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解码碳纤维编织布
/文 2014/10/29
在认识碳纤维增强塑料复合材料制品时,很多人看到具有碳纤维纹路的制品第一感觉就是酷,具有时尚科技感。所以出现很多追求碳纤维纹路外观的制品,在淘宝网搜碳纤维出现最多的便是碳纤维贴纸,这是一种印有碳纤维纹路的贴纸,跟碳纤维八竿子打不着的关系。但是拿碳纤维纹路当做装饰品,未免大材小用。那么,利用不同碳纤维纹路来做碳纤维复合材料制品有什么不一样呢?
碳纤维在复合材料中起到承载载荷的作用,外界作用于CFRP复合材料上的力都会经塑料传递给碳纤维,所以对CFRP复合材料的破坏首先要破坏碳纤维。那么对碳纤维的破坏基本可分两种,一种是平行于碳纤维方向的拉伸力,这个力会将碳纤维拉断,所以要求碳纤维具备较高的拉伸强度;另一种是剪切力,这个力垂直于碳纤维方向,要求碳纤维具备较高的抗剪切强度。可惜在所有碳纤维供应商产品性能参数一栏里都没有出现碳纤维剪切强度的表述。这是因为首先碳纤维剪切强度很小,另一方面碳纤维本身属于一维材料,在直径尺度很小,对碳纤维制品的任何剪切力都可以分解成不同方向碳纤维的拉伸力。
有了这个概念,那么进行复合材料制品设计过程中,尽可能了解制品的受力情况,然后对制品的纤维排布方向进行针对性的优化,尽可能的使作用于碳纤维复合材料外力分解成不同方向上碳纤维的拉伸力,因为拉伸强度高是碳纤维的最大优势,以己之长攻彼之短嘛。二维的编织布是制造碳纤维复合材料制品和预浸料的原料,也是进行纤维排布方向优化的基础。那么对不同碳纤维布编制方向的了解将会有助于碳纤维复合材料制品的设计。
 
平纹编织布
 
平纹编织布,平纹编织的特点是经纱和纬纱以一上一下的规律交织。也就是经纬纱每隔一根纱就交错一次,所以交织点最多,使织物坚牢、耐磨、硬挺、平整,但弹性较小,光泽一般,平纹织物密度不可能太高,较为轻薄,耐磨性较好,透气性较好,布面均匀且正反面相同。这种碳纤维布的纤维束由于一直处于上下起伏的状态,纤维弯曲点比较多,在受拉伸过程中伸长率较高。同时由于相邻两根经纱和相邻两根纬纱交织点位置由于纤维束的滑动出现眼孔。平纹编织的变种形式也很多,比如12K经纱与1K纬纱混合编织。由于经线和纬线方向上纤维束的反射光不同,因此平纹编织纤维布可观察到格子状的外观,类似于国际象棋的棋盘。
 
斜纹编织布
 
 
斜纹编织布,斜纹编织纤维布具有与纤维束排布方向有一定夹角的斜向纹路,这个纹路方向上并不存在纤维束,而是由于纤维束经纬向编织过程,经向或纬向纤维束跳过两束纬向或经向纤维进行编织。也就是纤维束一上一下的编织频率减小,纤维束浮长增大,同时相邻两个纤维束错开一个编织位。这样就造成了斜纹编织布的斜向纹路特点。这种斜纹外观具有很强的立体感,用来做汽车改装制品,比如面板、引擎盖、排气筒等。
 
缎纹编织布
 
缎纹编织布,缎纹编织具备单独的、互不连续的经交织点(或纬交织点)在组织循环中有规律的均匀分布,这样的编织形式称为缎纹。它的特点是经线(或纬线)浮线较长,交织点较少,它们虽形成斜线,但不是连续的,相互间隔距离有规律而均匀,此纤维布结构形式称为缎纹组织。缎纹纤维布经纱和纬纱至少隔三根才交织一次,因此这种编织结构使织物密度更高,因而纤维布更加厚实。这种缎纹纤维布表面平滑匀整,质地柔软,富有光泽或稍呈纹路。这类纤维布强度低于平纹和斜纹。
这三种编织形态由于碳纤维束受到弯曲和其他纤维束的影响造成碳纤维布的强度有差异,而且表征碳纤维编织布强度的指标有拉伸力、撕扯力、顶破力、弯曲力等,这些也是随着编织方式的不同各有差异。总体来说在碳纤维束排布方向上的拉伸强度与纤维强度和纤维摩擦力相关。而与纤维束不同的方向上的拉伸力则与纤维的编织形态关系较大了,一方面这一拉伸力可分为纤维平行方向和垂直方向上的力,平行方向的力要求纤维强度高,垂直方向上的力则与编织形态对纤维束的阻力有关了。东华大学纺织学院研究发现编织结构对织物强度的影响是平纹>斜纹>缎纹,而在撕扯强度方面则是缎纹>斜纹>平纹。不过单独研究编制结构对复合材料的影响有一些片面,需要综合基体材料及制品受力情况来考量。
本文说论述碳纤维布的概念属于狭义范畴,碳纤维布有编织类的,就像我们今天将的平纹、斜纹、缎纹编织;针刺类的,像针刺薄毡和无纺布;还有一种无纬布,就是整个纤维布的纤维排布在一个方向上,这在预浸料中很常见,靠网胎和树脂保持布状形态。碳纤维布是我们设计复合材料的基础,根据受力情况优化某一方向上纤维束的排布方向是关键,可设计性是复合材料得以存在的优势,国内复合材料制品企业在这一方面的研究应该更深。
 
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