（纺织工程专业论文）组合式3d机织结构设计及其复合材料性能研究.pdf

塑坚丛型：鲎堡堡塞竺z 墨竺盟 组合式3 d 机织结构设计及其复合材料性能研究 摘耍 纺织结构复合材料在各行各业的痘用日益广泛。困其优良的结构整钵性，3 d 立体枫织 物的织造技术及其复合材料性能研究已成为众多学者普遍关注的课题之，丌展这方威的 研究对我国纺织复合材料的发展和更广泛应用具有重要的现实意义。 到目前为止，复合材料用3 d 立体机织结构主要为正交、准正交和角连锁三类结构。 由于这三类结构中经纱、纬纱和垂纱的分布、相互连接关系及织物中的状态有较大的不同， 故各自具有不同的力学性能特性。采用其中某一组织结构而构成的复合材料构件往往不能 全方位地满足对复合材料各方面的性能要求。在二维织机上生产出具有较好综合性能的3 d 纺织结构复合材料用预制件，可以更好地适应现代技术对复合材料性能的高要求。本课题 就这方面进行了重点研究。 在本课题的研究过程中，通过4 种基本结构单元没计成功了一系列不同结构的组合式 3 d 机织结构，并在试样织机上试制了7 0 余组3 d 机织物，通过手糊成型工艺将这些织物 试制成组合式3 d 机织结构复合材料。并对组合式3 d 机织结构增强复合材料中的树脂渗 透性能、拉伸性能及抗冲击性能等进行了研究。通过这螋研究获得如下结论： ( 1 ) 在仔细分析典型的正交、准正交和角联锁三种基本3 d 立体机织结构的基础上， 根据各自的结构特征，首次提出了具有代表性的四种基本结构单元，即正交、准正交、角 联锁和开放式结构单元。并根据这些结构单元体采用层状复合、相问交叉复合和垂纱交织 复合簿形式成功设计出4 0 余种组合式3 d 立体机织结构。 ( 2 ) 根据组合式3 d 立体机织结构形成了适合2 d 平面织机织造的上机： 艺和上机网： 探索采用纤维一步包缠技术在玻璃纤维束表面包缠尼龙长丝以解决玻璃纤维束在织造过 程中易超毛断裂的问题。通过扫描电镜对玻璃纡维磨损情况的分析表明尼龙长丝有效地保 护了玻璃纤维。同时对织物的实际厚度和理论厚度筹异的原冈进行了分析。 ( 3 ) 采用手糊成型工艺试制成功了组合式3 d 立体机织增强环氧书q 艚复合材料，并利 用扫描电镜对环氧树脂在纤维束中的渗透性能进行了分析，发王见树脂在纤维束内部的渗透 程度要低于外部。但采用真空袋压工艺制作的3 d 机织结构复合材料，从十1 描电镜中获得 浙汀理【_ 大学硕十1 、位论文 照片观察发现，树脂能充分渗透到玻纤束的内部，从而能够满足复合材料性能的要求。 ( 4 ) 对复合材料拉仲性能的研究表明，在各因素中，3 d 机织物结构对其增强复合材 料拉伸忭能的影响最大； f 维体积比含量越高，复合材料的强度和模量也相应提高；垂纱 细度对复合材料捷伸后阶段的性能影响较大，垂纱越羊l i ，厉阶段的弹性模量越人。 ( 5 ) 通过对正交、准i e 交、角连锁三种典型3 d 立体机织复合材料的抗冲击性能研究， 发现j f 交结构和准礓! 交结构的荦位纤维体积含量单位厚皮能量吸收值相差不大，但角连锁 结构的单位吸收能蹙牧低。 ( 6 ) 对组合式3 d 立体机织结构复合材料的抗冲击性能研究发现，纤维体积比含肇对 材料的抗冲击性能影响并不显著；垂纱的细度对材料的性能有显著的影响：增加填经纱将 会使材料的抗冲击性能有所提高；对于在厚度方向采用不同结构单元的不对称3 d 机织结 构，冲击试验时冲击面不同，其最终冲击能量差别不显著，但会影响到冲击过程中复合材 料的断裂点的位移值。 关键词：组合式；3 d 机织物；结构单元；纤维包缠：拉伸性能：抗冲击性能 2 浙江理j 人学硕士学位论文 c o m b i n e d3 dw o v e ns t r u c t u r e d e s i g n a n d p r o p e r t i e so f t h ec o m p o s i t e s a b s t r a c t t e x t i l es t r u c t u r er e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa r em o r ew i d e l yu s e di nm a n ya r e a s d a yb yd a y b e c a u s eo ft h ee x c e l l e n ti n t e g r i t yo ft h es t r u c t u r e s ，t h er e s e a r c ho nt h e3 d w e a v i n gt e c h n o l o g y a n d3 dw o v e n c o m p o s i t ep r o p e r t i e si sb e c o m i n go n eo f m o s ti m p o r t a n tp r o j e c t sc o n c e r n e db y m a n y r e s e a r c h e r s r e s e a r c ho nt h es u b j e c th a sf lg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ef t l l 吐e rd e v e l o p m e n to f t e x t i l ec o m p o s i t em a t e r i a l sa n dw i d e r a p p l i c a t i o no f t h em a t e r i a l si no u rc o u n t r y u p t on o w , 3dw o v e ns t r u c t u r e sa p p l i e di n c o m p o s i t em a n u f a c t u r ea r em o s t l yo r t h o g o n a l ， p s e u d o o r t h o g o n a l a n d a n g u l a ri n t e r l o c k i n gs t r u c t u r e s ，w h i c h h a v e r e s p e c t i v e l y d i f f e r e n t m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e sb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n td i s t r i b u t i o n , l i n k i n gr e l a t i o n s h i pa n ds t a t u so f t h ew a r p ，w e f ta n dz - y a mi nt h ef a b r i c s t h e p r o p e r t i e so f t h ec o m p o s i t e m a t e r i a lr e i n f o r c e dw i t h as i n g l e3 ds t r u c t u r ec a n n o to f t e nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f t h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e so ft h e m a n u f a c t u r e dc o m p o s i t e s w i t h2 dl o o m s ，m e t h o d st om a n u f a c t u r e3 dw o v e ns t r u c t u r e sw i t h b e t t e rc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e s ，s oa st om e e tt h eh i g h e rr e q u i r e m e n to ft h e m o d e mt e c h n o l o g yf o rt h ec o m p o s i t em a t e r i a l s ，w i l lb es t u d i e di nt h i sp a p e r i nt h i sr e s e a r c h ，as e r i a lo fc o m b i n e d3 dw o v e ns t r u c t u r e sa g ed e s i g n e dt h r o u g hc o m b i n a t i o n o f4b a s i cs t r u c t u r ec e l l s m o r et h a n7 0s a m p l ef a b r i c sw i t ht h e s es t r u c t u r e sa g em a n u f a c t u r e d a n dt h ec o m p o s i t e sr e i n f o r c e dw i t ht h e s ef a b r i c sa g em a d ew i t hh a n dl a y u pm e c h o d t h er e s i n p e n e t r a t i o ni n t ot h ec o m b i n e d3 d w o v e n c o m p o s i t e s ，t h et e n s i l ea n di m p a c tr e s i s t a n tp r o p e r t i e s o ft h ec o m p o s i t e sa r ea l s os t u d i e s t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa g ea sf o l l o w e d ( 1 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h et h r e et y p i c a l3 dw o v e n s t r u c t u r e s ，t h eb a s i cs t m c t u r ec e l l s ，t h a t i s ，t h eo r t h o g o n a l ，p s e u d o - o r t h o g o n a t ，a n g u l a gi n t e r l o c k i n ga n do p e ns t r u c t u r ec e l l s ，a r ef i r s t d e f i n e da c c o r d i n gt ot h e i rs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s m o r et h a n4 0c o m b i n e d3 dw o v e n s t r u c t u r e sa r e s u c c e s s f u l l yd e s i g n e da c c o r d i n g t ot h ef o u rs t r u c t u r ec e l l sa n dt h e i r c o m b i n a t i o nw i t hc o m p l e xm o d e ， ( 2 ) t h ec r o s s s e c t i o n sa l o n gl e n g t h w i s eo ft h ec o m b i n e d3 dw o v e ns t r u c t u r e sa r et r a n s f e r r e d i n t ot h el o o m i n gd r a f ta sr e q u i r e df o rw e a v i n go n2 dl o o m s t h eg l a s sf i b e ri sw r a p p e dw i t h n y l o nf i l a m e n t sb yo n es t e pw r a p p i n gt e c h n o l o g y 场 s e mp h o t o s s h o wt h a t n y l o n f i l a m e n t sc a ne f f e c t i v e l yp r o t e c tt h eg l a s sf i b e rf r o ma b r a s i o na n d b r e a k i n gd u r i n gw e a v i n g t h ed i f f e r e n c eb e t w e e na c t u a l 出i c k n e s sa n dt h e o r e t i c a lt h i c k n e s so ft h e3 dw o v e nl a b t i c si s a l s oa n a l y z e d ( 3 ) t h ec o m b i n e d3 dw o v e nr e i n f o r c e de p o x yr e s i nc o m p o s i t e sa r em a n u f a c t u r e db yh a n d l a y - u p 1 t h er e s i np e n e t r a t i o ni nf i b e rb u n d l e si sa n a l y z e dt h r o u g hs e mo b s e r v a t i o n t h e r e s u l ts h o w st h a tt h er e s i np e n e t r a t i o ni nt h eo u t e ro ff i b e rb u n d l e si sb e t t e rt h a nt h a ti nt h e i n n e ro ff i b e rb u n d l e s b u t ，a c c o r d i n gt ot h es e m p h o t o sa b o u tt h er e s i np e n e t r a t i o no f c o m p o s i t e m a t e r i a l st h b r i c a t e db ym e a n so f v a r l ( v a c u u ma s s i s t e dr e s i ni n f u s i o n ) p r o c e s s ， t h er e s i nc a nb es a t i s t a c t o r i l y p e n e t r a t e di n t ot h ei n s i d eo f f i b e rb u n d l e s ( 4 ) t e s tr e s u l t so f t h et e n s i l ep r o p e r t i e so f t h e c o m b i n e d3 dw o v e nr e i n f o r c e dc o m p o s i t e ss h o w t h a tt h ew o v e ns t r u c t u r eh a st h em o s t i m p o r t a n ti m p a c to n t e n s i l e p r o p e r t i e s o ft h e c o m p o s i t e s a tt h es a m et i m e ，h i g h e rv o l u m ef i b e rf r a c t i o ni nt h ec o m p o s i t e s ，h i g h e rt h e 浙江理_ i ：人学硕士学位论文 t e n s i l es t r e n g t ha n dm o d u l u so ft h ec o m p o s i t e a n dt h ef i n e n e s so ft h ez - y a mh a sa n i m p o r t a n ti m p a c to nt h et e n s i l ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t e so nt h er e a rt e n s i l et e s t i n gp h a s e t h i c k e rt h ez - y a r nu s e d ，g r e a t e rt h ee l a s t i ct e n s i l em o d u l u si nt h er e a l - t e n s i l et e s t i n gp h a s e ( 5 ) t h er e s e a r c h r e s u l ta b o u ti m p a c tr e s i s t a n t p r o p e r t i e ss h o w st h a t t h e e n e r g ya b s o r p t i o n d i f f e r e n c ep e rf r a c t i o nv o l u m eo ff i b e rp e rt h i c k n e s sb e t w e e nt h eo r t h o g o n a ls t r u c t u r ea n d p s e u d o - o r t h o g o n a l3 dw o v e ns t r u c t u r er e i n f o r c e dc o m p o s i t e si sr e l a t i v e l ys m a l l ，b u tt h e a n g u l a ri n t e r l o c k i n g3 d w o ve t l is t r u c t u r ec o m p o s i t e sh a v el o w e re n e r g y a b s o r p t i o n ( 6 ) t h er e s e a r c hs h o w st h a t t h ef i b e rv o l u m ef r a c t i o no ft h e c o m p o s i t e s h a sn o td i s t i n c t i n f l u e n c eo nt h ei m p a c tr e s i s t a n c eo fc o m b i n e d3 dw o v e nr e i n f o r c e dc o m p o s i t em a t e r i a l s b u t ，t h ef i n e n e s so ft h ez - y a r nh a sad i s t i n c te f f e c to nt h ec o m p o s i t ei m p a c tr e s i s t a n c e a d d i n g t h es t u f f e rw a r p y a r n st ot h e3 d w o v e ns t r u c t u r e sw i l li n c r e a s et h ei m p a c tr e s i s t a n c e o fc o m p o s i t em a t e r i a l s t h ei m p a c te n e r g yv a l u e so b t a i n e df r o mt h e i m p a c tt e s t s o n d i f f e r e n ts i d e so ft h ec o m p o s i t ep a n e l sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r ec e l l sa l o n gt h et h i c k n e s s d i r e c t i o na r en o tr e m a r k a b l yc h a n g e d ，b u tt h e i rd i s p l a c e m e n tv a l u eo i lt h ed a n l a g ep o i n ti s c h a n g e d k e y w o r d s ：w e a v ec o m b i n e d ；3 dw o v e n f a b r i c ；s t r u c t u r ec e l l ；f i b e rw r a p p i n g ； t e n s i l ep r o p e r t y ；i m p a c tr e s i s t a n tp r o p e r t y 4 浙江理l = 人学硕士= 弘泣论文 第一章绪言 1 1 三维机织结构增强复合材料的发展及研究现状 l - 1 1 纺织复合材料增强结构的发展及研究现状 随着现代高技术的飞速发展，对材料性能的要求也日益提高，单质材料已很难满足对 高性能的综合要求，材料的复合化已成为材料发展的必然趋势之4 。 复合材料是一种多相材料，它是由有机高分二f 材料、无机非金属材料或金属削料通过 复合工艺构成的一种新型材料。复合材料的特点在于它不仅能保持原组分的特色而且还 可通过复合效应使之具有原组成材料所不具备的性能。复合材料通过材料设计，u 】对原柯 组分的性能取长补短，从而得到在构成t 更为合理、在功能上更为有效的材料。目前，复 合材料已与高分子材料、无机非金属材料和金属材料并列为重要材料。 纺织复合材料是指采用纤维或纤维纱线制成的纺织品作为增强体，再与树脂等皋材 进行复合而形成的一类复合材料。 纺织复合材料具有优异的性能和较大的设计自由度i ”。它的比强度、比模量j f 常高， 高模量的碳纤维增强的环氧复合材料的比强度可达到钢的5 倍，钛合会的3 5 倍。其比模 量是钢、钛的4 倍。它的耐疲劳性能优良。金属材料的疲劳破坏是没有明显预兆的突发性 破坏。而纺织复合材料在疲劳过程中，由于基体传递应力作用，在沿纤维方向受力时，各 纤维的应变基本相同。裂纹先在纤维或基体薄弱的环节出现，扩展到结合面，损伤逐渐积 累，导致破坏，这表明纺织复合材料具有较好的损伤容限和疲劳寿命。它还具有力学性能 的可设计性。在纺织复合材料中，纤维是主要的承载元件。基体的作用是将载荷传递到每 根纤维，因此，可根据结构受力条件和使用要求，选择性能不同的纤维、基体以及它们的 体积份数，设计纤维铺设方向，叠层、甚至立体结构，以便结构在性能、重量私成本方面 的指标最优化。另外，它还具有耐高温或低温等特性。正是由于它的良好的性能，在世界 范围内目益引起人们极大的兴趣，被大量用在航空、航天、军事以及民用设旌上。 1 9 4 0 年世界上第一次用玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂制成军用飞机雷达罩【l j ，但当时 仪限于单向和短切纤维两种形式的增强体。随着碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯等岛性能 纤维的发展，纤维增强复合材料取得了巨大的发展。飞机、导弹、人造地球卫星等空间技 术的发展加速了纤维增强复合材料各方面的研究、开发和应用，并使复合材料工业迅速成 i 浙江理j ：大学硕士学位论文 为发展最快的现代工业之一。 分散短纤维不管是随祝取囱或以最佳取向分布所割成的复合材割，其祝城性麓部比币 上连续复丝或纱线所制成的复合材料。对于用连续复丝或纱线进行叠层所制成的复合材 料，4 ：管连续复丝或纱线以一个方囱排列或多方向排列，这些材辩都存在个共嗣的缺点， 表现在厚度方向机械性能差，这是由于在载荷的反复作用下层与层之间脱玎造成的。 在纤维增强复合毒季科中，作为增强材料应用的，除了短纤维、连续跃丝以外，铰为r 泛应用的是纺织结构物，如机织物、针织物、编织物、非织造物等，其中因机织物具有良 好的结构可设计性，在经纬向具有良好的稳定性及较大的平藤覆盖系数，f a 时桃织物复台 材料具有高强高模量等优异性能，使得到目前为止，用于复合材料的多数为机织物，如甲 纹组织、方平组织、籍纹组织帮缎纹组织”。 然而，平面多层2 d 机织复合材料因在织物层间没有任何纤维或纱线连接，在厚度山 向没有得弱增强，其复合材料的损坏往往是分层、开裂，两菲纤维断裂。因此，这o j 砭台 材料的性能在很大程度上不取决于纤维的性能，而是取决于纤维和介质之删的枯结状况。 这就大大降低了复合材料的强度等性能。为了改善多层织物之阳l 的相互连接，目前已订聚 用缝编法将多层织物缝结，以增强织物集合体在厚度方向上的性能，同时满足复合材料制 作对织物厚度的要求并简化复合材料成型工艺。但所选用的织物结构和缝编工艺的不川， 最终将影响复合榜料的多方面性能。一般认为1 3 - 7 】，缝编工艺对复合材料淫链的影响茸# 都是积极的，其负面的影响是因为缝编过程中缝针会刺断或损伤承力纤维，同叫也会改变 纤维在织物中豹排列方向。此乡 ，通过对受冲击后的缝编无折皱多囱织物复合毒| 料试专羊监 微镜观察，发现在破坏区内有沿着缝编线的裂痕产生，表明缝编线的存在对复合材料有不 利的影响。这或许是因为缝编线与薅分子基之闻的糖结力较差有直接的联系豫。故有砦 研究结果表明采用缝编工艺不仅没有提高反而降低了复合材料的抗分层破坏的性能，更为 严重的是缝编工艺还影响了复合专毒料平面方向内的性能。 立体机织物和立体编织物显著的提高了厚度方向上的机械性能。由f 它们结构的整体 性，在厚度方向的拉力和与厚度方向垂直的剪切力作用下，有很好的机械强度，并将发生 裂缝的可能降到最小程度。由此可见，三维立体纺织结构增强复合材料可以满足对纺钐 复 合材料提出的高层问剪切性能和高抗冲击性能耍求。纺织复合材料的增强纺织结构物正存 从二：维( 2 d ) 结构向三维( 3 d ) 结构方向发展，并越来越受到复合材料界的重视。 三维机织物是一种建立在平面机织结构( 0 。9 0 。) 叠加的基础上，通过在厚度方向 浙江理工大学硕士学位论文 引入接结垂纱而一次成型的三维纤维集合体。 准正交和角联锁i 类结构【9 - t 0 1 。这些结构中， 目前，机织三维预成型体结构主要是旷交、 用特殊的纰织结构将多层纤维连接起来以形 成一个整体。由于在织物的厚度方向有专l 、j 的一组纤维或纱线连接，火大改善了复台材料 的抗分层性能，使之成为近年来国外发展较快的一种结构材料。具有代表性的就是美i 词政 府和澳大利亚政府的项目。 美国经过多年研究积累，从1 9 8 9 年起，n a s a 始实施为期8 年的“a d v a n c e dc o m p o s i t e s t e c h n o l o g yp r o g r a m ( 1 9 8 9 1 9 9 7 ) ”( 简称a c t 计划) l u l 。在a c t 计划执行期内，作为其 核心研究内容之一的三维机织复合材料得到了比较系统的研究，这其中包括三维祝纵复合 材料力学性能的实验研究 1 2 - 1 4 1 、基本力学理论研究1 5 - 1 6 1 以及生产成本预测分析模型研究1 7 1 等。 受美国a e t 计划研究成果的鼓舞，澳大利亚政府于1 9 9 1 年资助来自x , i k 界、政府部门 和大学有关研究机构，成立了“航天结构合作研究中心”( c o o p e r a t i v er e s e a r c hc e n t r e f o ra e r o s p a c es t r u c t u r e ) o s l ，其目标是致力于将纺织复合材料应用于航天领域的研究， 以增强澳大利亚航天工业在国际市场上的竞争力。1 9 9 4 年，为促进纺织复合材料在非航天 领域的应用，又将“航天结构合作研究中心”更名为“先进复合材料结构合作研究中心” ( c o o p e r a t i v er e s e a r c h c e n t r ef o ra d v a n c e dt e m p o s it es t r u c t u r e s ，简称c r c - - a c s ) 。 近年来，c r c - - a c s 完成特色研究项目包括二、三维机织物( 含t 字梁) 的设计与生产加工 1 1 9 - 2 0 1 ；成型工艺对三维机织复合材料细观结构的影响i2 1 1 ：三维机织复合材料力学性能分析 与线弹性性能预测【2 2 2 3 l 等。 与当前研究较多的三维编织复合材料相比，三维机织物除具有结构整体性好、层间断 裂韧性高等特点之外。还拥有生产效率高、设备投资少等优点，因而被认为是最有可能在 民用复合材料领域推广使用的纺织结构复合材料之一。目前己开始试用于v j o t 的机身、舱 门、机翼等大型承力部件的加工制造2 4 l 。根据最近的研究表明，兰维机织复合材料具有 较高的断裂功和较低的缺口敏感性，使之有可能在更多、更重要的领域中得到应用。 1 1 2三维机织结构织造技术的发展及研究现状 由于3 d 机织结构的复杂性和上机织造的特殊性，3 d 机织技术主要向两个不删的技术 路线发展，即采用专门漫计的设备和采用2 d 平面织造技术分荆来实现3 d 立体机织结构。 浙江理j 人学硕，卜学位论文 前一种技术路线是指在专f j 的织机卜织造 3 d 机织物复合村料预制件1 1 2 62 8 1 ，较有代表性 的是闩本f u k u t a 26 | 等研制的专门方形! 维立 体织造设备和美国3 t e x 公司的3 d 织机爨，和这 类专门的织造设备造价高，主要用于实现3 di e 交立体结构，限制了其进一步推广。 8 0 年代初，英国也在常规织机上通过改 进开口机构试织成功了三维机织物魁。1 9 8 8 年，i , i o h a m e d 等燃发明r 一种颓的三维多层织 物织造设备，该设备町织造矩形、t 形、i ：字 形等截面形状较为复杂的3 d 机织物预制件。 卜立体j 5 物2 一前框架3 _ 经妙4 一筘5 一后框架6 尾桨 7 一重橇8 一机蔡9 中问握桨1 0 - 丝杆i1 ，1 2 一导杆 剧卜lf u k u t a 立体织造殴备 8 0 年代未，我国东华大学张仲槐、吴以心教授丌始i 维机织物设计原理的研究，并研 制了无梭无边纱三维立体织造没备实现3 d 立体机织。目前己能够加t ：出多种形式的三 维机织预制件 3 0 - 3 5 】，并能在实验室完成复合丰才料的成型“。3 1 36 1 。在此基础上，对羔维机 织复合材料的线弹性性能进行了初步研究，获得了一些宝贵的实验数据和有益的基础理论 研究成果i ”4 】；编制了相应的力学性能分析软件，为_ _ 三维机织复合村料的研究与发展起_ 很好的推动作用。此外，近年来，我国台湾省的连甲大学、中国文化大学在三维机织物用 予防弹材料方面也做了不少基础研究二_ ：作，并取得了一些进展1 4 “4 2 l 。 后一种技术路线是指采用2 d 平面织造技术佧必要的改进来实现各种3 d 立体结构。在 普通二维织机上生产3 d 帆织物是一项很古老的技术，近年来在航空工业的发腱的推动下， 才引起了人们对这门技术极大兴趣，关于这方面的报道f j 益增多。 已有研究表明，有相当一部分结构较为简单的3 3 机织物可在普通二维织* j l j t # 产。 如在小样机上1 4 3 】采用多织轴送经生产型材( t 型、工型、槽型、角型、片掣等) 预制件的 可行性，并给出了正交结构的上机图；文献l h l 报道了在传统织机上牛产各种结构( 角联锁 结构、正交结构) 板材( 实芯扳、空芯板、层j i i 板、变厚度板) 的方法；文献斟l 通过对织 物计算过程中各相关因素的综合分析，给m 织物各参数选择的依据和计算方法，并通过实 践总结出了适合制织玻璃纤维高厚布的方法和卜讥工艺，在剑杆织枫上织制出了厚度6 i t i i i i ， 纤维体积含量为5 0 的高厚玻璃纤维布；文献讨论了蜂窝状三维机织物的组织结构特点， 并对织物的截面形状，层问连接方法以及采用单经轴送终，剑卡 织机或有梭织机织造的织 4 浙江理1 人学硕p 位论文 机t 艺作了分析；文献f 4 6 ”1 分别介绍了新型i 维无交织织物的q i 产工艺、3 d 多向织物的织 造, 自n - e 技术以及非平面状3 d 结构织物的织造加j 技术：变= 献介绍了用传统二维织机加 工包含两组相互交纵的纱线的3 i ) 彭 物及包含二! 组纱线排列的非交织3 d 织物的织造技术， 并：成功织制出了3 层纬2 层经及6 层纬5 层经的： d 织物，厚度可达3 m m 。文献1 4 9 5 0 介绍了 在传统二维织机卜实现纵向变截面、横向变截“n 及纵横舣向变截面三维立体机织物的织造 加工技术。总的说来，至u 前为止，人们已经掌握了相当多形状的“近形”预制件及其型 材的生产技术。 由于现代多臂和提花织造技术的高速发糕，为实现各种3 d 立体结构创造了良好的条 件。如何采用现代2 d 平面织造技术创造结构更为新颖、性能更为优异的3 d 立体机织结构 是进一步研究的重要课题。 1 1 33 d 机织增强复合材料性能的研究现状 到目前为j 卜，复合末耋料用3 d 立体机织结构 i 要为如图卜2 所示的正交、准正交和角 联锁三类结构。因此，对机织增强复合材料性能的研究也集中在采用单一的正交结构、 准正变结构和角连锁结构三种基本组织结构生产的三维立体机织增强复合材料上。由于在 这三类结构中，经纱、纬纱和垂纱的分布、相灯连接关系及织物中的状态有较大的不同， 故各自具有不同的性能特性。对利用单一的正交结构、准正交结构和角连锁结构i 种基本 组织结构生产的三维立体机织结构预成型体作为增强材料所研制而成的复合材料强度模 量、抗剪切和抗冲击性能的前期研究表明。“，3 d 正交结构复合材料具有最高的抗拉强 度( 最大增加1 5 以上) 和模量( 最大增加1 6 以上) ，3 d 角联锁结构复合材料的层间剪切 强度比3 d 正交结构复合材料要高( 最大增加2 0 以上) ，且不同的角联锁结构其复合材料 的层间剪切强度也有不同。同时，采用3 d 角联锁结构还可以提高3 d 立体机织增强复合材 料的抗冲击性能( 最大增加1 2 以上) 6 l |l l l l o 5 0 1vq l , w u v 3 2 f i 纬t 层 一虹盼 一h 壮 ( a ) 正交结构 图卜2 ( b ) 准i 交结构( c ) 角联锁结构 3 d 机织物基本结构经向截面图 5 浙江珲1 人学顾：上学竹论文 1 2 本课题的主要研究内容及意义 纺织复合材料的用途日益j 。泛，已渗透到国民经济的各个部门，其丌发现状和应用影 响若。个国家的科技水平和军事实力。发达圉家都非常重视这方面的发展。我国也小例外。 3 n 机织物的织造技术及其复合材料性能研究已成为众多学者普遍关注的课题之一。 纺织行业为劳动密集型产业，在我国仍占有相当重要的地位，也已有一定的基础。用 传统的织机( 或稍加改进) 生产各种： d 机织物复合材料预制件是传统纺织技术的拓展， 它使复合材料与纺织工业密切相关，为纺织行业开辟了新加工领域，也为生产低成本、高 质量、多品种复合材料提供了一条有效的途径。2 0 0 3 年1 0 月1 5 日，“神舟五号”的发射 成功是中 蜀航天事业的一个新的里程碑，同时也象征着中国在复合材料领域，特别在聚合 物基复合材料的研究上又迈进了重要一步。同时也预示着近形复合结构预制件必将得到进 步发展。 1 2 1 本课题的主要研究内容 如前所述，利用单一的正交结构、准正交结构和角连锁结构三种基本组织结构生产的 三维立体机织结构预成型体作为增强材料所研制而成的复合材料具有不同的性能特点，如 正交结构复合材料具有较大的拉伸强度与弹性模量、但较低的层间剪切强度和抗冲击性 能；而角联锁结构复合材料则与正交结构复合材料相反，即具有较高的层间剪切强度和抗 冲击性能、但较低的拉伸强度与弹性模量，目不同的角联锁结构其复合材料的层间剪切强 度也育不同。 在复合材料的实际应用中，往往要求复合材料具有较好的综合性能，即不仅具有高强 度高模量、而且具有更好的抗剪切、抗弯曲、抗冲击等性能。采用单一组织生产的复合材 料构件往往并刁i 能全方位满足这些性能要求。 将各种3 d 立体机织基本结构通过各种方式组合应用在起，可形成由多种立体机织 基本结构所组成的组合式立体机织结构。与此变化的组合式3 d 立体机织复杂构件相对应， 最终的复合材料将表现出各种立体机织基本结构所具有的性能。这样，复合材料具有较好 的综合性能，即不仅具有某个方面特别突出的性能，而且还具有其它方面的优异性能，从 而更好地满足现代技术对复台材科性能的更高要求。 本课题的目标就是通过组合各种3 d 机织奇体基本结构，使用甲面2 d 机织乍，“具有各 种变化的组合式立体机织复杂构竹，最终达剜优化复合材料综合性能的目的，使复合 6 撷江埋1 - 人学硕 学位论文 材料1 ：仅具有高强度高模量，而r 具肓高剪切强度和高抗冲击性能。 为此，本课题将始终围绕着女何在典型3 1 ) 立体机织结构的基础上，建立完整的： d 市 体机织复合结构体系，探索采用平面2 d 机织技术实现这峰复合结构，屠终实现复合材料 性能优化进行研究。主要包括以下儿个方面的内容： 1 ) 3 d 立体机织结构单元分解及组合设计 本课题在仔细分析传统的二种基本3 d 立体机织结构的基础上，根据其结构特征分解 出具有一定代表性的基本结构单元。基于3 d 立体机织结构、变截面( 纵向变截面、横向 变截面及纵横双向变截面) 和圆形截面立体机织预成型体的组织结构原理研究的瑟础卜， 采用将正变结构、准正交结构和多种角联锁结构等沿织物厚度方向进行立体复合，复合结 构模式如图卜3 所示，主要有层状复合、相间交义复合和垂纱交织复合等三种 5 9 - 6 2 】。出于 这些组合结构为新裂3 d 立体机织结构，具有与普通3 d 立体结构不同的构成方式，故必须 从研究构成这些复合结构的各组纱线分布规律、排列方式等开始研究其结构形成原理，以 最终建立组合式3 d 立体机织结构体系。 ( a )层状复合( b ) 相问交叉复合( c ) 垂纱交织复合 图卜3 复合结构复合形式图例 2 ) 组合结构在平面织机上的实现 组合式3 d 立体机织结构由于组合方式 二的任意性，组织结构上的复杂性，对上机工 艺提出了更高的要求。本文采用普通二二维平面织机迸行织造，因此在进行组织结构设计时 必须充分考虑到结构的性能要求，根据组合式3 d 立体机织结构组织的特点，满足上机的 织造要求的同时，对织造设备进行必要的改迸。 由于组合式立体机织物中垂纱在织物厚度方向所经过的路线较为复杂，口；i 此务l 合式3 d 、z 体机织物上机图的设计j 绘制较普通3 d 机织物更为烦复。为方便组合式二维立体机织 物的上机图设计，根据垂纱在纵物中的形态，分别况明组合式3 d 立体机织物上机图的设 计、绘制步骤与方法。 浙江埋j 一人了硕十学位论文 此外，玻璃纤维纱在织造过程巾极容易凶摩擦而起毛甚至断裂，同时3 d 立体机织结 构的复杂性而对织造技术有较高的要求，使得目前还不能在二维织机上人规模，卜产这类织 物。采用纤维混杂包缠技术对3 d 立体机织物的生产和复合材料的性能均可带来益处，不 仅可以有效地解决在织造过程中的纱线断裂问题，同时还可给复合材料带来较好的抗冲击 性能。本课题采用多种纤维并合包缠一步法制成混杂纤维，以满足3 d 立体织物够i 造和改 进复合材料性能的要求。 3 ) 成型技术与界匝i 分析 手糊成犁是聚台物基复合材料生产中最早使片j 和最简单的一种工艺方法。这种方法用 手工工具将布或纤维毡浸上树脂胶液，铺糊在敞开模具上，经室温固化和脱模即可获得制 品。所用工具和工艺设备简单，适宜于小批量、大尺寸、品种变化多的制品生产。本文将 根据实验室的条件，采用手糊成型进行组合式3 d 立体机织结构复合材料的制备。由于所 设计的组合式立体机织结构织物厚度较厚，并且玻纤纱经包缠技术处理，这势必对手糊成 型工艺中的树脂渗透造成一定的影响，使树脂难于渗透进入纤维或纱线内部。因此，本文 将采用扫描电锐对组台式3 d 立体机织结构复台材料的界面以及纤维束树脂的渗透情况进 行观察分析。 目前，3 d 立体机织物增强复合材料的成型已逐渐向真空辅助法方向发眨，这种方法具 有适应范围广、成型质量高等优点，由于3 d 立体机织物增强复合材料的厚度大且结构紧 密，对成型工艺提出了较高的要求，采用传统方法成型已不能满足实际需要，借助丁真空 的作用改进在成型过程中树脂的渗透性i 三i 最终提高复合材料的成型质量已是发展的必然。 深入研究3 d 立体机织物增强复合材料的真空辅助法成型工艺技术对复合材料的发展具有 重要的意义。同时本文也采用扫描电镜对真空袋眶下组合式3 d 立体机织结构织物树脂的 渗透性进行分析。 4 ) 性能测试与分析 为了弄清基本结构单元及其组合方式、纤维体积比含量、结构中垂纱细度等因素刘3 d 立体机织物增强复合材料性能的影响，本文对材料的拉伸性能和抗冲击性能进行研究，进 行分析挟得相应的结果。 i 2 2 本课题的研究的意义 卜述研究内容的丌展，使本课题具有以卜意义： 浙江理1 大学硕学位论文 1 ) 在明确了各结构单元体对复合材料各项力学性能影响的基础上，可以根据不同的 实际性能要求有选择地将正交结构、准正交结构及角联锁等多种立体机织结构进行多种形 式的复合，设计不同的3 d 组织结构，充分发挥各种立体机织结构的特性，建立由多种立 体机织结构所构成的3 d 立体机织复合结构体系，晟终达到优化复合材料综合性能的目的。 使三维立体机织结构复合材料具有更大的人为设计性。 2 ) 复合材料作为种新兴的产业，其发展前景是不可限量的。基于现代织机大多装 配了计算机设备、可以与计算机互联的事实，如能解决在平面织机上织制3 d 织