閉模具中，在壓力或者真空作用下，將樹脂基體緩緩注入模腔，使樹脂充分浸潤織物，隨后加熱固化成型、脫模、后加工，最終得到復合材料制品的技術，如圖13所示。相較于其他成型工藝，RT M成型工藝步驟簡便，省去了制作預浸料及繁雜的真空袋壓的過程，生產效率高，生產時間短，制品精度高，表面光滑，但注塑工藝不可控性大，容易產生干斑和氣泡，織物預制件容易發生變形，制件力學性能和耐久性會隨之降低，可通過改善注膠壓力、注膠溫度等工藝參數，以及增加注膠出膠口、分段壓力差注膠、結合仿真模擬等方式來調控。RT M成型工藝自出現，又衍生出了5種工藝：真空輔助RT M工藝(VART M)、Light-RT M成型工藝、樹脂浸漬模塑成型工藝(SCRI MP)、樹脂膜滲透成型工藝(RFI)、結構反應注射模塑(SRI M)[32-35]。

3.4 熱壓罐成型工藝

圖13 RT M成型工藝流程圖

熱壓罐成型工藝較為成熟，可以生產大型而復雜的復合材料制品，在航空航天及民用飛機領域中，多采用熱壓罐成型制品。將復合材料胚料、隔離材料等按照順序放在模具上，再用真空隔膜進行密封，隨后對其抽真空，加壓加熱固化成型，這就是熱壓罐成型工藝，如圖14、圖15所示。熱壓罐成型工藝穩定，適用于聚合物基材料的成型，因壓力和溫度都比較均勻，熱壓罐制品的空隙率較低，性能穩定，但在鋪覆胚料階段均是人工鋪覆，太過耗時耗力耗料，效率也不高，對于結構復雜、體積很大的制件，操作會更加困難。熱壓罐成型工藝的影響因素主要有溫度、壓力、升溫速率、保溫時間、模具設計，可以通過調控這幾個因素來優化熱壓罐成型復合材料[36-37]。

圖14 熱壓罐成型工藝材料工裝示意圖

圖15 熱壓罐成型工藝流程圖

3.5 3D打印成型技術

3D打印成型技術是近些年新興的增材制造技術，在計算機軟件的幫助下，將短切纖維/連續長絲纖維/織物和基體材料通過材料成型設備一層層逐漸疊加在一起一次成型為復合材料，成型的實體與計算機軟件中導入的模型一模一樣。與傳統的成型工藝相比，3D打印技術無需傳統的模具等設備，成型快速，可制造各種復雜的構件，將三維模型轉化為實體，可無縫連接，省時省力耗費低，被認為是制造業的技術革命。3D打印技術根據成型原理可分為：熔融沉積技術(FDM)、選擇性激光燒結技術(SLS)、立體光刻技術(SLA)、疊層實體制造技術(LOM)，原理圖如圖16所示。在3D打印技術中，FDM應用最為廣泛，成型原理是熱塑性原材料經過加熱而融化，隨后被擠出到工作區域成型;SLS技術較為成熟，通過CO2激光束將均勻鋪撒在工作區域的粉末狀原材料燒結，使基體和增強體粘結在一起而成型為復合材料實體;SLA技術是通過紫外激光使光敏聚合物產生光聚合反應，從而與增強體復合成實體結構件;LOM通過計算機控制激光對預浸料進行切割疊加，從而完成復合材料成型。3D打印技術未來要解決好在多維方向產生的連續堆積問題，開發更多的適用于打印的材料，提高其精度，使其產業化、智能化、集成化[38-41]。

圖16 3D打印技術成型原理圖

4 紡織結構復合材料的應用

4.1 航空航天

航空航天材料要滿足質輕、抗疲勞、耐高溫等各種性能要求，先進的紡織復合材料可以滿足航天航空材料的需求。目前，航空用紡織復合材料多為熱固性復合材料和熱塑性復合材料，紡織復合材料可以用于飛機的雷達罩、螺旋槳、發動機葉片、發動機、火箭噴管和再入保護殼體等[42-43]，如圖17所示。

圖17 紡織復合材料在航天航空中的應用實例

4.2 交通運輸

自行車、汽車、輪船、高速列車和軍用車輛這些交通工具的部件、主體構架都有采用紡織復合材料。紡織復合材料的強度、剛度很大，采用其制作的部件不容易發生變形，可保持完美的流線型外形。由織物復合材料制成的容器，紡織復合材料可以保證其質量過關、維護次數低，不影響傳播磁場信號和雷達信號，還可以賦予其防彈、耐沖擊等性能[44]，應用實例如圖18所示。

圖18 紡織復合材料在交通運輸中的應用

4.3 建筑工業

建筑領域需要自動化程度高、施工簡便同時又質輕的材料，紡織復合材料是很好的選擇。剛性復合材料構件可制作建筑橋梁等，柔性復合材料可以制作屋頂、隔音板等，如圖19所示。

4.4 軍事工業

一些紡織復合材料可以被電磁波穿透，從而作為軍事領域的隱身材料，用以制作隱形飛機、雷達等軍事裝備。還有一些紡織復合材料耐高溫、耐沖擊、防毒防爆，可以為防彈服、生化防護服和防刺服等軍用作戰服防護材料提供新的材料選擇，具體應用實例如圖20所示。

圖20 紡織復合材料在軍事工業中的應用

4.5 民用生活

在現有的結構材料中，紡織增強復合材料的比強度、比模量高，被廣泛用于制作球拍、樂器、筆記本電腦、游樂船等。此外，紡織復合材料的生物相容性好，耐腐蝕性能佳，可用于支架、人工心臟、人工骨骼等仿生制品以及醫療設備器材[45]，如圖21所示。

5 紡織復合材料的現存問題

5.1 紡織結構

現有紡織復合材料的加工工藝相對成熟，但成本高，制備工藝也較為復雜，三維預制體技術的研究不夠深入，對紡織結構復合材料的發展起著決定性作用的仍是預制件的制造工藝，三維紡織復合材料比層合板復合材料有著更多的優勢，但其工藝還不夠完善，仍需大力發展;目前研究工作多數都未考慮纖維與基體之間界面相的影響;對紡織復合材料的力學性能研究多數都是關于材料彈性性能的分析研究，缺乏完善的強度準則，未來紡織復合材料的研究應當注重力學性能的預報與材料的優化設計。

圖21 紡織復合材料在民用生活中的應用

5.2 成型工藝

隨著越來越多新型材料的出現，新材料與成型工藝之間存在適配問題;復合材料成型工藝耗費人力大，自動化系統發展不夠成熟;與其相關的配套技術仍需要大力綜合發展，才可以提高成型工藝生產效率，促進復合材料成型工藝更快更好地發展。

6 結語

紡織復合材料是一種集合了多種學科的新材料，有很好的發展應用前景。近些年，我國的紡織復合材料無論在原材料領域還是復合工藝技術上都有很大進步，但仍存在很多未解決的問題，需要科研人員去克服，未來隨著科技的發展進步，紡織復合材料一定會發揮越來越重要的作用。