如何选择合适的复合材料增强织物(复合材料的优势与用途简述)

复合材料层压板或预浸料通常由树脂和织物组成,通常用编织纱线支撑和封装树脂基体——织物被认为是复合材料的基础基材。最终材料表现出的综合性能优于组成材料单独表现出的性能。因此,复合材料的功能和美学特性将根据所使用的织物和树脂而显着变化。因此,仔细选择这两个组件以确保在预期应用中的性能非常重要。

以下指南讨论了选择面料时要牢记的一些关键注意事项。由于复合材料制造商通常在材料制造操作过程中使用织物而不是单根纤维以方便处理,因此它涵盖了设计因素,例如纤维类型、织造与非织造、编织图案、重量、厚度和光洁度。本文还重点介绍了机织物的一般优势和典型应用。

选择复合材料时需要考虑许多因素,下面我们概述一些最重要的。

纤维类型

复合材料制造商在其材料中使用多种织物,以针对不同的应用实现不同的最终材料特性。一些最常用的复合材料应用织物包括:

  • 玻璃——玻璃织物以低成本提供出色的剪切强度、热稳定性和电绝缘性。最常见的织物类型包括S 玻璃和 E 玻璃。S-玻璃比E-玻璃具有更高的强度、抗冲击性、刚度和耐温性。虽然 E 玻璃在这些指标上的性能略低,但它更具成本效益,并具有出色的电气和隔热性能。
  • 芳纶—— 芳纶织物是低密度材料,具有出色的冲击强度、耐火性和隔热性能。

虽然上述织物广泛用于制造复合材料,但复合材料制造商也可以根据应用使用其他织物。例如:

复材

  • 他们使用硼来涂覆碳/金属纤维以提高性能。然而,硼涂层纤维的高成本限制了它们在关键应用(例如,航空航天)或高度专业化应用(例如,专业运动器材)中的使用。
  • 他们将陶瓷纤维用于需要更高耐温性的复合材料。
  • 他们在低技术应用中使用天然纤维。
  • 他们使用聚酯纤维来减轻材料重量,增加抗冲击性和/或耐磨性,并降低生产成本。
  • 他们将石英纤维用于需要低介电常数、高强度和出色耐热性(高达并超过 1000°C)的高级应用。

织物结构

织物可分为织造和非织造两种。机织织物具有紧密的经纬图案,使其难以分开。无纺布具有通过化学或热方法结合在一起的相互连接的纤维基质。虽然织造织物通常比非织造织物提供更大的强度,但后者的耐用性取决于所使用的纤维和涂层。

织物也可以分为单向和双向变化。单向织物的所有纤维都朝向同一方向。因此,它们为特定纤维材料在该方向上提供具有最大可能强度和刚度的复合材料。双向织物具有在两个方向上取向的纤维,这两个方向彼此垂直。因此,它们在两个方向上都提供了强度和刚度。

编织图案

平纹
平纹

机织织物有多种不同的编织图案,每一种都会影响材料的刚度或悬垂性和厚度。对于复合材料,织物最常具有以下图案:平纹、篮子、纱罗、四束缎、八束缎和斜纹。平纹织物是最稳定的,而八束缎面织物则具有最大程度的悬垂性。

八束缎纹
八束缎纹

重量和厚度

织物的重量和厚度取决于纤维的重量和厚度。对于玻璃织物,重量通常在 0.50 osy 到 52 osy(17 gsm 到 1,773 gsm)之间,厚度通常在 0.001 英寸到 0.060 英寸之间。单位“osy”代表盎司每平方码,而术语“gsm”代表克每平方米。 

如果设计和构造得当,复合材料可为客户提供许多优势。一些关键优势包括:

  • 更广泛的设计灵活性。复合材料有多种聚合物和纤维可供选择,使客户能够更轻松、更轻松地选择最适合其需求的材料。此外,所得材料可以设计成几乎任何形状或形式。
  • 更高的生产力。设计巧妙的复合产品可以将多个制造步骤合二为一,从而简化生产过程并节省时间和金钱。
  • 更好的耐用性。复合材料通常坚固耐用。此外,它们对化学品、腐蚀、热/火焰、烟雾和毒性具有不同程度的抵抗力。客户可以选择具有满足其应用要求和限制特性的材料,确保成品部件按预期运行。
  • 更高的强度重量比。与其他材料相比,复合材料具有出色的强度重量比。聚合物和纤维的结合产生了与金属相当的强度和耐用性,而材料重量只是其一小部分。
  • 出色的尺寸稳定性。复合材料适用于需要高尺寸精度的组件,因为它们具有较低的模后收缩风险。

复合材料在广泛的行业中得到应用,包括但不限于以下:

  • 在航空航天工业中,复合材料用于飞机和卫星的部件,例如结构支撑、垫圈、内部元件和货物衬垫。
  • 在弹道工业中,复合材料用于各种安全和保护应用。一些最常见的类型包括对位芳纶材料,例如 Kevlar® 和 Twaron®,以及 UHMW 聚乙烯材料,例如 Dyneema® 和 Spectra®。
  • 在电子工业中,复合材料用作通信、航空航天、汽车、军事/国防和其他行业的印刷电路板 (PCB) 的基础基板。
  • 在电力工业中,复合材料被用作发电和管理设备的绝缘部件。
  • 在食品服务和工业输送带行业,复合材料用于食品加工、烹饪、烘焙和准备以及包装应用。
  • 在娱乐行业,复合材料用于制造各种设备,例如冲浪和滑雪板、赛车、自行车、球棒、曲棍球棒和其他运动装备。

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