（机械制造及其自动化专业论文）碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制.pdf

摘要 碳纤维复合材料，经过4 0 年的发展，在技术上已趋成熟，它具有耐高温、质 轻、抗拉强度高和弹性模量高的特性，现在广泛应用于体育器械、医学领域、宇 航及工业领域。碳纤维片是将碳纤维浸渍树脂，用特殊工艺制成的纤维定向排列 的复合片材，主要应用于高层建筑、桥梁的修复和补强等，它的骨架材料是正方 形或菱形的非织造网格纱。本课题就是尝试使用纺织工艺实现对片材骨架材料的 开发及研制，设计该网格的成型设备。 本文借鉴经编技术的平行衬纬原理，设计了一个带有纱线导向杆的衬纬滑 架，在一对平行放置且连续运转的输纬链之间往复运动，并在两侧压下装置和移 位耙的动作配合下，使衬纬滑架携带的纬纱带喂入输纬链上有固定间隔的纬纱钩 内，形成相互平行的纬纱层，随输纬链继续向前运动。在与输纬保持同速的驱动 辊的传送下，平行经纱从机器的上方铺在有一定张力的纬纱层的上面，形成的经 纱纬纱交叉的网格。该网格经喷胶将经纬纱的交点粘结在一起，通过烘干、由卷 取装置卷取后即形成了碳纤维片材的骨架材料。 本设计方案的传动机构采用先进的控制方式，即对输纬、衬纬、卷取三部分 分别用三套独立的伺服驱动系统进行控制，并将输纬的驱动轴作为主轴，形成速 度和位置闭环，使衬纬和卷取的速度时刻与主轴保持同步。因此衬纬机构的运动 规律不再依赖传统的正弦形式，往复运动速度采用分段为匀加速、匀速和匀减速 规律，其中加减速运动时间按照工艺要求由伺服控制器设置。输纬链两侧的移位 耙、压下纬纱装置和衬纬滑架上的纱线导向杆都采用气动控制，由此组成一个气 动回路。气缸的动作由先导式电磁方向控制阀、接近开关和传感器分别进行方 向、时间控制，而所有这些控制信号都经过p l c 控制器统一控制，从而实现了机 械体化。 本课题设计内容给出了牵拉卷取的数学模型，为了使成形纱网在卷取时线速 度始终保持恒定不变，还给出了纱线张力补偿的数学模型。 本课题所设计的方案利用德国m a li m o 缝编机完成衬纬部分的实验，并取得成 功。由于衬纬部分是该成形机的关键部分，因此这一实验对机器整体设计进行了 检验，说明了设计的可行性。 由于我国碳纤维的研究刚刚起步，技术力量不足，设备也很缺乏，因此本课 题片材骨架成形机的开发和研制对发展我国的碳纤维事业有着重要意义。 关键词：碳纤维片材复合材料：骨架；经编技术；衬纬工艺；交流伺服驱动系 统；卷取控制系统；纱线张力补偿控制系统；t & 4 l i m o 缝编机 a b s t r a c t t h em a n u f a c t u r eo fc a r b o nf i b e r sc o m p o s i t e s ，a f t e ra4 0y e a rp e r i o d o fd e v e l o p m e n t ，n o wism o r em a t u r eo nt h et e c h n i q u e b e c a u s eo fi t s p r o p e r t i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fl i g h tw e i g h t ，s t i f f n e s s ，a n t i h i g h t e m p e r a t u r e ，h i g ht e n s i l em o d u l u s ，c a r b o nf i b e ri sw i d e l yu s e di na v a r i e t yo fa p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n ga e r o s p a c e ，s p o r t i n gg o o d s ，m e d i c i n e a n di n d u s t r y c a r b o nf i b e rs h e e t ，m a n u f a c t u r e db ys p e c i a lp r o c e s si sa s i n g l e p l y ，e p o x yi m p r e g n a t e d s h e e t b e c a u s ec a r b o nf i b e rs h e e t m a t e r i a li sf l e x i b l ea n dw i l lc o n f o r mt oa l m o s ta n ys h a p e t h euseo fi t f o rt h es t r e n g t h e n i n g r e p a i r o fb r i d g e g i r d e r sh a sb e e nw i d e l y p r a c t i c e di nt h ew o r l d i t sr e i n f o r c e m e n ti sak i n do fg r a t i c u l ei n s h a p eo fs q u a r ea n dr h o m b u s t h ea i mo ft h i sd e v i s ea t t e m p t st op r e s e n t 8m e t h o do fd e s i g n i n gt h eg r a t i c u l eb yt e x t i l et e c h n o l o g y ，a n dd e v e l o p s ag r a t i c u l es h a p i n gm a c h i n e t h i sd e v i s e r e f e r st op a r a l l e lw e f tt h r e a dl a y i n gp r i n c i p l eo fw a r p k n i t t i n gm a c h i n e ，d e s i g n s aw e f tt h r e a di n s e r t i o na r r a n g e m e n tf o r t h e w e f tt h r e a dm a g a z i n eo ft h i sm a c h i n e t h em a g a z i n ei n c l u d e sap a i ro f e n d l e s sc o n t i n u o u s l ym o v i n gc o n v e y o r s ，e a c hh a v i n gap l u r a l i t yo fh o o k s f o rr e t a i n i n gw e f tt h r e a d si np a r a l l e la n d f o rd e l i v e r i n gt h e mt ot h e n e x tp r o c e s s i n g a l s ot h ew e f tt h r e a dl a y i n ga r r a n g e m e n ti so p e r a b a lt o t r a n s v e r s e l yr e c i p r o c a t eb e t w e e nt h ec o n v e y o r sa n dt r a n s p o r tw e f t t h r e a d sf r o monec o n v e y o rt ot h eo t h e r t h ew e f ti n s e r tc a r r i a g eo ft h e l a y i n ga r r a n g e m e n t ，h a v i n g ap l u r a li t yo ft h r e a d g u i d e s f o r t r a n s f e r r i n gw e f tt h r e a d sa r o u n dt h eh o o k s ， i si nc o n j u n c t i o na n d c o o p e r a t i o nw it ht h ec o n v e y o r s b e f o r ee a c hc r o s s i n go ft h ec a r r i a g e ，a f l a tb o a r d h o l d sd o w nt h ew e f tt h r e a d s 。 a n dar a k e a d j a c e n te a c h c o n v e y o re x t e n d se a c hs t r a n d ，r e l a t i v et ot h ec o n v e y o r ，ad is t a n c eo f o n eb a n dw i d t hf r o maf i r s th o l d i n ge l e m e n tt oas e c o n dh o l d i n ge l e m e n t u p s t r e a mo ft h es a m ec o n v e y o r t h et h r e a dg u i d e s ，r a k e ，f l a th o a r da n d c o n v e y o r sa r eo p e r a t e dv e r yw e l l s ot h a tt h el e n g t h so fs t r a n d s e x t e n d i n gb e t w e e nc o n v e y o r sw i l lb ep a r a l l e lf o rp r e s e n t a t i o nt of a b r i c f o r m i n gm e a n s t h ew a r pt h r e a di sc o n v e y e do v e rt h ec o n v e y o rb yd r iv e w h e e lw i t ht h es a m es p e e do ft h ec o n v e y o r ，l a i do nt h et e n s i n gw e f t t h r e a dl a y e r ，f o r mt h et h r e a dg r a t i c u l e t h e nt h ep o i n to ft h ec r o s s i n g i nt h ef a b r i ei sb o n d e db yt h ec e r t a i ng l u e f i n a l l yt h ef a b r i ci s t a k e nu p 。f o r m i n gt h er e i n f o r c e m e n to ft h ec a r b o nf i b e rs h e e t t h ed r i v eo ft h i sp r o j e c tu s e st h ea d v a n c e dm e t h o d ，t h a t is ，t h r e e s i n g l e a cs e r v od r i v es y s t e m st oc o n t r o l c o n v e y o r s ， w e f t l a y i n g a r r a n g e m e n ta n d t h ea r r a n g e m e n tr e s p e c t i v e l y t h ed r i v i n gs h a f to f c o n v e y o r si sa l s ol o o k e da st h em a i ns h a f t ，m a k i n gt h em o v e m e n to ft h e t h r e a dg u i d ea n dt a k e n u pa r r a n g e m e n ts y n c h r o n o u sw i t hi t p a r t i c u l a r l y t h ed r i v e s p e e di sn o td e p e n d e n to nas i n u s o i d a lf u n c t i o nw h i c hi s d e t e r m i n e db yt h em e c h a n i c a l u n i t ，b yu t i l i z i n gt h eservod r i v e ， p e r m i t t i n ge n t i r e l yanews p e e dp a t t e r n ，i n c l u d i n gt h r e es e c t i o n so fa n a c c e l e r a t e ，e v e na n dd e c e l e r a t em o v e m e n t t h ea c t i o n so f h o l d d o w n a p p a r a t u s ，t h r e a dg u i d ea n dr a k ea r ea l lc o n t r o l l e db yp n e u m a t i c c y l i n d e r s ，t h e r e f o r e ，t h e yf o r map n e u m a t i cc i r c u i t b u ta c t i n gt i m e a n dd i r e c t i o no f c y l i n d e r sa r ed e t e r m i n e d b yp r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ( p l c ) t h i sd e v i e eg i v e st h ed e t a i lc a l c u l a t i o no fd r i v i n gp a r t s a l s oi t d e v e l o p s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f w i n d i n gp a r t ，m e e t i n g t h e r e q u i r e m e n to ft h ec o n s t a n tt a n g e n ts p e e do fw i n d i n g t h er e l e v a n te x p e r i m e n to ft h i sp r o j e c ti sf u l f i l l e d u s i n gt h e s i m i l a r e q u i p m e n t o fg e r m a n i cm a l i m o s t i t c h b o n d i n gm a c h i n e t h e successo ft h ee x p e r i m e n tv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h i sp r o j e c t b e c a u s et h es t u d yo fc a r b o nf i b e rc o m p o s i t ei no u rc o u n t r yi sl a t e r t h a n t h a ti na d v a n c e dc o u n t r i e s ，t h i sd e s i g n a t i o no fg r a t i c u l es h a p i n g m a c h i n en o to n l yh a sp r i n c i p l es i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oh a sp r a c t i c a l v a l u e k e y v o r d s ： c a r b o nf i b e rs h e e tc o m p o s i t em a t e r i a l ； r e i n f o r c e m e n t ： w a r p k n i t t i n gt e c h n i q u e ；l a y i n gw e f tt h r e a d sp r o c e s s i n g ；a cservod r i v e c o n t r o ls y s t e m ：t a k e u pc o n t r o ls y s t e m ：c o n t r o ls y s t e mo fc o m p e n s a t i o n f o rt e n s i o n ： m a l i m os t i t c h b o n d e dm a c h i n e 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 第一章碳纤维复合材料概述 1 1 复合材料 日新月异的工艺进展提出了需要具有多种性能的材料的要求，而单靠种材料不 能满足上述要求，复合材料就成为最佳的选择。复合材料是指由两种或两种以上的材 料按要求组合而成的新材料，新材料具有成分中任何单一材料所不具备的特性。大多 数情况下。复合材料有两相，其中一相分散于另一相之中。前者称为分散相，一般起 增强作用，故又称增强相或增强材料，而后者则稼为基体相或基体材料。 复合材料具有相对密度小、比强度高、耐腐蚀、透微波、电绝缘、抗老化、使用 寿命长、工业性能好等一系列优异的技术性能。它最大的特点是性能可设计性和材料 与产品结构的同一性，这是其它材料所不具备的。复合材料的应用范围正目益扩大， 在很多领域已成功的替代了金属和合金，如汽车、航天、电子、军工和体育用品等。 1 2 碳纤维( c a r b o nf i b e r ) 在复合材料的发展过程中，最重要的事件当属碳纤维的出现，由于其比刚度、比 强度都明显优于其它纤维，故构件的性能取得了突破性的提高，使复合材料的应用领 域进一步扩大。 碳纤维又称增强复合材料( c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ) c f r p ，是由含碳 量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石 墨化等工艺制成的，其含碳量随种类不同而异，一般在9 0 以上。 1 3 碳纤雏的分类 1 9 6 1 年日本大阪工业研究所进藤博士用美国聚丙烯腈纤维奥纶为原料研究开发成 p a n 基碳纤维，1 9 6 3 年日本群马大学大谷教授利用煤焦、石油炼制的副产品沥青开发 研究成功沥青基碳纤维。因此根据原料、制造方法的不同，碳纤维分为p a n ( 聚丙烯腈) 基碳纤维和沥青基碳纤维两大类。 1 。4 碳纤维的性能 碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等， 但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性，沿纤维轴方向表现出很高的 强度。同时碳纤维比重小，有很高的比强度，与钢材相比，重量减轻3 4 ，而强度提高 4 倍。 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有 结构材料中是最高的。经加速老化试验表明，长期承受紫外线，核幅射下可历时4 0 年 性能不变，长期在5 4 c 8 2 。c 温度下工作，其强度也不会降低。因此在强度、刚度、 重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复 合材料都颇具优势。又由于碳纤维材料耐酸、耐碱、耐盐、耐老化、耐高温、耐低温 等。敌碳纤维材料粘贴在表面后对原结构具有良好的保护作用。 1 s 碳纤维的用途 碳纤维产生于5 0 年代，7 0 年代在技术上已趋成熟，现在广泛应用于体育器械、纺 织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科 技工作者不断努力研究，碳纤维的性能也不断完善和提高。 一般来说，碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料， 其中p a n 基碳纤维主要应用于军事、宇航、体育用品及工业领域。沥青基碳纤维则更 多地应用于土木建筑领域：高层建筑、高速公路和桥墩的修补和补强、复合增强建筑 材料等。 1 5 1 在各产业领域的应用 碳纤维在体育、一般产业、航空航天这三大领域的各用途中都很明显地体现了碳纤 维复合材料的特征。在体育、文娱方面，欧、美、日本碳纤维复合材料产品已成为人 类维护健康、锻炼和竞技的必需品。碳纤维在一般产业发展潜力很大，用比重小的碳 纤维制作机器外壳、压缩天然气罐、汽车配件、发电机叶片等已有开发应用，另外碳 纤维在电子、医疗方面应用也有很大发展。 用碳纤维作为航空航天材料可以节省油耗，提高航速，这是因为飞行器的重量每减 少l 公斤，运载火箭就减轻5 0 0 公斤，所以，各国在航空航天工业中纷纷采用碳纤维 材料。 1 5 2 在木建筑方面的应用 八十年代初，碳纤维开始应用于土建工程中，目前已成为土木工程界补强技术的 一种新趋势。这是因为混凝土结构物由于设计、施工中的缺陷、或由于遭受某种偶然 因素( 如火灾、地震、船撞等) 或由于荷载等级的提高等原因而使结构物受到损伤， 因而为保证安全常需对结构物进行维修、补强、修复或加固。而碳纤维复合材料加固 2 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 修补混凝土技术作为一种新型的结构加固技术，利用对混凝土有很强的渗透性和足够 的粘结强度的树脂，将碳纤维布粘贴于混凝土表面，能达到对结构加固补强的目的。 目前应用于加固恢复的碳纤维的主要结构形式有片材、棒材、型材、特殊构造用 材料。由于片材的运输便利，施工方便，以及对结构形状的适应性较好等优点，故使 用范围较宽，合理使用c f r p 片使它与原结构中的钢筋协同承受拉力，可以提高结构的 承载能力。从国际使用情况看，片材使用量也最大，且技术最成熟，美、日、加、西 欧等国均已有了相应规范。我国在结构加固修复中也主要采用片材。 采用碳纤维材料进行结构加固，也只是近十年的事情，因而还有很多工作要做， 其前景无疑是广阔的。从1 9 9 0 年以后，尤其在日本多次大地震中，碳纤维修复技术和 抗震加固方面已积累了丰富的经验且已被国际广泛接受。碳纤维在国外的工程应用中， 主要是桥梁工程方面，其次是房屋建筑领域，而我国主要应用于房屋建筑领域，其次 才是桥梁工程领域。 1 6 磺纤维发展 1 6 1 国外发展情况 碳纤维是应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，1 9 5 0 年美国w r i g h t p a f f e r s o n 空军基地将人造丝通过2 0 0 0 高温进行牵引，制成了高强度碳纤维。继6 0 年代日本分别制成沥青基碳纤维和p a n 基碳纤维后，1 9 7 2 年美国杜邦公司又生产出强 度达3 0 0 0 m p a 的a r a m i d ( 阿拉米德) 碳纤维。8 0 年代初期，高性能及超高性能的碳纤 维相继出现，也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。 1 9 7 0 年1 9 8 3 年日本东丽公司、东邦人造丝公司、三菱人造丝公司利用以上研究 成果建厂，进行了碳纤维的工业化生产，其后又与美国、德国、英国合作并建立予公 司生产碳纤维。此阶段人们充分利用碳纤维轻、细、耐久性等性能进行应用开发推广， 保持了碳纤维的稳定生产及产品质量提高。工业化生产后的碳纤维产品，同本应用于 体育器具如钓鱼竿、高尔夫球竿、网球拍框，欧美则用于航空、航天工业。1 9 8 5 年 1 9 9 0 年欧美继续对碳纤维产品性能的提高和加工技术进行深入的研究。 随着工业技术的进步，碳纤维的价格逐渐降低，产业及土木建筑需要量急增，特 别是1 9 9 5 年1 月，同本发生阪神大地震后，各国广泛采用碳纤维片材进行修复补强， 且技术不断成熟，同时也更加扩大了碳纤维的应用前景。目前世界各国的研究机构普 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 遍展开研究，成立专门委员会，建立相关的研究开发基地，针对碳纤维材料的应用制 定规范。但目前国际市场的碳纤维材料主要是由日本生产，其次由美国生产，其他国 家的产量份额均只占极少数量。 1 6 2 国内发展情况 从2 0 世纪8 0 年代起，我国就开始进行碳纤维科技攻关，同时也安排了一批应用 研究项目。1 9 9 5 年我国第一条从美国阿什兰公司引进的碳纤维生产线在辽宁鞍山投产， 年产2 0 0 吨通用沥青基碳纤维。在研究碳纤维原丝生产及碳化的工艺技术中，一些国 内著名的科研机构，如中科院山西煤化研究所、上海合成纤维研究所、北京航天材料 及工艺研究所、东华大学化纤研究所等在此领域的研究从未中断，不少学术研究的结 论也与国外公开发表的论文总体一致。但目前国内碳纤维的产量和质量与美国、日本 等先进国家相比，存在很大差距，远远不能满足国防及民用的需要，因此大多数工程 应用仍需进口。 对碳纤维加固修复土木结构方面进行研究我国于1 9 9 8 年才开始，但发展势头迅猛， 进展飞快。目前国内已有很多科研院所和高等学校进行了各种试验研究，并撰写了很 多高质量的论文，积累了丰富的资料。北京特希达科技有限公司率先引进用碳纤维修 复补强技术，3 年来通过大量的工程实践，为在我国推广这项新技术奠定了牢固的基础。 但由于我国起步较迟，大都从基本性、验证性和试验着手，因而重复性较多，尚有待 进一步深化。我国已有采用碳纤维进行修复的实例，如对北京人民大会堂，历史博物 馆等建筑物进行了补强和加固；在桥梁工程方面，对天津十一经路立交桥工程的墩柱、 墩帽加固；南京机场路高架桥空心板补强修复等等。 因此，从应用碳纤维的角度而言，我国一方面面临着研究碳纤维材料起步晚，相 关的技术力量比较薄弱，所用碳纤维及生产设备几乎全部依靠进口，另一方面又面l 临 着有我国是消耗碳纤维的大国。如果这些碳纤维全部从国外进口则耗资巨大，因此这 就向我们提出了必须依靠本国技术力量生产碳纤维的要求，本课题也是基于这一国情 考虑的。 4 碳纤维片材复台材料骨架的开发和研制 第二章片材骨架成形的原理 2 1 碳纤维片材( c a r b o nf i b e rs h e e t ) 的制作 尽管碳纤维本身具有质轻、坚固的特点，但只有将它与基体材料牢固地结合在一 起时，才能利用其优异的性能，更好地承载负荷，因此自碳纤维开始工业化之日起就 陆续开发了预浸料、织物、编织带等有一定形态的中间基体。8 0 年代后，世界上大部 分碳纤维都是以预浸料的形式应用的，因为在该形式中，纤维直线性能良好，强度明 显提高，而且施工方便。 补强修补混凝土结构用的碳纤维片材“u 一于一，”( 里贝拉克) 是预浸料的一种 形式，它是将碳纤维浸渍树脂，用特殊工艺制成的纤维定向排列的复合片材。具有高 强轻质、抗腐蚀、耐老化、物力性能稳定等诸多优点，其抗拉强度约为同等截面钢材 的7 1 0 倍。碳纤维片修复补强混凝土结构技术则是利用环氧树脂将碳纤维片粘贴在 混凝土结构物的表面，形成一体共同工作，以达到对结构物及构件的加固补强的目的， 使实际工程中的施工性和经济性大大优化。 目前，国内普遍采用的应用于混凝土结构修复补强的碳纤维材料，主要有两种形 式。一种是以日本、美国等国为代表生产的碳纤维片材：一种是以瑞士等国家为代表 生产的碳纤维板材。由于碳纤维片材十分柔软，旌工中随形性极强，其对混凝土结构 的修复补强不受结构外形的影响而被广泛采用。 单向片 单向预浸片 纤维柬方向 纤维数量 纵向 纵向 单向织物( 包括带状织物) 纵向 双向织物 纵横各向 2 0 0 或3 0 0 9 f f 2 0 0 或3 0 0 9 时 图2 - 1 碳纤维片的分类 同本制造的碳纤维片是将碳纤维束按设定的方向排列在一个平面内，并用少量粘 结剂粘贴于基网上，或将碳纤维束编织成布片状。如图21 ，碳纤维片又可区分为单向 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 片，单向预浸片，单向织物，双向织物四种。单向片中纤维束只按一个方向排列，双 向织物中纤维束则按纵横两个方向排列。片中纤维数量定义为每平方米内的纤维重量， 纤维片厚度随每平方米内纤维量的多少而不同，市售的1 0 余种纤维片，其厚度在 0 1 1 l m m 一0 4 3 0 m m 之间。纤维片产品以几种不同的幅宽和长度( 例如5 0 c m x l o o c m ) 成 卷供应。 图2 2 碳纤维单向片及织物示意图 如图2 2 为碳纤维单向预浸片和碳纤维织物的示意图，其中单向碳纤维片材是最 基本的中间基材，由于碳纤维是按同一方向排齐后浸渍环氧、聚酯等液状基体的，纤 维成连续直线排列，故纤维的力学性能利用率比织物、c f s m c ( 碳纤维片状模塑物) 、 c f r t p ( 碳纤维增强热塑性粒料) 等都高。 又由于碳纤维模量高，断裂伸长小，弯曲性差，双向织物的纤维相互摩擦时易起 毛，而单向碳纤维片材中的纤维呈直线排列，就不产生编织摩擦，纤维强度不致降低， 纤维的力学性能可被有效地利用。而且因纤维不弯曲，成形品表面平滑，碳纤维均匀 分散，浸渍树脂性能好，经丝密度可自由控制，故生产效率高。 在片材中，用于铺放单向碳纤维的基网形成骨架材料，它的作用是保持纤维有序 而不乱，同时便于施工。纱网的纱线一般为玻璃纤维，也有用其它纤维的，纱网上浸 约5 0 的树脂，以便与无纬碳布连成一体，保护它成形从而构成片材。从片材的横向截 面看去，它是由无纬布和纱网构成的，一束一束的碳纤维排成的无纬单向碳布的上下 面各粘着一层涤纶纱网格。 纱网是一种非编织物，它的网格可以是正方格或菱形格，以正方格为例，一般为 l o m m xl o r n m 。在织造过程中，经纱全部附在纬纱之上，经涂胶处理后，纬纱和经纱的 交点粘结在一起形成网格，因此纬纱的产生与保证纬纱间距均匀是技术的关键。目前 碳纤维复合材料的骨架材料的网格类型主要有以下几种： 6 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 1 玻璃纤维经纱和纬纱垂直铺放形成1 0 m m l o m m 正方形网格，这里经纱和纬 纱的运动是同步的，并且呈垂直交叠铺放，如图2 3 所示； 图2 - 3 正方形网格示意图 2 玻璃纤维经纱和纬纱垂直铺放形成网状，因为经纱和纬纱运动不同步，因此经纱和 纬纱各自的问距不同，形成长方形格，如图2 - 4 所示： 纬线 图2 4 经线稀疏纬线密集网格纱示意图 3 玻璃纤维经线与纬线呈4 5 。( 或1 3 5 。) 斜铺放，且经线和纬线各自的间距为1 0 m m ， 形成的网格为菱形格，如图2 5 所示； 纬线 图2 - 5 纬纱斜铺网格纱示意图 4 骨架材料还可以采用一种很薄的薄膜，与碳纤维一同加热时熔化。 碳纤维片材骨架制作时，纱网的经、纬都以直线状态配置于织物中，因而需要采 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 用适当的纺织工艺完成经纱和纬纱的铺放，从而形成纱网。下面将对生产纺织复合材 料的经编工艺进行简要介绍。 2 2 经绽工艺介绍 由于碳纤维、芳纶纤维和高性能玻璃纤维等一系列高强度、高模量、高性能纤维 的开发应用越来越受到了工业界的青睐，纺织复合材料各种织物基布也迅速发展，受 到重视。以往各种复合材科多以机织物作为增强材料，但随着化纤工业和经编机械制 造业的发展，作为增强材料的经编织物已成为产业织物领域内的一个热点。国际上著 名的经编机制造公司有德国的卡尔迈耶( k a r lm a y e r ) 公司、利巴( l i b a ) 公司，意 大利的c o m e z 公司等。 经编工艺是针织工艺的一种，其结构的一个明显特点是在经向和纬向都可以织入 增强纱线，且纱线是以直线配置于织物中的。传统的经编织物对强度、模量、稳定性 等要求一般不及机织物，其延伸性也小。现代的经编工艺不但能高速高效的构成织物， 由于采用衬纬编织，还可构成稳定的、纱线间相对滑移很少的稀薄网孔结构。 2 2 1 双轴向衬线经绽工艺 为了克服传统经编织物的缺点，近年来出现了村经衬纬的双轴向经编技术。它具有 以下优点：( 1 ) 组织设计灵活，可根据需要织成不同大小网格或紧密织物；( 2 ) 织物 模量高，尺寸稳定性好；( 3 ) 纱线强力利用率高，经、纬向都有最佳的拉伸强度；( 4 ) 织物幅宽宽、生产率高。 这是由于经编织物中将粗的高模量的纱线衬经、衬纬纱线挺直垂直交叠，并且用纤 细的成圈纱( 束缚纱) 捆缚在一起，因此，经纬纱的潜在强力和模量可得到充分的利 用，在受到纵、横拉伸时，织物始终十分稳定。 双轴向织物根据用途可以选用高强涤纶、玻璃纤维、芳纶、碳纤维等作衬线，涤 纶、锦纶长丝等作束缚纱，因而双轴向经编复合材料产品亦有多种，但都需经涂层或 树脂模塑固化处理，方能作为最终产品来使用。 2 2 2 多轴向衬线经编工艺 在有些产业用品中，织物在各向受力时都需具有良好的织物抗拉、抗撕扯等性能， 因此近年来在双轴向经编机的基础上又发展了多轴向经编机。多轴向衬线经编结构是 一种出基层平直且平行的纱线组，以不同倾角被线圈束缚在一起的经编结构，其特点 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 是在织物中能安排多至四层的不同载荷层纱线组，因而织物在任何方向均能承担相当 大的张力。由于多轴向织物受力时各向同性，具有高的拉伸强力、高的剪切阻力、极 好的涂层分布和内聚力，因而在飞机、宇宙飞船、轮船建造业等方面得以广泛应用。 2 2 。3 缝绽工艺 缝编技术实际上是经编技术的变异，国际上称为马利莫( m a i m o ) 技术。属于马利 莫技术范畴的缝编机成为一个系列，可以分为马利莫型( m a l i m o ) 、苏斯颇尔型 ( s c h u b p 0 1 ) 、马利瓦特型( m a l i w a t t ) 、马利菲力斯型( m a l i v l i e s ) 、马利颇尔型 ( m a l i p 0 1 ) 、和伏尔特克斯型( v o l t e x ) 等六种机型。 采用缝编工艺，具有操作简便、生产率高、所用纱管数量少的优点，可以根据最 终产品的受力特性及强度要求，在单轴向、双轴向或多轴向采用最佳的纱层配置。在 组织结构中，承载纱线不参与交织，基本上处于平直状态。 多轴向缝编技术，纱线层数可铺放6 层或6 层以上，斜向衬纬纱可以为3 0 6 0 。的 倾角，特别适合用于加工玻璃纤维复合材料骨架，发展前景广阔。骨架制作过程中， 纱线承受的应力及磨损较小，与其它工艺制作的复合材料骨架相比，缝编骨架具有利 于树脂浸透、复合过程顺利、成品性能稳定的特点。多轴向缝编织物结构示意图如图 2 6 所示。 图2 6 多轴向缝编织物结构不意图 2 3 课暮的主要内容 该课题的主要内容就是开发研制碳纤维片材的骨架材料纱网产品，要求完成经纱 和纬纱的铺放形成纱网，经、纬相互垂直呈直线状态，并且经纬各自有一定间距( 初 定l o m m ) ，其中纱网的幅宽为5 0 0 m m 。成型的网格经过喷胶处理后，使交叉的经纬相互 粘结在一起，再经烘干加热，最后卷取得到加工好的纱网，留待制作碳纤维片材作为 碳纤维片材复合材科骨架的开发和研制 其骨架。由前所述，在制做该网格织物时，借鉴的双轴向衬经衬纬的经编工艺。 初步设计机器的整体结构是由以下主要部分组成的： ( 1 ) 衬纬机构：完成衬纬工作，喂入的纬纱之间有定间距且相互平行； ( 2 ) 送经机构：将经轴上整经好的经纱按照与主轴同样的速度附在纬纱的上面； ( 3 ) 喷胶、烘干加热机构：将经纱和纬纱的交点粘结起来，形成有一定形状网格的纱网； ( 4 ) 牵拉卷取机构：以一定的张力和速度，将织物引出并成卷； ( 5 ) 传动机构：以主轴为主体，通过链轮链条、齿形带轮、齿轮等各种传动装置，使机 器上的各部分机件互相协调地进行工作。 另外为了使机器便于调整和看管，整个装置还可以添加辅助机构，如为调整机器 方便保证机器慢速转动的慢速传动装置；布卷达到规定需要时使机器停下的自停装置， 以及检查机器转速和产量的仪表等。 2 4 片材骨架成形的原理 2 4 1 衬纬原理 如前所述，片材骨架的网格中纬纱的产生与保证纬纱平行且间距均匀是技术的关 键，也是本课题的重点和难点。而经编技术的衬纬装置可以实现这一目的，它是在普 通经编机的基础上，加装了一套高效多能的衬纬装置，在编织过程中，纬纱从机器左 右两侧分立的纬纱架上的若干只筒子引出，在引出处装有张力器或储纱器，用以均衡 纬纱张力。纬纱层的喂入是由左右往复运动的衬纬滑架，将纬纱架引入的纬纱片进行 铺叠，使纬纱在机器两侧被输纬链条上的纬纱钩钩住。输纬链是用螺钉按定间距装 配纬纱钩的双排滚珠链条，由主轴经减速器控制的两只链轮直接传动。 ， 衬纬装置衬纬滑架可以携带多支纬纱，这样当它往复运动一次，就有多支纬纱被 输纬链上的纬纱钩钩住，极大的提高了生产效率，同时降低了从筒子架上引出纬纱的 速度，允许机器在较高的速度下运转。如按此原理同时有多个衬纬滑架以不同的角度 衬纬纱可以织造出多轴向衬纬经编织物，满足了织物在各方向均能承担相当大的载荷。 2 4 2 普通型衬纬原理 最初机型的衬纬装置铺放的纬纱称普通型衬纬方式，形成的纬纱和针床不成精确 的9 0 9 ，第一次铺放的纬纱层和第二次铺放的纬纱层之间呈一小的夹角，并稍有重叠。 这是由于纬纱的运动是由衬纬滑架和输纬链二者的运动合成的，当衬纬滑架和输纬链 1 0 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 运动方向成直角时，喂入纬纱钩的的纬纱就与输纬链成一小于9 0 。的角。按此衬纬原理 织造的多轴向缝编织物结构中纱线也不是完全平行的，各层纱线的铺放角度不精确， 而且衬入的同层纬纱之间也有相交重叠。但该织物能满足有较好的尺寸稳定性、良好 的悬垂性和良好的树脂亲和性。 图2 7 普通型衬纬示意图 普通型衬纬织物的纱线片在两输送针链之间往复运动，与输纬链宽度方向倾斜， 并且纤维束相互重叠一部分形成带状。图2 7 清晰的表示了带状织物被折叠和搭接的 布嚣，这里纱线带的起始部分4 0 与输纬链及纬纱钩是倾斜的。起始部分4 0 有一个前 缘4 07 ，一个后缘4 0 以及若干紧密相邻且相互平行的纱线，它与输纬链的中心线形成 夹角a 。当衬纬滑架携带纱线束斜向越过输纬链，将纱线带的起始部分4 0 铺放在两条 输纬链之间时，纱线带的每一根纱部绕过相应的纬纱钩且被它的钩子钩住，并且同随 输纬链一起被张紧着向前运动。当衬纬滑架又携带着纱线返回越过输纬链时，形成另 一个纱线带4 2 ，它仍有一个前缘4 2 和一个后缘4 2 。与起始部分4 0 相比，纱线带4 2 的前缘4 2 与后缘4 0 交于一点。纱线带的纱线在输纬链的纬纱钩上的关系是一个接一 个相邻的，而纱线带端部的折角可以为接触或搭接关系。 从图2 7 左图中可以看出，纱线带4 2 的前缘4 2 ，后缘4 2 ”和所有的纱线都与输纬 链的中心线呈一个角度b ，角b 大于角a 。调整衬纬滑架可以改变角a 、角b 的大小。 角a 大小取决于结构的需要，它可以在3 0 至8 5 之间的范围变化；角b 的大小变化， 取决于纱线的宽度和送针链之间的距离等。 如此，第三个纱线带4 3 重叠在第二个纱线带4 2 上，铺放的方向位置同纱线带4 0 一样并与它平行，与输纬链的中心线也呈夹角a 。同理，第四个纱线带4 4 重叠在第三 个4 3 上，铺放的方向位置与纱线带4 2 相同且平行于4 2 ，也与输纬链和铺层2 0 的中心 线成角度b 。铺层2 0 的其余部分与上述所描述的4 0 至4 4 一样，因此，整个铺层包含 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 两组交替的纱线带，每组从输纬链一边延伸运动到相对的另一边，然后再返回，并且 往返两次是按不同的角度，如角a 和角8 。每两个不相重叠的纱线带如4 0 和4 2 ，结合 在一起形成连续的相互交叠的纱线带的排列，贯穿铺层的整个长度。 2 4 3 平行衬纬原理 普通型衬纬具有纱线铺放角度不精确，衬入纱线相互有交叠的缺陷，为了满足纬 纱相互平行且与输纬链呈直角，需要进行改进。例如在左右输纬链外侧各放置一个移 位耙，当衬纬滑架携纬纱越过输纬链一定距离时，纱线进入移位耙齿间，接着移位耙 携带耙齿间的纱线沿与输纬链相反的方向运动，该运动、输纬链的连续运动和衬纬机 构往复运动三者的合成，即能满足所铺放的纬纱与输纬链精确地成9 0 。 带有该平行衬纬装置的机型能同时衬入经纱和纬纱，所衬入的纬纱相互平行，衬 纬滑架能同时可靠敷放多达1 8 或2 4 根纬纱，入纬速度可高达3 5 0 0 m m i n ，而实际敷 纬速度不超过2 5 0 m m i n ，因此可以使用低强力的衬纬纱线。 图2 - 8 2 1 4 按顺序描述了典型平行衬纬的原理图。参照图2 8 ，为了能清晰地说 明铺放纬纱的各个动作，只画出同时有5 支纬纱被喂入输纬链的示意图，而实际的应 用中可以有多达1 0 0 支纬纱同时被送入输纬链的纬纱钩。 图2 - 8 平行衬纬原理示意图( 1 ) 图2 - 9 平行衬纬原理示意图( 2 ) t 2 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 9 、- - - - 、： 蛰 亨之： 啄 蠢= 吨2 甲。6 餐 ； ；i ， x 叫警7 图2 1 0 平行衬纬原理示意图( 3 ) 羟e 啦餮 。卜： 3 。lf 弛 l 一 图2 - il 平行衬纬原理示意图( 4 ) 釜量 啦凑8 莨： 6 7 i7 l 瑚 - - i 3 2 i 1 l 一 2 0 一 图2 1 2 平行衬纬原理示意图( 5 ) 襄； 戤t t ie i 7 ”咔眵 - t _ r 巧乃r r 7 一 i j 一 b 占 图2 1 3 平行衬纬原理示意圈( 6 ) 1 3 碳纤维片材复合材料骨架的开发和研制 2 6 图2 1 4 平行衬纬原理示意图( 7 ) 移位耙相对于输纬链的运动图示于图2 一1 5 中。在该图中，垂直的坐标轴代表输纬 链上的纬纱钩，水平坐标轴代表时间间隔。移位耙相对于输纬链的运动关于时间是一 条由线段组成的不规则折线，用标号1 7 9 表示。单位t ，、t ：等可以代表任何方便的时 间单位，为便于理解，这里的时间单