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热塑性纬编针织物复合材料的制备和拉伸变形性能的研究 摘要 近冬来产业用纺织黠 ! 譬到7 迅猛地发展，广泛酶使用在工监、农 遭、交通运输、能源、蒸石鑫王程、航天航空、环境保护和入体保护等 各个领域。其中，纬编针织热塑性复合材料因其结构和基体的性质具 有良好的柔软性和定的变形性能，可以用在很多柔软、可变性并吸 收能量的制品上，比如水中活动的柔性防波堤等。目前，因外对热塑 性纬编复合材料的交形蠢有了一些磺究，戈该材料的设计、生产和应 蘑提供了理论秘实验依据。餐是，国海在这方面的研究还是比较少。 本论文的研究目的，诣在为热塑性纬编针织物复合材料的设计、生产 和_ 应用提供理论依据和实验指导。 本课题以玻璃纤维无捻纱与风纶无捻纱混共聪的混并纱作失针织 原料。透过对玻纡嚣纶并纤纱纬编针织物霹编性熊的实验疆究帮理论 分橱，探索了玻纤丙纶并纤纱的平针和满针罗纹缓物在横祝上的编织 工艺。考察了给纱张力、牵拉力、弯纱张力对编织过程和织物质量的 影响，如何根据纱线的拉伸断裂强度和在织针上的圈状拉伸强度，选 择合适机号的横机进行编织，找出了优化的编织工艺参数。 在编织了两令不阕组织酶纬编铮织物颈浸料爱，采用热压成型的 方法铡餐熬塑往纬编钟织物复合材料。通过实验确定了合适的溢度、 压强、保持时间和降温方式等热压工艺参数，并探讨了各个参数对成 品质量的影响。 对复合材料试榉在材辩试验撬上进行了壤翔、级角稷斜翔豹粳镩 实验，对所得的数据用o r i g i n 7 0 处理得到的应力一应变曲线，并根 据应力一应交曲线算出拉传性麓的参数，从鳆线和掇馋性能参数上进 行复合材料试样的拉伸变形性能比较分析。为了便予观察，把拉伸速 度设置成报小，并在拉伸过程中每隔一段对闯对实验对象进行拍照， 记录下试样的瞬间形态，根据照片探讨试样细观形态变化过程，为了 更好地了解试样的变形性能和断裂机理，又着重分析了下纵向拉伸的 过程，指出了变形过程中的几个关键点幂】裂口的特征。同时还诧较了 不同的复合材料的拉伸变形性熊，探讨了各种不同的影响因素。 关键谣；玻璃雠，舅诵燔，纬镕黎渗瑰黩热麓陵毙割搽魏拉璋凌影 s t u d yo np r o c e s s i n ga n dt h et e n s i l e d e f o r m a t i o no ft h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e s w i t hw e f t k n i t t e ds 1 r u c t u r e a b s 蕈r u c 鬻 i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n d u s t r i a lt e x t i l e sd e v e l o pq u i c k l ya n d a r ea p p l i e de x t e n s i v e l yi nt h ef i e l d so fi n d u s t r y 、a g r i c u l t u r e 、t r a n s p o r t a c t i o n ，e n e r g yt b a s i c p r o je c t ，s p a c e f l i g h t 、p r o t e c t i o n o f e n v i r o n m e n ta n db o d y a m o n gt h e m ，b e c a u s eo fi t sc o n s t r u c t i o na n d m a t r i x sp r o p e r t y ，t h et h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e sw i t hw e f t - k n i t t e d s t r u c t u r eh a v ee x c e l l e n td e f o r m a t i o np r o p e r t y s oi tc a nb em a d e i n t op r o d u c t st h a ti sc o m p l i a n c ea n dc a na b s o r be n e r g y ，s u c ha s f l e x i b l eb a n ku s e dt or e s i s tw a v ei nw a t e r a tp r e s e n t ，d e v e l o p e d c o u n t r i e sh a v em a d er e s e a r c ho nt h ed e f o r m a t i o np r o p e r t yo f t h e r m o p l a s t i c c o m p o s i t e sw i t hw e f t - k n i t t e d s t r u c t u r e ，a n dt h e s er e s e a r c h e ss u p p l y g u i d a n c et od e s i g n 、p r o d u c t i o n 、a p p l i c a t i o n i n t h e o r y a n d e x p e r i m e n t s 。b u tt h er e s e a r c ho nt h i sf i e l d i sl i m i t e da th o m e - t h et h e s i sa i m sa ta f f o r d i n gt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o r d e s i g n , m a n u f a c t u r ea n da p p l i c a t i o no ft h e r m o p l a s t i cw e f t k n i t t e d f a b r i cc o m p o s i t e s t h ec o m m i n g l e dy a mf r o mg l a s sf i b e ry a ma n dp o l y p r o p y l e n e ( p p ) y a r nw a su s e da sk n i t t i n gm a t e r i a li nt h et h e s i s b ye x p e r i m e n t a l w o r ka n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ea u t h o ri n v e s t i g a t e dt h ek n i t t a b i l i t ya n d t e c h n o l o g yo fp l a i na n dr i bk n i t t e df a b r i c sf r o mt h ec o m m i n g l e dy a r n o naf l a tk n i t t i n gm a c h i n e s o m ef a c t o r si n f l u e n c i n gk n i t t i n g p r o c e s sa n df a b r i cq u a l i t y , s u c ha si n p u ty a mt e n s i o n ，t a k i n g d o w n t e n s i o n ，s i n k i n gd e p t hw e r ed i s c u s s e d 。t h ea p p r o p r i a t eg a u g eo f f l a tk n i t t i n gm a c h i n ew a sc h o s e na c c o r d i n gt ot h ey a r nt e n s i l es t r e n g t h a n dl o o ps t r e n g t h 。t h ek e yt e c h n i q u ea n do p t i m a lp a r a m e t e r sf o r t h em a n u f a c t u r i n go ft h e g l a s s p pw e f t k n i t t e df a b r i c sw e r e f o u n d a f t e rt h ew e f tk n i t t e df a b r i c sw e r ep r o d u c e d ，t h eh o t p r e s s m e t h o dw a su s e dt om a k ec o m p o s i t e s b yt h et e s t s ，t h ea u t h o r o b t a i n e dt h es u i t a b l eh o t - p r e s sp a r a m e t e r si n c l u d i n gt e m p e r a t u r e , p r e s s u r e ， r e t e n t i v et i m e ，t h em e t h o do ft e m p e r a t u r e d r o pe t ca n dd i s c u s s e dt h e e f f e c to ft h e s ep a r a m e t e r s t e n s i l et e s t si nt h ew a l e ，c o u r s ea n dd i a g o n a ld i r e c t i o no f c o m p o s i t es p e c i m e n sw e r ec a r r i e do u tt oo b t a i nt e n s i l ed a t a a c c o r d i n g t o t h e s ed a t a , t h es t r e s s - s t r a i nc u r v e sw e r em a d eo u tb yu s i n go r i g i n7 0 a n da c c o r d i n gt ot h e s ec u r v e s ，t h ea u t h o rw o r k e do u tt e n s i l e p a r a m e t e r s a n da n a l y z e dt h ed e f o r m a t i o np r o p e r t i e so ft h e c o m p o s i t e s i no r d e r t oo b s e r v e ，a u t h o rs e tt h et e n s i l es p e e d v e r ys l o wa n du s e dad i g i t a lc a m e r at o r e c o r dt h e c h a n g eo f m i c r o s t r u c t u r eo f s a m p l e s f o r p r o f o u n d r e s e a r c ho f d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，a u t h o re m p h a s i z e dt h ed i s c u s s i o no n w a l e w i s e ，a n dp o i n t e do u tt h ek e yp o i n t sa n dt h ec h a r a c t e ro f c r a c kd u r i n gt h ep r o c e s so fd e f o r m a t i o n s o m ee x p e r i m e n t a l p h o t o s w e r et a k e n d u r i n g t h e p r o c e s s o ft e s t s ，a n dt h e n d i s c u s s i o n sw e r em a d eo nt h ec h a n g eo fm i c r o s t r u c t u r e t h e a u t h o ra l s om a d es o m e c o m p a r e s b e t w e e nt h ed i f f e r e n t c o m p o s i t e sa n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s 。 s u nl ih u a ( t e x t i l ee n g i h e e r i n g ) s u p e r v i s e db y ：l o n gh a ir u k e y w o r d s ：g l a s s - f i b e r ，p o l y p r o p y l e n e ，w e f t k n i t t e df a b r i c ， t h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e ，t e n s i l ed e f o r m a t i o n 东华大学学佼论文原剑性声耀 本入郑重声甓：我倍守学术邀德，崇巍严谨学菇。所呈燮的学使论文，是奉a 程导师麴 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任耐其他个人或集悔已经发表或撰笥过豹作品及成果的内容论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并究全意识到本声明的法律结累嗽本人承担。 学位论文律者签名：j 函硪z f 日期： 拶，年娃月扣日 l 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定，同意学校保留弗向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 班将本学诬论文静垒都或部分内容编入有荧数措痒进行检索，可戳采用影印，缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解镪后邋用本版权书。 本学位论文属予 不傈密g z 粼姗躲确稍丫 尽期：拓年舻3 0 爨 指导教师签名： 筋汹扪 基联：0 7 年f 捌劲爨 第一市绪论 第一章绪论 第一节热塑性纬编针织物复合材料 i 1 热塑性复合材料的简介 复合材料通常是将高强度、高模量的增强材料和低强度、低模量、 韧性的基质材料经过一定的成型加工方法制成。从许多方面看，纤维 增强的聚合物复合材料是其中最为重要的一类。根据纺织纤维结构的 不同，有机织物、针织物、三维编织物以及非织造布之分：根据刚 性大小的不同，还可以将纤维复合材料分为两类：热固性复合材料和 热塑性复合材料“1 。 热塑性复合材料是以热塑性树脂为基体以纤维为增强材料制备而 成的复合材料不同种类的热塑性树脂、不同种类的纤维制备的复合 材料，其性能差别很大1 。热塑性复合材料按性能可分为普通热塑性 复合材料和高性能热塑性复合材料两类。普通热塑性复合材料是采用 玻璃纤维作为增强体，聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等作为基体 的复合材料。高性能热塑性复合材料是指用连续的碳纤维、芳纶纤维、 高强度玻璃纤维等高性能纤维作为增强体，聚醚醚酮、聚苯硫醚、热 塑性聚酰亚胺、聚醚砜h ”1 等高性能热塑性树脂作为基体的复合材料。 1 2 热塑性复合材料的发展 从热塑性复合材料的力学特征的观点出发，可分为两代托。 1 2 1 第一代热塑性复合材料 1 2 1 1 第一代热塑性复合材料的使用材料 第一代的热塑性复合材料是为了想做膜材料而开发的，约有5 0 年 的历史了，它的特征为强度、拉伸刚度、变形稍大，但抵抗弯曲和压 缩的能量小，而易变形。第一代热塑性复合材料的增强体是使用纺织 物。用于膜结构物的材料有：聚酯纤维氯乙烯树脂涂覆、玻璃纤维 氯乙烯树脂涂覆、玻璃纤维四氟化乙烯树脂涂覆。增强材料用玻璃纤 维，上述的特定膜结构建筑物技术基准上，有膜材料规格标准，膜有 a b c 三类，其中a 种膜材料的基准最严格，要求不燃性，玻璃纤维四 第一章绪论 氟化乙烯即属于此类。 1 2 1 2 第一代热塑性复合材料的应用 在现实生活中，蒙特利尔展示场上西德馆的缆车就是第一代热塑 性复合材料的运用。在使用崭新的膜结构缆绳以后，在美国大陆接连 不断地制作出大型膜结构物。在1 9 7 5 年制作出空气膜方式的二等罩， 以后这个方式成为主流。但是，由于平常送风和维修以及封闭空间等 问题，在1 9 8 4 以后停止了制作。然后，悬挂结构成为现在的美国大空 间的架桥中心结构。 在日本，1 9 8 4 年制作出空气膜方式的东京罩。但是，在以后的严 格实行设计标准条件下，制作出由坚固构架覆盖着的大型结构物，从 此，开始建造了具有开闭屋顶的大罩。1 9 9 2 年出现具有日本特征的木 结构出云罩，比如1 9 9 7 年大阪罩、1 9 9 7 年骨架膜结构的名古屋罩、 1 9 9 7 年小松罩开闭屋顶的骨架膜结构等。 1 2 1 3 第一代热塑性复合材料的今后展望 第一代热塑性复合材料的应用领域是以膜结构为中心发展起来 的，这个结构今后会出现最大限度地有效利用设计的自由度，越发加 快结构样式和用途的多样化。对以后的膜结构现在有各种各样的理想 说法：比如f r e io t t o 已经在1 9 7 1 年提出覆盖全部格陵兰岛的3 k m 的 空气膜结构的设计方案，e d m u n n dh a p p o l d 提出覆盖全部艾波塔州1 4 公顷地域的空气膜的方案。有些方案追求把寒冷地区的巨大空间变为 和温暖地区一样舒适的环境，给人类提供新的居住空间。还有，第一 代热塑性复合材料可以被智能化，用在屋顶、墙壁材料上，可实现舒 适的居住环境。其他还可以在空气和水中应用第一代热塑性复合材料 这样的膜结构物，类如，有飞船，还有消波效果为目的的在水中活跃 的柔性防波堤等。 1 2 2 第二代热塑性复合材料 1 2 2 1 第二代热塑性复合材料的特征 第二代热塑性复合材料是从1 9 9 0 年开始被重视的，这个复合材料 的特征是具有柔软性而形成大变形，抵抗拉伸、弯曲、压缩的能力小。 纺织品中针织物的变形要比其纤维本身的变形大，这是因为针织本身 第一审绪论 采取了使纤维弯曲的织法所致，这对于第二代热塑性复合材料起了重 要的作用。 1 2 2 2 第二代热塑性复合材科的应用 在实际中，设置在长崎豪斯登堡湾入口处的柔性防波堤埋在海底， 当受到波浪能的冲击呈现大变形，因而吸收波浪能。这种空气膜利用 结构物的形态，以柔软显示大变形，因此达到消波效果的目的。 1 2 2 3 第二代热塑性复合材料的今后展望 作为大变形可能的柔软的热塑性复合材料应用领域：存在动态变 形的地方；变形随时问加大的领域。象学习自然界的多种事列一样， 此材料用在很多的柔软并有必要吸收能量的制品上。 1 3 热塑性复合材料制备工艺 由于热塑性树脂熔融温度高、化学性能稳定，其复合材料成型加 工与热固性复合材料有很多不同之处1 。预浸、成型等每一个阶段对 设备和工艺都有特殊的要求，如制备热塑性预浸料，采用热固性预浸 料常用的熔融法、溶液法难度较大，因而出现了悬浮法、粉末法“们等 特殊的预浸工艺。 1 3 1 预浸料的制备 热塑性树脂的熔体粘度很高，一般大于1 0 0 为a s ，、j 难以使增强纤 维获得良好浸渍1 。因此制备热塑性复合材料的关键技术是解决热塑 性树脂对增强纤维的浸渍。各国对此进行了大量的研究，主要开发了 熔融浸渍、悬浮浸渍、粉末浸渍、纤维浸渍、原位聚合以及薄膜镶嵌 等多种制备技术。 熔融浸溃法“”川是先将树脂加热熔融，纤维通过熔融树脂得到浸 渍。悬浮预浸法是根据树脂情况选定合适的悬浮剂配成悬浮液。纤维 通过悬浮液使树脂粒子均匀地分布在纤维，然后加热烘干悬浮剂，同 时使树脂熔融浸渍纤维得到预浸带。粉末预浸法“朝是纤维预先经过扩 散器被空气吹散后进入流化床中，带静电的树脂粉末很快沉积于接地 的纤维上，沉积量由流化床电压和纤维通过的速度控制，再经洪炉加 热熔化。纤维混杂法“”“1 是将热塑性树脂纺成纤维或薄膜带，然后 根据含胶量的多少将一定比例的纤维与树脂纤维束紧密地合并成混合 第一章绪论 纱，再通过一个高温密封浸渍区使树脂和纤维熔成连续的基体。原位 聚合法1 是利用单体或预聚体初始分子量小、粘度低及流动性好的特 点，纤维与之一边浸润、一边反应，从而达到理想的浸渍效果。薄膜 镶嵌法n ”“”1 是先将热塑性树脂热熔制成衬有脱膜纸的薄膜。铺层时， 撕去脱膜纸与增强纤维之间的间隔薄膜，然后加热加压将树脂压入纤 维区。 1 3 2 成型工艺 采用上述工艺制备的热塑性复合材料只是半成品一预浸料，通过 进一步成型加工才可制得最终产品。热塑性树脂基复合材料的成型方 法主要是从热固性树脂基复合材料成型技术借鉴而来，按照所用的设 备可以分为注塑成型、热压成型、真空模压成型工艺、纤维缠绕成型、 辊压成型、位坜域型及树脂注射成型等。 注射成型拉”“3 是生产短纤维增强塑料的主要方法。热压成型阳” 是一种快速、批量成型热塑性树脂基复合材料制品的工艺方法。真空 模压成型工艺是今年来以金属超塑性成型和热固性复合材料热压罐成 型为基础，开发出的一种新型的适合于热塑性树脂基复合材料的成型 法。纤维缠绕成型是一种连续化制备复合材料的方法。辊压成型主要 借鉴于金属成型方法。拉挤工艺是一种广泛用于制造连续纤维增强塑 料型材的成型方法。树脂注射成型2 1 也称为“树脂传递膜塑”，它是一 种从热固性树脂基复合材料成型技术r t m 借鉴过来的成型方法。真空 袋模压成型是一种成本较低的简便成型方法。预浸料铺层放在模具上 后，利用真空袋及密封胶密封，然后对预浸料铺层加热、抽真空、预 浸料在大气压力及温度作用下成型。 1 4 热塑性针织物复合材料 在现代结构材料中，纤维增强复合材料开始于4 0 年前。其中纺织 结构复合材料占有相当大的比重，这是因为纺织加工过程具有控制纤 维取向和提供近似于网状结构的优点作为增强体的纺织材料主要有 机织物、针织物和编结物三种。针织物又可以分为纬编与经编两种。 各有其优点”。 1 4 1 热塑性纬编针织物复合材料的特点 4 第一章绪论 纬编针织物复合材料与其它纺织结构复合材料相比起步较晚，但 由于它有其他纺织结构复合材料无法比拟的特点，目前得到广泛的关 注。纬编针织物复合材料有以下的特点“”： ( 1 ) 延伸性，悬垂性好，适宜深度模压复合材料的加工，保证了成品 的流畅成型。 ( 2 ) 成型性好，可通过全成型方法制成形状复杂的复合材料，避免因 裁剪与拼接造成的原料损耗和结构布均匀。 ( 3 ) 具有比机织物增强复合材料更好的抗冲击疲劳性能。 ( 4 ) 工艺流程短、生产效率高、生产成本低。 1 4 2 热塑性针织物复合材料的组织和编织工艺 在热塑性针织物复合材料中，纬编针织物复合材料采用的组织结 构单面的有平针、衬垫：双面的有罗纹、罗纹空气层( 米拉诺) 、罗纹 衬纬、编和双罗纹等乜”州。其中研究较多的是平针和罗纹，这两者是 最典型的单面和双面纬编针织物结构。除此之外，还有纬编多轴向复 合材料”1 。以经编针织物为增强材料的一般是经编衬纬组织复合材 料”。在编织增强纬编针织物时，对于采用抗弯刚度大，易折损的 玻璃纤维和碳纤维等原料，大多是在带压脚的横机或采用相对运动技 术的单面圆机上编织，机号一般在四至十六之间。由于在这类机器上 编织时对纱线施加的作用力比较小，使成圈容易进行。编织时纱线的 导纱元件应坚硬滑以避免磨毛或磨断纱线。对于抗弯刚度相对较小的 芳纶和涤纶等原料，可以在一般的圆机或者横机上编织心”。 一些学者对高模量纱线的可编织性进行了研究。l a u 和d i a s 的研 究表明，高模量纱线可以承受成圈机件的弯曲廓面的作用。但是同时 施加弯曲和拉伸力，会造成某些纤维在低于拉伸强度的载荷下断裂。 玻璃纤维纱线的线圈强度是与舌针针钩直径成正比，即较小直径的针 钩在成圈时容易损伤纱线，而对于棉、腈等纱线则不会出现这种情况 s a v c 等人研究了在带压脚的电脑横机上采用玻璃纤维纱编织罗纹空气 层织物。其目的在于考察可以得到的最紧密结构织物的可编织性，以 及舌针和纱线的损伤。作者通过实验表明，舌针的断裂数量约是编织 常规纱线的两倍进一步的电镜表明，舌针损坏并不是逐步磨损然后 5 第一章绪论 断裂，而是来源于突然的载荷。这可能是由于玻璃纤维具有较高的摩 擦系数，从而导致了编织区产生了张力峰值。这种张力峰值多与摩擦 系数、输入张力的变化以及舌针的缺陷有关。 此外，除了平常二维生产的针织物复合材料之外，三维方向的纬 编针织物有其特殊作用而受到人们的关注h ”例。研究者主要着眼于编 织工艺，使织物具有最大的设计功能。例如针织物在各个方向上根据 不组织结构其强伸性可在很大程度上得到控制，适宜生产不同程度 拉伸成形产品。另外针织物具有容易按照复杂曲面的形态变形的特性， 成形容易，被大量用于异形管道、曲面复合材料。作为整体编织而成 的复合材料增强体，纬编间隔织物能从根本上消除铺层、层压复合材 料可能出现的分层现象，并且能够生产复杂曲面形态的复合材料。三 维方向纬编针织物增强体在厚度方向上的整体结构性使复合材料的各 种性能如强度、刚度、抗冲击性，抗损伤性、抗烧蚀性得到了全面的 提高”“1 。集圈连接纬编间隔织物是三维针织物的一种，在这种织物 中两片独立的平针织物结构通过集圈的方式被连接在一起。当利用这 种组织制备复合材料时，整体化的三维间隔结构复合材料具有高抗冲 击性、低重量n 等优点。 1 4 3 热塑性针织复合材料的拉伸变形性能的研究 目前，国外对热塑性纬编复合材料的变形已有了较多研究，为该 材料的设计，生产和应用提供了理论和实验依据。但是，国内在这方 面的研究还是比较少。 g d e m b o s k i 等人研究了单向预拉伸对1 + l 罗纹针织物增强复合 材料机械性能的影响。研究采用的复合材料体系为玻璃纤维增强聚丙 烯。复合材料的加工方法为复合纱针织物热压成型法。他们制备了纵 向预拉伸试样和横向预拉伸试样。试样的拉伸、弯曲和冲击实验结果 表明：纵向预拉伸可以提高复合材料纵向强度，而复合材料横向强度 稍有下降，但下降不明显；横向预拉伸可以提高复合材料横向强度提 高，而纵向强度下降很多，而且随横向预拉伸比的增大，纵向强度的 下降幅度也增大。因此，单向预拉伸对复合材料的横向和纵向性能影 响的差异非常大。就提高复合材料强度而言，纵向预拉伸比横向预拉 6 第一章绪论 伸更有效。也就是说，对1 + 1 罗纹针织物进行的单向预拉伸对复合材 料强度的影响具有方向性。他们还发现，无论是横向还是纵向预拉伸， 复合材料的断裂应变随预拉伸比的增大而减少。横向预拉伸可以使复 合材料试样横向的模量几乎可以达到与纵向预拉伸的模量相同的值， 所以复合材料的模量对预拉伸的作用更为敏感；由于预拉伸在使复合 材料强度提高的同时也降低了复合材料的弹性，所以无论是纵向拉伸 还是横向拉伸都不能使复合材料的冲击韧性提高“”。 k o n d l e r 等人研究了双向拉伸变形对玻璃纤维米拉诺针织物增强 乙烯酯复合材料压缩性能的影响。为了形成对比，他们也研究了单向 预拉伸的影响。研究发现，单向拉伸会使织物结构发生明显变化，而 在双向拉伸作用下织物的结构不会发生显著变化；无论是纵向还是横 向预拉伸都不会使复合材料的压缩性能有明显变化，但却能使复合材 料的压缩强度比拉伸强度高；在双向预拉伸比率范围内，双向预拉伸 对复合材料的压缩没有显著的影响。他们认为这是由于在压缩的情况 下针织复合材料的性能主要受基体影响。通过扫描电镜进行的断面显 微镜图像研究表明针织复合材料的断裂集中在应力高度集中的纱线交 叉区域“。 s w l a m 、p x u e 、x m t a o 、t x y u 研究了热塑性纬编针织复合材料 的拉伸变形机理。他们观察了在准静止拉伸载荷下宏观、中观、微观 的复合材料形态变化特征，确定了从大变形到复合材料破裂的过程中 几个关键的点。除了研究横纵方向的拉伸变形外，还研究了斜向的拉 伸变形。从宏观、中观、微观的角度分析了拉伸变形特征，研究发现 纬编针织物复合材料纵向的拉伸性能优于横向与斜向的拉伸性能。在 弹性变形阶段，基体和纤维都承担了载荷，在随后的更大的变形中， 就出现了基体的延伸，基体裂纹的传播，纤维基体界面的分解，线圈 的变形，增强纤维的拉伸n ”。 1 5 热塑性复合材料的用途 ( 1 ) 鉴于热塑性纬编针织物的优点，近年来受到研究工作者与生产厂 家的关注，在下列领域中得到了广泛的应用：工业技术：连续碳纤维、 芳纶增强高性能热塑性复合材料已经成为飞机、宇航和高科技领域不 7 第一章绪论 可缺少的特种材料和新型结构材料。此外连续玻璃纤维增强通用热塑 性复合材料也已经在汽车、电子电器、建筑、运输等领域得到了应用 f i i 2 3 4 4 45 】 o ( 2 ) 医用方面：由于聚酯聚氨酯纬编针织物柔性复合材料的生物适 用性，它们通常用于医学方面。对于特别的软组织填充物，聚氨酯弹性 体的力学性能与那些生物软组织的性能很接近。这种柔性复合材料可 以用于人造生物学材料”，例如控制药品的输送和释放、心脏血管的 移植、人造器官、血管的改造、整形外科辅助、牙齿缺口的衬楚、缝 合和血袋等。 ( 3 ) 装饰类：由于柔性复合材料能够在很大的温度范围内保持良好的 韧性和柔软性，因而使其成为室内和室外应用的理想材料。从最初用 作住宅板壁起，逐步扩大到众多领域，包括飞机内装饰、墙布、货车 侧板、图画贴合膜、高速公路噪声屏障、建筑板材、充气结构产品和 柔性灯箱布及遮阳篷布等”例。 第二节本课题研究的意义、内容和方法 2 1 本课题的研究意义 在针织物复合材料中，经编复合材料有高强高模性，而纬编复合 材料因其结构与基体的性质有很好的变形性能。并且，经编结构的复 合材料研究的比较多，而对纬编针织物做为增强材料的研究与应用较 少。因此，开展这方面的研究很迫切。 纬编针织热塑性复合材料的特征是具有柔软而形成较大的变形。 可以用在很多柔软并有必要吸收能量的制品上，比如水中活动的柔性 防波堤。但是，近几年的研究都没有充分发挥它的柔软性而形成较大 变形的作用。因此，这方面的研究可以为热塑性针织物复合材料的设 计、生产和应用提供理论依据和实验指导。 2 2 本课题的研究内容和方法 2 2 1 热塑性纬编针织物复合材料的制备过程 8 第一章绪论 ( 1 ) 选用的材料：选用玻纤丙纶的混并纱来编织预制件，其中玻璃 纤维做为增强体材料，聚丙烯纤维做为基体材料。 ( 2 ) 热塑性纬编针织物复合材料的组织：选用平针、罗纹方法在横机 上进行编织探讨各种组织对复合材料的变形的影响。 ( 3 ) 针织物复合材料的可编性：弯纱深度、给纱张力、牵拉张力等对 针织物可编性的影响。 2 2 2 该复合材料的成型过程 ( 1 ) 成型工艺：本课题选用了混纤法制备复合材料预制件。 ( 2 ) 成型方法：热压成型。 ( 3 ) 成型参数：探讨了热压成型压强、预热温度、预热时间热压温度、 热压保持时间及冷却方式对复合材料性能的影响。 2 2 3 该复合材料的拉伸变形性能测试与分析 本课题研究了拉伸变形性能：拉伸变形性能包括横向、纵向和斜 向的拉伸变形性能，同时在实验的过程中，对实验对象进行拍照，依 此探索细观结构的变化。通过实验分析热塑性复合材料的拉伸变形过 程，确定变形关键点；比较了同一试样在三个不同方向上的拉伸变形 性能；比较了不同组织的复合材料的拉伸变形性能的差异；还比较了 不同织物密度的复合材料的拉伸变形性能；并分析了影响变形的因素。 9 第二章纱线搏戆艇纬编锋缓鳓编缓t 芝 第二章纱线性能及纬编针织物编织工艺 离模量纤维中豹玻璃纾维踟于弹性模爨高、拉伸强度大、必寸稳 定性好熙价格比较低廉等优点而得到大量的、多种和有效的应用，同 时由予热塑性撼脂鲍熔融熔度( 逶鬻为5 0 0 5 0 0 0p a $ ) 缀亳，在麓z 过 程中不翻f 增强纤维酾分布和基体树脂的援渍，所以本课避采用玻璃纤维与 丙纶纤维混纤法制备预浸料，辫用玻纤丙鲶的混并纱在手摇横机上进 行编织，嚣展研究冀终。 本章主要介绍玻璃纤维纱线，丙纶纤维纱线、混并纱的性能，并 围绕其特殊性分析讨论它在手撼横机上的编织工艺。 第节玻璃纤维及纱线的性质 本课题所用的混并纱中玻璃纤维为增强体，丙纶为基体。 1 1 壤豢缍缝夔选取及健蕤 1 1 1 增强纤维选取 增强纤维是纤维增强复合材料这主要缀成成分，宦在纤维增强复 合耱辩孛砉骞穗当戆薅积分数，毽霆缝橡复会誊| 粒承受载蕊懿麦簧蘩 分。增强纤维的类黧、数量和敷向对纤维增强复合材料的性能十分重 要，它生爱影响复合材料的密度、拉伸强度和模量、联缩强度和模量、 疲莠强度纛疲劳掇壤、毫彝熬熬虢淤及徐掺。 目前，纤维增强复合材料用的最多的增强纤维是玻璃纤维、碳纤 维和凯必拉纤维三种纤维。其中，最早用于纤维增强复合材料的是玻 璃绎维，宅旱在2 0 键纪三窭手霉我载蔽瘸子增强会裁耱糕，秘 ；喾玻薅 纤维增强合成树脂复合材料，识成为玻璃纤维增强塑料( 我国简称玻 璃钢) 。1 9 4 6 年，玻璃纤维复含材料开始殿用于火箭囊体的研究。2 0 整纪6 0 冬筏，瑗臻绎缝复会誊| 瓣在各静鳖移豹国俸火锈瘟瘸数褥残 功。如茺国把玻璃纤维复合材料用于制作火箭的发动机壳体以及燃料 用的高服容器；2 0 世纪6 0 年代来期则用玻璃纤维复含材料制作了直 舞辍旋翼浆砖等。耱辩耱学家认隽，裁 鐾赛范匿瑟富，麸2 0 整绍垂o 第一二睾纱线瞧撬菠纬缓赞缓物缓缓t 艺 年代到6 0 年代是玻璃纤维增强复合材料出现和发展的时期，2 01 缱纪 6 0 年代黧今则是玻璃绎维增强复含材料的成熟和完善时期。丽碳纤维 增强复含材瓣帮魏失控纤维增强复合糖瓣翔是2 8 毽绒6 0 年代乏厥彳 出现的。宙们的出现比玻璃纤维增强复合材料晚了二三十年，而鼠它 们的发展也不如玻璃野维增强复合材料成熟和完善。阙此，本论文选 取玻璃纤维作为增强纤维，帮戳玻璃纤维瓒强复合枋料作为研究瓣象。 本论文选取玻璃纤绒作为增强纤维还由于宅具有原料易得、价格低的 优点。 1 。1 。2 玻璃纤维豹性能 通常玻璃是以：氧化硅( s i 0 2 ) 为主要成分，加入器种金属氧化物 或碳酸裁，经高温熔融，在未柝嫩结晶时朝被急剧冷却凝固两成的无 定形秘袋。分子结构戳硅( s i ) 为核心，周潮有西个氧激予，组成s i 0 4 的四面体，形成无规则三维网络结构，在网络间隙中以弱键力结龠有 各种金爝离子，这就是玻璃的基本骨架。玻璃纤维的性质和一般玻璃 没赞么不丽，翟是玻璃纾维是遴过援缨壹绞静喷嘴( 喷丝头) 予熔融 状态下急速拉伸，成为瞬间来不及结晶的惫冷固化物似”。 l 。i 。2 玻璃纤维的种类和特性 玻璃纾维有攘多种类：麴：嚣玻璃纾缎、c 玻璃纾缀、a 瑗璃纾维、 l 玻璃纤维和s 玻璃纤维等。他们的一般性质如下拍”： ( 1 吸滠健小。 ( 2 ) 尺寸稳定毪辩。 ( 3 ) 耐热性好，不燃烧。 ( 4 ) 耐老纯性好 ( 5 ) 电气绝缘经好。 ( 6 ) 耐翡品性好。 ( ? ) 弹锻模量高，是完全弹馊体。 ( 8 ) 控伸强度大，惩 串搴小。 ( 9 ) 剪切强度、耐磨损性差。 本漾题选用e 玻璃纤维光捻纱，其特点是具有良好静电绝缘馁， 耐老往籁机械强度，掰以长期使用。 第二章纱线性能及纬编针织物编织 二艺 1 2 玻璃纤维无捻纱的性能 玻璃纤维脆性较大，加捻的过程中对玻璃纤维有一定的损伤。本 课题选用了玻璃纤维无捻纱与丙纶无捻纱并成的纱线作为针织原料。 这种原料制备的复合材料中基体材料和增强材料混合比较均匀。所以 参考了一些资料n ”的所做的其它纱线实验数据，比较玻璃纤维与棉、 涤纶和晴纶等常规纱线的力学性能差异。利用万能材料试验机得到玻 璃纤维的拉伸应力一应变曲线( 图2 1 ) 。 玻璃纤维纱线的拉伸强度测试是根据g b t 7 6 9 0 3 2 0 0 1 n ”，在等 速伸长型仪器上拉伸。选择了在纱线拉伸仪和万能材料试验机上进行 等速拉伸，在纱线拉伸议上进行测试时，夹头内衬布以保护纱线，以 免纱线在夹头处断裂。其速度是2 0 0 m m m i l 3 ，测得的纱线的断裂强度 和断裂伸长率如表2 1 所示。在万能材料试验机上进行玻璃纤维的拉 伸试验时，用的是一种专门的纱线夹头，可以定向并保护纱线。万能 材料试验机测得的纱线的拉伸曲线图2 一l 所示。 图2 1玻璃纤维无捻纱拉伸应力一应变曲线图 从表2 1 中可以看出，相对于其它的纺织纱线，玻璃纤维纱线的 比强度比较大、断裂伸长率比较小，特别是比丙纶纱线的断裂伸长率 小很多。此外单根和两根玻璃纤维无捻纱相比，前者的比强度大，这 是由于在拉伸过程中，玻璃纤维股线并不能够完全同时承担负荷，从 而使玻璃纤维股线的比强度略小于单根玻璃纤维纱线。 1 2 第二章纱线中毛貔盈纬缓铮缓彩藕鲠t 艺 袭2 一i 几种纱线的力学性能比较 1 3 纱线种类细威( r e x )强力( n ) 比强度( c n t e x )断裂伸长率( ) 萃狠玻璃纱线 3 3i 9 1 i 5 7 9 l2 4 两根玻璃股线 6 63 5 2 6 5 3 4 22 3 玻绎国栎篷 3 41 5 。5 5 4 5 。7 43 。6 5 丙纶 3 3 9 5 6 2 8 9 82 6 0 8 晴纶纱 1 8 41 7 7 49 6 42 6 4 涤纶长缎 6 52 l l 。6 43 2 5 68 2 毛纱3 6 4 7 。6 41 3 2 41 1 9 8 棉纱 3 23 4 8 l1 0 8 85 5 2 由图2 一l 可知，玻壤终维纛捻纱熬应秀一应变曲线实际是线馊熬 曲线，其拉伸断裂伸长率较小，大约是2 3 左右。 表2 2 显示几种纱线的弯曲刚度m 1 ，可以看出玻璃纤维的抗弯刚 度毙较大，帮纱线魄铰硬。另终，由于玻璃缍缳摩擦系数滋较大，褰 易折断并飘耐磨性差。这些使得实际编织i 童程困难较多。 袭2 2几种纱线的弯曲刚度比较 鞋：弯簸刚度 纱线种类细度( t e x )( c n x l m 2 t e x ) 中捻玻璃纤维纱线 1 5 00 0 6 7 8 攘纱 5 8 80 0 0 9 1 8 晴纶纱线 5 8 8o 0 1 4 l 涤纶纱线 6 2 6 0 0 1 2 5 l 。3 嚣纶纛捻纱线戆性熊 下表2 3 是有关资料m 1 上的丙纶纱线性能研究结果： 第一章纱线嚣耱爱纬编 缓伤籀缓丁艺 表2 3 丙纶的综合性能 矮嚣繁经 掺拣 比重 g c m o 9 l 拉 枣强度 m p a 2 8 8 9 伸长率( 断裂) 2 7 4 6 拉伸煮饿模量 g p 8l 。9 2 6 8 热变形激度( i 8 6 m p a ) o c5 6 6 7 图2 2 是在宏大l i d 0 2 6 材料试验机以2 0 0 m m m i n 的速度对所用丙纶进行拉 律测试豹绉果： 固2 2 嚣绘拉律曲线黧 丙绘的拉伸曲线成星光滑抛物线，但由于撼伸过程中不搿避免地纱线淆移， 曲线出现抖动现象。 1 4 玻终薅纶并纾纱熬性能 本谍题选用的玻纤丙纶并纾纱的具体规格如表2 4 所示 1 4 第一幸纱线髂娩艇纬绩毒 织钫鳊缀t 艺 表2 4 玻纤n 纶井纤纱规格 i 玻璃纤维单纤惫径玻纤纱线规格丙纶纱线规格混并纱规格 9 u m 3 3 t e x x 23 3 r e x 23 3 r e x x 2 + 3 3 t e x x 2 本课题选用玻纤n 纶并纤纱制备复合材料，为了利于以后分析这 种纱线对后面编织正艺的影响，笔者在宏大h d 0 2 6 材料试验机以 2 0 0 m m m i n 熬速度鼹演荠缪逶譬亍挝糖实验，强2 3 爻滋并缪熬考童 枣蘧 线图。 盛器椿拍瓣御 霹 蚌 秘 图2 3 混并纱拉伸曲线图 从邂论上说，农刚开始控伸躲时候，玻璃纤维纱线傲为承载的主 体，蘸线会出现第一次高峰。髓着应变韵增加，纱线巾豹玻璃纱线 串 直，同时丙纶纱线歼始承担负荷，当玻璃纱线开始断裂后，承载负荷 降低，荫纶作为承载生体，当到达丙纶的拽l 唪强度时出现了第二峰馕， 然螽逐渐降低，第一次蜂蓬应该毙第二次燎篷高。但黧2 3 孛第二次 的峰值却比第一次离，这是因为在拉伸的邋程中，纱线出现滑移，使 盐线产生的误差。 同时套了稳荚资料强”，了翳了一些玻纾丙纶并纾纱豹力学靛麓。 从资料中可知，玻璃纤维的摩擦系数比较火，而玻纤阏纶并纤纱的摩 擦系数黢着丙纶含爨的不屈焉誉冠，但是要比纯玻纤纱线的摩擦系数 要低：玻绎n 纶笄纾纱串玻绎禽曩较多嚣于，摩擦系数院较大：玻纤含 量较低时，摩擦系数比较小。熬体来说，含有玻璃纤维的纱线和熊他 普通的钤织纱相比较，蘸者的摩擦系数大。这也是利用玻纤丙纶劳绎 纱生产纬缡针织物容易出现困鼹豹原因。 第- 二章纱线侮艟发热编锋织物壤织t 艺 此外，玻纤丙纶并纤纱的弯曲刚度没有纯玻璃纤维纱线的弯曲刚 度大，却囊比其他鼹通纱线的弯曲刚度大报多。在横机上利用玻纤 覆纶势绎纱缓织静织物戆簿候，荔于窭瑗裁强嚣莲静惨况。 1 5 采用并纤纱制餐热塑性复含材料存在的问题 目静，在采用并纤纱制备热塑性复合材料领域中杰要存在如下几 令润瑟； ( 1 ) 并纤纱制备过程以及进一步的编织正艺过程易引起纤维损伤并 最终导致复台材料力学性能降低。 ( 2 ) 交乎增强纤维秘萋俸毒手辩弯益尉覆帮延薅毪麓等戆不廷配魏，在 不均匀力的作用下，如果不采取措施，并纤纱中的热塑性纤维和 增强纤维易予分离丽影响复合材料的性能。 ( 3 ) 袋零相对较篱。 ( 4 ) 真正达到分散均匀的高质蹙并纤纱很难制备。 玻纤丙纶并纤纱存在以上的问题，农剿用玻纤蕊纶并纤纱作为 覆瓣逶移编织纬编钟织物豹辩羧需要注意缀多超题，爨俸会在黻下，j 、 节中介绍。 第二节织物组织结构的设计与性熊分析 为了