（纺织工程专业论文）纬编针织复合材料能量吸收性能的研究.pdf

东华大学纺织学院纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 2 0 0 8 年1 月 欧红标硕上论文 2 0 5 0 0 1 7 纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 摘要 本文主要分析研究了不同试验条件下，变化平针、罗纹、双罗纹、变化畦 编、间隔组织和罗纹空气层组织六种不同纬编针织结构复合材料的能量吸收性 能。论文首先分析研究了玻璃纤维的可编织性，通过调整合适的弯纱深度、给纱 张力、织物牵拉力大小和编织速度等编织工艺参数，在s t o l l 电脑横机上顺利编 织出质量和外观都很好的玻璃纤维纬编针织物。论文接着把所编织的织物，通过 真空辅助树脂传递模塑v a r t m 工艺和两种不同的铺层方法加工制成复合材料。铺 层方法包含四层织物平行铺层和四层织物垂直铺层。论文最后分析研究纬编针织 结构复合材料在拉伸、弯曲、压缩和摆锤式冲击四种不同的试验条件下的综合力 学性能和能量吸收特性。为了全面地分析和比较各种针织结构复合材料的能量吸 收特性和它们之间的差异，分别测试分析了平行铺层时每种复合材料纵向和横向 以及垂直铺层时各种复合材料的横向三种情况下的能量吸收性能；并对拉伸、弯 曲、压缩和摆锤冲击四种试验条件的能量吸收特性进行了比较。研究结果表明： 变化平针复合材料的综合力学性能和能量吸收性能最好；双罗纹复合材料的力学 性能次之，但有些性能如平行铺层时纵向的摆锤冲击能量吸收性能好于变化平针 复合材料，纵横向性能差异也比较明显；其它的罗纹、罗纹空气层、变化畦编和 间隔组织复合材料的能量吸收性能没有很大的差别。研究还表明，复合材料能量 吸收性能和纤维体积比有很大的关系，可以通过提高针织复合材料纤维体百分比 来提高其能量吸收性能，而纤维体积比与针织结构、铺层方式和复合材料制作工 艺有密切的关系。 本论文的研究结果进一步加深了人们对纬编针织复合材料的能量吸收性能 的理解，对这类复合材料的实际应用有一定的参考价值。 关键字：针织结构，复合材料，能量吸收特性，真空辅助树脂传递模塑技术，电 脑横机 as t u d yo ft h ee n e r g y - a b s o r p t i o np r o p e r t i e so ft h ew e f t - k n i t t e ds t r u c t u r a lr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s a s t u d yo f t h ee n e r g y a b s o r p t i o np r o p e r t i e so ft h e w e f t - k n i t t e ds t r u c t u r a lr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s a b s t r c t t h i sw o r km a i n l yi n v e s t i g a t e dt h ee n e r g ya b s o r p t i o np r o p e r t i e so fs i x d i f f e r e n tw e f tk n i t t e ds t r u c t u r a lr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ，i e ，d e r i v e dj e r s e y , r i b ，i n t e r l o c k ，d e r i v e dc a r d i g a n ，s p a c e ra n dm i l a n os t r u c t u r a lc o m p o s i t e s ， u n d e rd i f f e r e n t t e s t i n gc o n d i t i o n s t h ew o r kf i r s t l yi n v e s t i g a t e d t h e k n i t t a b i l i t yo fg l a s sf i b e r s b ya d j u s t i n gs u i t a b l ek n i t t i n gp a r a m e t e r ss u c h a sc a ms e t t i n g ，f e e d i n g y a r n st e n s i o n ，t a k e d o w n f o r c ea sw e l la s m a c h i n es p e e d ，t h eg l a s sf i b e rw e f tk n i t t e df a b r i c sw i t hg o o dq u a l i t ya n d a s p e c t sw e r es u c c e s s f u l l yo nas 。t o l lc o m p u t e r i z e df l a tk n i t t i n gm a c h i n e t h ew o r kt h e ni n v e s t i g a t e dt h ef a b r i c a t i o no ft h ec o m p o s i t e sr e i n f o r c e d w i t ht h ef a b r i c so b t a i n e d ，t h r o u g hv a r t mp r o c e s sa n db yu s i n gt w o d i f f e r e n t l a i d - u pm e t h o d s t h el a i d u p m e t h o d si n c l u d e df o u rl a y e r s p a r a l l e ll a i d u p a n df o u r l a y e r s v e r t i c a l l a i d u p f i n a l l y , t h e w o r k i n v e s t i g a t e dt h ee n e r g ya b s o r p t i o np r o p e r t i e so fw e f tk n i t t e ds t r u c t u r a l c o m p o s i t e su n d e rt e n s i l e ，f l e x i b l e ，c o m p r e s s i v ea n dc h a r p yi m p a c tt e s t i n g as t u d yo ft h ee n e r g y - a b s o r p t i o np r o p e r t i e so ft h ew e f t k n i t t e ds m 3 c t m a lr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s c o n d i t i o n s i no r d e rt oa n a l y z ea n dc o m p a r et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e e n e r g ya b s o r p t i o n a n dt h e i rd i f f e r e n c e sa m o n gd i f f e r e n tw e f tk n i t t e d s t r u c t u r a lc o m p o s i t e s ，t h et e s t i n gw a sc a r r i e do u ti nt h eb o t hw a r pa n d w e f td i r e c t i o n sf o rt h ec o m p o s i t e sm a d eb yp a r a l l e ll a i d - u pm e t h o da n di n t h ew e f td i r e c t i o nf o rt h ec o m p o s i t e sm a d eb yv e r t i c a ll a i d u pm e t h o d t h ec o m p a r i s o nw a sa l s od o n ef o rt h ee n e r g ya b s o r p t i o np r o p e r t i e su n d e r t e n s i l e ，f l e x i b l e ，c o m p r e s s i v e a n dh u n gs t r i k i n gb a ri m p a c tt e s t i n g c o n d i t i o n s t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a t ：1 t h ed e r i v e dj e r s e yc o m p o s i t e s h a v et h eb e s tm e c h a n i c a la n de n e r g ya b s o r p t i o np r o p e r t i e s ；2 t h e i n t e r l o c k c o m p o s i t e s a r ei ns e c o n d p o s i t i o n ，h o w e v e r , t h e i r e n e r g y a b s o r p t i o np r o p e r t i e su n d e rc h a r p yi m p a c ta r eb e t t e rt h a nt h o s eo f d e r i v e dj e r s e yc o m p o s i t e s ；3 t h eo t h e rc o m p o s i t e ss u c ha sr i b ，m i l a n o ， d e r i v e dc a r d i g a na n ds p a c e rs t r u c t u r a lc o m p o s i t e sh a v es i m i l a rp r o p e r t i e s t h er e s u l t sh a v ea l s os h o w nt h a tt h ee n e r g ya b s o r p t i o np r o p e r t i e sd e p e n d o nt h ef i b e rv o l u m ef r a c t i o n i ti s p o s s i b l e t oi n c r e a s et h e e n e r g y a b s o r p t i o np r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sb yi n c r e a s i n gt h e i rf i b e rv o l u m e f r a c t i o n s f u r t h e r m o r e ，t h ef i b e rv o l u m ef r a c t i o ni s c o n n e c t e dw i t h k n i t t e ds t r u c t u r e ，l a i d - u pm e t h o da n df o r m i n gp r o c e s s t h er e s u l t so ft h i sw o r kw i l ld e e p e nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h ee n e r g y a b s o r p t i o np r o p e r t i e so ft h ew e f tk n i t t e ds t r u c t u r a lc o m p o s i t e sa n dh a v e s o m er e f e r e n c ev a l u ef o rt h e i rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n 2 as t u d yo ft h ee n e r g y a b s o r p t i o np r o p e r t i e so ft h ew e f t - k n i h e ds t r u c t u r a lr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s k e y w o r d s ：k n i t t e ds t r u c t u r e ，t e x t i l ec o m p o s i t e s ，e n e r g y - a b s o r p t i o n p r o p e r t i e s ，v a r t m ，c o m p u t e r i z e d f l a tk n i t t i n gm a c h i n e 3 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，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，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：莎矢f 嘻彳扛 日期：唧年明p 日 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 意学校保留并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以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密财。 学位论文作者签名：昼矢红q 象 日期：例年c 明阳 指导教师签名：科江 日期：彩叶年f 明叫场 东华大学纺织学院纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 2 0 0 8 年1 月 欧红标硕十论文 2 0 5 0 0 1 7 第一章绪论 纺织复合材料是一类先进的复合材料，它由纺织结构提供增强。由于这类材 料具有良好的层间、层内强度和抗损伤容限性能，具有较高的能量吸收能力，同 时由于它更易于成型，制造成本低，重量轻，所以在飞机、汽车、建筑、防护装 置、运动器材等结构中具有强劲的竞争力，并得到了广泛的应用。工程实践已经 证明纺织复合材料在许多方面优于其它材料。对纺织复合材料的研究虽然起源于 4 0 5 0 年代，但是它真正的突破是在8 0 年代后期。许多研究人员对纺织复合材 料产生了浓厚的兴趣，但是，主要集中于高强、高模的承载结构件。近年来的研 究表明，纺织复合材料由于本身的材料特性和结构，具有较高的能量吸收能力， 并且有着广阔的前景。因此，纺织复合材料的能量吸收性能成为普遍关心的课 题之。 第一节纺织复合材料增强结构加工技术 1 1 纺织加工技术的介绍 根据工程应用中对复合材料的要求，可以采用不同的纺织技术得到各种类型 织物增强预制件。目前应用的基本纺织技术有缠绕、机织、编织、针织和无纺这 几种。机织物是将经纱和纬纱相互垂直交织的纺织技术；编织是将三根或三根以 上纱线沿布面对角线方向编织而成的纺织技术；针织则是将纱线编成线圈然后相 互串套而成织物的纺织技术；无纺技术是将具有一定取向或随机排列的纤维层或 由该纤维层与纱线交织，通过机械钩缠，缝合或化学、热粘合等方法粘合而成的 织物。 近年来，三维纺织复合材料备受关注乜1 。使用不同纺织技术，可以制造出不 同的纺织复合材料。三位编织技术主要用于各种编排的蔓位平板结构，最新研制 的加工过程已实现整体的外形加工。三位编织工艺使结构具有很大的灵活性，但 这种工艺的缺点是加工速度慢，调整纤维要耗费大量的时间。 1 2 针织技术 东华大学纺织学院纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 2 0 0 8 年1 月 欧红标硕十论文 2 0 5 0 0 1 7 在纺织技术中，针织技术是最晚用于纺织复合材料的一种技术。最早的针织 增强复合材料的论文出现在9 0 年代初期。由于针织织物与机织织物或编织织物 相比有更大的可变形性和适型性，人们对它在复合材料领域中的应用的兴趣越来 越浓厚，这因为不仅针织结构能够用于加工形状复杂的构件，而且针织结构增强 复合材料具有优良的能量吸收性能。 针织技术基本上可以分为纬编针织技术和经编针织技术，另外通过引入不编 织的经纱、纬纱，还可以得到一种新的双轴向或多轴向针织结构，以满足对复合 材料的特殊要求口1 。虽然针织结构增强复合材料在拉伸和压缩方面的性能较其它 纺织结构增强复合材料稍差，但是在承载能力与其它纺织结构增强复合材料相 当。随着近年来对针织增强复合材料研究的不断深入，人们已经发现针织结构增 强复合材料在抗冲击和能量吸收方面表现出非常优异的性能，并且在这些方面甚 至超过其它材料h 1 。 第二节近年来针织复合材料能量吸收性能的研究进展 正如前述，优良的能量吸收性能是针织结构复合材料的一个特点。下面就先 介绍一下近年来在针织结构复合材料特别是纬编针织结构复合材料冲击和能量 吸收性能方面的一些研究进展。 2 1 试验方法和能量吸收性能评价 常用于复合材料冲击实验的装置主要有落锤式冲击仪踊1 。k h l e o n g 在研 究玻璃纤维罗纹空气层结构增强复合材料机械性能的研究中就采用了落锤式冲 击试验仪测试复合材料的能量冲击性能。实验中，他利用传感技术和相应的信号 处理装置记录落锤冲击式样过程中速度随时间变化曲线，直接计算出冲击动能和 材料所吸收的冲击能量，通过数学处理得到各种冲击试样的能量吸收系数，对罗 纹空气层增强复合材料的冲击失效过程和影响能量吸收特性的因素进行了研究 和分析。最后他总结出纱线性能越好、铺层结构越均匀以及纤维体积比越高则复 合材料的能量吸收降能越好。但是其试验只是做了定性分析，在精确度和定量方 2 东华大学纺织学院纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 2 0 0 8 年1 月 欧红标硕士论文 2 0 5 0 0 1 7 面的分析还有待进一步深入研究。 在研究针织结构增强复合材料能量吸收性能的时候还往往会通过测试针织 复合材料冲击后压缩性能来进行评价，也就是先采用落锤式冲击仪冲击，然后测 试其剩余压缩强力。冲击后压缩性能早在g a b i b o 的研究中就有介绍，并且认 为这项性能在复合材料的设计过程中具有较大的意义吲。0 a k o n d k e r m 等后来详 细地研究了玻璃纤维针织复合材料冲击后压缩力学性能，实验中以罗纹空气层、 l x l 罗纹和平针三种针织结构为实验增强结构，并且各种结构又有不同结构参数 的变化，利用扫描电镜等图像处理方法，获得了复合材料破坏形态以及失效机制， 并得出了两种预报方法。其一是采用线性回归分析来建立冲击破坏区域宽度与 c a i 之间的关系，如图1 - 1 所示，发现对于大多数的针织增强复合材料，都有相 似的失效模式，并且为破坏强力跟实际的c a i 强力成线性变化。第二种方法将冲 击后的区域面积近似圆形，根据半经验公式得出特征长度与c a i 之间的关系，如 图1 - 2 所示，并且预测所得结果误差小于5 ，但是后者不适用于单向预制件复 合材料。 图1 - 1 破坏宽度与c a i 的线性关系图卜2 特征长度示意图 2 2 不同结构和铺层方式对能量吸收性能的影响及机理分析 在早期，v e r p o e s t 协1 等比较了不同种类结构增强复合材料的力学性能，结 果如图1 - 3 所示。图中可以看出针织增强复合材料的力学性能介于机织增强复合 材料和无规则纤维毡复合材料之间，由于针织结构还具有较好的可成型性，并且 较其它两种材料有更好的层间断裂韧性，因此使得自身有较好的损伤容限和抗冲 击性能。 3 舯柳柏瓣柏o 量v癌孽i h 舌 8 专盍嚣臀8 纬编针织复厶材料“”性鸵”究欧红标硕十论文 嚣l j 巴 k ：= ：三兰1 11：，j 酗l _ 3 各种纺织结构增强复台材料性能比较 李勇”等专门研究了经编双轴向复合材料性能，并且和机织平纹布增强复合 材料进行了比较。研究表明经编双轴向复合村料在纱线强度利_ l | j 率和抗冲击性能 都比机织平纹布复合材料要好很多，这与v e r p o e s t 得出的研究结论相符。 借鉴经编t 艺上的预定向技术，纬编结构的组织中i 旦可以引入不参与编织的 纱线，使得该方向和厚度方向的力学性能得到增强”，从而在冲击过程中有更好 的抵抗冲击能力升且l 吸收更多的能量。但是往往有些纬编针织结构编织效率相对 较低这对于解决它们在复合材料方面产业化应用方面足一个难点。 c tl i m 等研究了在低速条件f ，分析了不同铺层方式对针纵结构增强复 合材料抗冲击和能量吸收性能的影响。铺层时采用四层铺合，分别做同向、垂直 和4 5 度角铺层，如图卜5 所示。实验结果表明不论哪种铺层方式，材料吸收的 能量与冲击能量都近似成线性关系并且每种材料都会存在一个冲击能量临界 值，如陶16 所示，当冲击能大于这个值时，复合材料的所吸收的能量趋于个 稳定值而不再增加，这是由于较大的能量冲，。已经造成了复合材料表层和底层纤 维的断裂。另外，实验结果还罹示铺层方j j ：对针织增强复台材料抗冲击和能量吸 收性能影响升不人。 r 一 豢；蒹纛；5 要。 ”? 瑟 蚍 | 舯 ，搦 。墓雾 。一量一 ? 帮 走疗层淼槲 _ m 东华大学纺织学院纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 2 0 0 8 年1 月 欧红标硕十论文 2 0 5 0 0 1 7 ol2，s7，l o i m p a c t _ 吲 图1 - 6 复合材料吸收能量与冲击能量关系 p p o t l u r i n 2 3 等在研究针织织物夹心结构复合材料时，采用了缝合技术，增 加了层间的结合性能。他认为如果调整优化缝合线的线密度以及线迹密度可以大 大提高其层间的连接强度，从而提高最终材料的抗冲击和能量吸收性能。 除了以往的以平面复合材料板作为试样研究针织增强复合材料抗冲击和能 量吸收性能外，还有利用针织结构良好的可变形性做成特殊形态复合材料，如多 胞结构复合材料。多胞结构复合材料是利用热塑性纤维织物通过模具热压成型或 者树脂用模具注射固化成型，形成的具有圆顶或平顶几何结构单元的蜂窝状结 构，当中的圆顶或平顶的几何结构单元称为胞元。图1 - 7 所示为胞元的几何结构 为平项的简图。s w l a m n 3 3 比较了不同多胞结构增强的热塑性针织复合材料准静 态条件下能量吸收性能，探讨了它们的能量吸收行为和机制。实验中他利用 u h m w p e l d p e 、p e t p p 针织结构和p e t p p 非织造布通过热压成型，纯l d p e 和纯 p p 注射成型获得各种多胞结构材料，具体讨论了冲击能量大小、纤维类型、纤 维体积百分含量、纤维结构对多胞复合材料能量吸收性能的影响效果，以及冲击 后胞元的恢复情况。实验表明，胞壁的等效厚度( 如式子1 - 1 ) 对多胞复合材料能 量吸收性能的影响占主导作用。在准静态压缩实验条件下，胞壁越厚，其能量吸 收性能就越好。在同样的厚度情况下，增加纤维体积百分比可以获得材料韧性的 提高，从而最终提高其能量吸收性能，但是随着纤维含量继续提高的效果并没有 等效厚度影响大，因为到后来往往会造成当中的空隙增多。之前陶肖明等也对这 方面做了较多的研究，分析了胞元几何形态和多胞的有效受力区域大小对多胞结 构复合材料能量吸收性能的影响，并且建立了与实际情况比较合理的理论模型 【1 4 15 】 o 胞壁的等效厚度由下式计算： 5 7 ， ， 2 l o s苫里一di譬q善童霉m 8 j 盍鬻臂8 “”材料”吸收性能“欧红标l 论立 f f 2 n - v v f 式中：t 。为胞壁的等效厚度- f 为胞世的辑义厚度k 为胞罐的总体 | - 为胞避巾的空 腔体积。 蚓17 多胞结+ 目胞兀jd f , , j 结构 阵璞舟关r 纺织复台材料能量i 旺l j 殳性能的研究探讨巾，给我们指出来很多纺 织复合材料能量吸收性能研究疗而还存在的问题。，然而随着近年束研究人员不断 地探索和研究，以及新的研究盯法、新的研究设备的心川，“j 巾的很多问鼬都已 绎仃了很人的突砒。超声波 描设备、光学横碱山j 观察等应川j 复合材# i l i 7 p 究人 人提高，对材料破坏内部细脱结构的分析能力，如图卜8 所不，i l ir o s h is a i t o “” 在研究碳纤维多轴向缝编针纵层台结构增强复合材料的冲击破坏巾，就采川了上 述两种榆删手段，通过破坷、性检测和非诎埘、性榆7 s 1 4 , l l l 结台比较，得到了材料破坏 的= 二维图像，仃助于更准确有效地分析复合材料冲击破坏的机理和模型。 r 。2 二j j 一；= ；i 篡；i = = = _ 一 _ 蠢堂拿= 一_ ，鲤霉二舀蔷萄茜；1 毫l 东，# # 7 口口l 7 ，i 。= t 雾寄 ，戈：j 篡：三：一 幽i8 层稃复台材驴 冲，t i 破、实验的维表祉的获褂 h 。t ( ；lr g ”等研究了冲击缸茼r v g 轴向绨编复合材利的能量吸 收机州，吏验分析过程一i 一他 _ j 采, l i j 了分腠分析技术，知周iq 所示。他通j 将纤 j 7 _ 】i 后的试样分层，然c j 宋川 f 捕 n 镜删祭孙m 垃的 域进仃微观删寮，柬 2 专盍箨篙“ “”复 郴慨量吸收性能的研究 欧“标颇f ：论文 分析再种结构复合材料能基l 吸收性能和破坏机理，井将复台材料吸收的能量分为 脱层吸收能、膜吸收能、弯驶收能和反射能州种。舛外他迁将多轴向经编增强 复合材料与机纵增强复合材料、单向增强复台材料两, f l j j 叠复合材料进行柬对 比，发现多轴向经编增强复合材料存冲破坏韧忡和二二点弯f f i i 性能较l # 它两利材料 岛，这样使得弯曲能量的增加和脱层现蒙的降低，吲而多轴阳经编复合材料在柏 并乩较小的破h 、k 域内较其它眄种复合材料铂更高的能量i 吸收能力，这与时而 史献中的相关结论十h 符。 幽卜9 冲i 删试和破蜘、分析i _ f 秘 第三节课题研究的意义与方法、内容 31 课题研究意义 由前面的文献分析可以看出，刨织复台材的研究取得了很多重要的研究成 粱，发现它也能量吸收性能方面比其它纺织增强复合材料确寅有较大的优势：在 针织复合材料存抗冲击破坏机训方i f | 、相关的评估设备干f 段，以及颅测和评仙 能蜒吸收相关性能的定性关系a i f i 4 ir 似大的进催。佴灶由r 计纵结构增强复合 材料结构的特蛛性以及复弁干才料木身微胧力学机；l “的复杂性，坯没什骐l r 惑义f 。 的定域准确旭删和计仙这类复合材料诎、7 j 效表达。另外以往的文献一i 行没柏 天r 再种小川引织结阳能_ i ； 吸收性能f f j j 体系统j ) - f j f 比较，这此叫题挪| j f 似段们 进步探时究， 针织结j i _ j j - ir 的终编针纵结构，厄j 足1 0 巾f | 勺彰轴向耵1 “轴向结构j i i 】何较 n j t 、j 饽止f 较均匀的行阳，j 0 能，川它埔曲! 的韭介料鞍机颤纺纵 东华大学纺织学院纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 2 0 0 8 年1 月 欧红标硕十论文 2 0 5 0 0 1 7 结构增强复合材料有更高的拉伸强度和弹性模量，因而在复合材料方面的应用较 纬编针织结构要早并且得到了很大的发展。纬编结构由于有着更好的可变形性和 适型性，可以成型编织等独特的优势，近年来也开始得到快速的发展和广泛的应 用n 引。本文主要探讨以纬编针织结构为增强结构的复合材料的能量吸收性能。 以前纬编针织复合材料力学性能和能量吸收性能的文献中，采用了各种常用 针织结构如平针、罗纹、罗纹空气层等结构，并对它们各自复合材料的性能作了 分析，但是缺少对各种针织结构在作为复合材料增强结构时它们所对应的复合材 料的力学性能( 包括能量吸收性能) 做过相互比较；在研究纬编针织结构增强复合 材料能量吸收性能方面也往往只侧重于冲击性能的研究，未能全面系统地与拉伸 能量、压缩能量和弯曲能量作相关对比分析。本文将在这些方面做尝试性的研究 分析，希望通过系统的分析，得出纬编针织结构中各种基本结构在增强复合材料 时的各自特点，这对将来进一步深入研究纬编针织复合材料有很好的参考价值和 指导意义。 3 2 课题研究方法、内容 本课题将主要研究纬编针织结构复合材料拉伸、弯曲、压缩和摆锤冲击下的 能量吸收性能，分析不同结构对能量吸收性能的影响。具体的研究内容主要有以 下几个方面： ( 1 ) 纬编针织结构的编织。为了能够编织出不同结构的纬编针织结构，本 课题选用s t o l l 的c m s 一3 0 3 t c 电脑横机进行编织，通过对玻璃纤维可编织性的分析 以及编织工艺参数的调试，顺利编织出变化平针、罗纹、罗纹空气层、双罗纹、 变化畦编组织和间隔结构n9 制六种纬编针织结构。 ( 2 ) 针织复合材料的加工制作。采用v a r t m 成型工艺和两种不同的铺层方法， 即同向铺层和垂直铺层方法加工制作针织结构复合材料，并把! j n - r _ 成的复合材料 切割成所需的测试试样。 ( 3 ) 针织结构复合材料能量吸收性能的测试与分析。利用加工好的各种纬 编针织结构复合材料试样，测试和分析材料在拉伸、压缩、弯曲和摆锤冲击四种 试验条件下的力学特性和能量吸收性能，探讨不同针织结构对能量吸收性能的影 响以及各种试验条件下能量之问的关系，为这些复合材料的设计制造和实际应用 提供必要的实验和理论依圭| i ：。 8 东华大学纺织学院纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 2 0 0 8 年1 月 欧红标硕上论文 2 0 5 0 0 1 7 第二章玻璃纤维纬编针织物的编织 以往对针织复合材料拉伸、压缩、弯曲和摆锤式冲击等能量吸收性能的研究 比较少。为了比较系统地研究不同针织结构对复合材料能量吸收性能的影响，本 课题选择了变化平针、罗纹、双罗纹、变化畦编组织、间隔结构和罗纹空气层六 种纬编针织结构作为复合材料的增强结构来进行尝试探讨这个问题。下面将具体 从编织机械的选择、玻璃纤维的可编织性以及针织织物具体的编织工艺等方面进 行介绍。 第一节电脑横机与玻璃纤维的可编织性能 由于电脑横机编织效率高，结构变化方便，编织的工艺参数易于调节，编织 出的织物结构稳定性能一致性好，并且可以编织出边缘整齐、无需裁减的织物， 有利于复合材料的加工，所以本实验采用了电脑横机编织。实验用的各种针织结 构的程序设计以及编织操作都是由自己独立完成的啪1 。 1 1s t o l lc m s 3 0 3 t c 电脑横机 本课题所采用的是如图2 1 所示的电脑横机，型号为s t o l lc m s 3 0 3 t c 胁2 2 1 。 该电脑横为单机头三系统电脑横机，机号为e 1 2 ，针床宽度为1 3 0 厘米，左右各 8 个导纱器，没有牵拉梳和切夹纱装置，两侧有积极式储纱装置。由于没有牵拉 梳等自动起口装置，实验过程中需要进行套布起口。 9 “：盒鬻翳“ 犏”材料“”2 嘲z is l f ) iic m s 3 0 3 ml u 月l j l 横机外观 1 2 花型设计软件m 1 编织程序的改计采用了( 如图22 所小) s t o l 公司新版的花型设i , t 软件m 1 花型准备系统。改花型设计系统通常为两个屏幕图中左边为织物的模拟效 果斟，即织物视圈：右边为织物的编织l 艺视i 兰| 。m l 花型殴计系统4 fz l k ；r i i ；友好 的操作界面和很好的町撵作性，并且系统中自带r 很多已经设计好的常刚模块， 可以大大提高编程效率。另外系统还可以对编织程序进行检验，及时提示错误和 优化编织程序，叫以保证程序在机器上l r 常稳定地编织。 h2 2m 1 花删设讨系统搬什羿面 1 3 玻璃纤维纱线的可编织性能 木i 文采川玻璃纤维编纵纬编训彤吲，构。尽i 玻璃纤 口纱线自较，的 t 伸掘 性，化断裂 k 半较低，动态辛棒系数和比弯曲刚，楚较1 也呷纱线的延伸性较 ，一表1 较川褙邱较确此外，破瞒纤维的刷脐j l 时打【折4 幢也较芹，埸受损脚 鞋破躺o f 绯+ 门这此柏rr 给针织ij 程带水小衫l 制雕1 , 1 i i l 剖车垂叫线蚓小 一堪|。霾 东华大学纺织学院纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 2 0 0 8 年1 月 欧红标硕士论文 2 0 5 0 0 1 7 易扩张，弯纱时张力较大及纱线难转移，且不易弯成圈状或形状易变化等，可编 织性较差1 引。 第二节编织工艺分析与试样编织 2 1 玻璃纤维在电脑横机上的编织工艺分析 2 1 1 织针的排列 由于课题实验所用的玻璃纤维弯曲模量较高，实验过程中发现单根排满针编 织很容易脆断，一隔一排针编织会发现织物非常的稀疏，结构很不稳定；而两根 玻璃纤维合并，排满针编织时玻璃纤维纱线也非常容易脆断，二隔一排针编织时 却可以得到非常好的效果，于是实验中所有结构的编织都采用了一隔一的排针方 法。为了便于最终各种针织结构增强材料力学性能的可比性，在设计各种针织结 构时都采用了同样的弯纱深度。 2 1 2 纱线张力 给纱张力对玻璃纤维纱线的编织有很大的影响乜6 l 。在s t o l lc m s 3 3 0 t c 电脑 横机上，纱线从纱筒到编织区域需经过很长的给纱路径，由于纱线与机件之间的 接触点过多，加上玻璃纤维过高的摩擦系数，使得到达导纱器进入编织区域的纱 线输入张力过高。为了缩短给纱路线，本实验另外设计制作了一个纱架，如图 2 3 所示。该纱架仍然使用原来机器上的纱线控制装置，纱线从纱筒上退绕下来， 经过纱线张力控制装置，直接从机器侧门穿过到达导纱器，然后进入编织区，降 低了纱线喂入张力，使之更加适合玻璃纤维的编织。 8 j 震篙8 蝴”蚧“”桃”碱 欧“标坝l 论女 图2 - 3 玻蹦 t 维的穿纱路径 虽然为了减少玻璃纤维的损伤，给纱张力越小越好，但是在史际编织过程 巾，山于纱筒位于机头的右边，当机头带动导纱器从左向右编制的时候纱线从张 力弹簧圈到导纱器之m 冉近两米的距离，由r 玻璃纤维的重量比较大，如果张力 过小，纱线容易下母，机头回程时小能及时被抽回，纱线松弛严重，边缘纵什吃 纱难，容易技牛漏1 2 1 现象。l 州此，设置给纱张力时，且要倮i i e 电脑横机边侧挑 绒弹簧能够充分吸收机头换向时， j i 的余线，又要不能装。岢过大。在以f f f , j 实断 编织过程中，我们将边侧弹簧滑块的位背部设置了布了“3 5 ”( 图2 - 4 ) ，在这 个位置的张力可以保- i f ：编纵的正常进行，又不平r 对编织的玻璃纤维纱线有太大 m 醯协： 盏赫赫t 一一_ 一 勰蒸暂 东华大学纺织学院纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 2 0 0 8 年1 月 欧红标硕上论文 2 0 5 0 0 1 7 2 1 3 弯纱深度 在s t o l l 电脑横机上，弯纱深度用n p 表示，它表示弯纱三角的高低位置。 n p 越大，表示弯纱三角位置越低，所形成的线圈长度也相应越大。在本试验中， n p 值的变化范围根据所能编织的最小和最大织物密度来决定，n p 值直接影响到 了织物的疏密程度和密度，通过改变其数值来找出最适合编制的参数汹1 。在所有 的编织参数中，弯纱深度对可编织性能影响最大。弯纱深度直接决定了织物线圈 的大小，随着弯纱深度的增加，编织区域的纱线的张力也增大，过大的纱线弯纱 张力更容易造成纱线的损伤。此时，弯纱段的纱线不仅受到拉伸的作用，还受到 弯曲的作用，由于玻璃纤维本身具有很大的脆性且弯曲模量较高，因而很容易断 裂。当弯纱深度较大时，玻璃纤维受到的损伤越厉害，因此纱线产生很多毛羽， 表观性能变差。 在实验中我们发现，对于不同的针织物结构而言，都有较适合的弯纱深度， 在此工艺点下的织物表观性能良好。实验中为了便于对各种针织结构增强复合材 料能量吸收性能进行比较，通过反复地试验编织得到了比较合适各种针织结构的 统一的弯纱深度工艺参数，即n p 值为1 1 5 。表2 一l 给出了编织常用n p 值与织 物线圈大小的对应关系。 表2 - 1 弯纱深度n p 值和织物线圈大小的对应关系 工艺参数集圈集圈 罗纹罗纹 平针 平针 n p 值 8 99 01 0 01 1 o1 1 51 2 o 线圈长度( r a m )3 8 3 95 06 o6 67 1 2 1 4 机速 从实验中观察发现，机速对其线圈长度的影响都没有明显的趋势，但是机速 对纱线的损伤有很明显的趋势，机速过大对纱线的损伤很大，机头速度越慢对纤 维的损伤越小。机头速度过快时，导纱器在织物边缘左右速度改变时会产生很大 的加速度，致使导纱器上的玻璃纤维上的张力增大和波动很大。另外机头速度过 快时，所形成的新线圈很大部分纱线上由老线圈转移而来，由于玻璃纤维的高摩 擦性能和低弹性伸长，所以纱线与纱线之间的摩擦力也大幅增加，更严重的是在 高速编织的过程中，由于织针受到纱线的拉力更大，碰针和撞针的概率随机头速 度的提高而显著提高，在机头过快的情况下损坏织针的情况发生较多。实验中我 东华大学纺织学院纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 2 0 0 8 年1 月 欧红标硕十论文 2 0 5 0 0 1 7 们一般采用0 1 0 m s 的编织速度，虽然牺牲了效率，但是能尽可能地减小了织针 和织物的损伤，获得很好的织物质量。 2 1 5 牵拉力 电脑横机上的牵拉力主要来自于主牵拉辊和辅助牵拉辊。辅助牵拉辊在机器 v 形针床的下方，通过不停止的旋转来给织物施加一定的牵拉力，速度越大牵拉 力越大；机器下方的主牵拉辊则是通过步进式的转动，在每编制织完成一横列后 牵拉织物。牵拉力对线圈长度和纱线的损伤率没有明显的影响趋势，特别是纱线 的损伤率没有随着牵拉力的增大而有规律的增大。由于辅助牵拉辊在电脑横机工 作的过程中是通过不间断的转动以给织物施加牵拉力的，牵拉辊的作用主要造成 织物表面的损伤。另外玻璃纤维较普通纱线难以弯曲，所以要求较大的牵拉力才 能保证编织的顺利进行，否则，线圈容易上浮。但牵拉值也不能过大，否则退圈 时指针不易上升，容易造成指针和线圈的损伤。 通过对复合材料增强结构的编织试验，我们最终得到其编织理想的工艺参数 和织物结构参数，如表2 - 2 所示。 表2 - 2 各种针织结构上机工艺参数 弯纱深度牵拉 织物结构 n pw m m i n硼m a x1 j m i w + = 变化平针 1 1 51 1 51333 罗纹1 1 51 4 4 6 双罗纹1 1 5 l776 罗纹空气层 1 1 51336 间隔 1 1 58 9144 4 变化畦编1 1 58 9l6 56 7 表中：删l n i n 为排针最少时的主牵拉值；w 咖a x 为排针最人时的主牵拉值；w m i 为牵拉脉冲； w + = 为辅助牵拉 2 2 纬编针织物试样的编织 实验采用的玻璃纤维是低捻度的e 型玻璃纤维长丝，规格为2 7 x 3 t e x ，其拉 伸断裂强度为6 5 1 5 c n t e x ，勾结强度为3 3 9 1c n t e x ，捻度为1 0 0 捻m 。本课 题试验编织的各种纬编针织结构都采用3 0 0 针排针宽度。图2 - 5 给出了六种结构 的编织图，电脑横机的编织情况和各种结构的编织效果分别如图2 - 6 和图2 7 至 图2 一1 2 所示。 1 4 2 i 盍鬻臂8 “”显 “”“”“政红标硕 论i 了一扩飞厂 了 厂矿 厂 ( 1 ) 变化、f 针 一矿爿 苓一5 j g ( 3 ) 烈罗纹 了f 扩 厂 父譬父 父 ( 5 ) 问隔组f ： 义( _ j ( j x j 丫 厂了一5 一 qrq r k o 厂o ， ( 4 ) 罗纹空气层 江叉_ 叉_ lz 苓7 。飞。矿一了一2 x 一- ( 6 ) 变化畦编纠，构 l 划25 再种引织结构的编纵幽 l 划中：数字“1 ”圭指琏数字所在的行同时编纵卟花型横州，b 成个花型循环单位“2 ” 是指诲数字所在的行同时编纵另个花型横则，井h “1 ”的花型横列共同组成 个花刚循环单元。 2 繁臀8 ”鲐槲“”“”欧“标硕 论文 局部放人酗片 幽2 7 局部放大图片( 2 ) 骼体触果图片 h29 罗纹纵物 釜￥f=5#口w蓍蔷*营瞽蠹_番#h奢￥薯w*蔷i_v*u_1，ofi#蔷置 _喜口*vp#ef#w并g彗墓v孽#；o营口fft口#口#t#冒*霉*置￥_臀羞喜#吾嚣#墓j嚣 垂y，：孽f#口#蕾日簧#k薹#t基薯=o_g饕#w营口町簧量f善iijio#日管*oi-i=t暮ij*#哥罢#鲁管墨je_，蔓=ttothtt口礁拿薯jj直；喜#薯i*口蕾|= fwo；|毒。f誊善#t#w蚕t暑-#lf；，；t器w暑葺t ￥_：；p；jj#g口#g 耄0口tio：；譬*蔷i并曹，_著- 鹫t=t：iti#口口0： 萎置；-_营百-营#苗首iw聋1w#：ht0#嚣_芦l拳。拳；量ti誓to誊o 东牛大学纺织学院纬编针织复合材料能量吸收性能的研究 2 0 0 8 年1 月 欧n 标颤l 。论文 l _ 部放人h 片 目2i2 变化m f 编细纵 东华大学纺织学院纬编针织复合材料