（纺织工程专业论文）玻璃纤维经编针织物增强复合材料的力学性能研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

玻璃纤维经编针织物增强复合材料的力学性能研究 玻璃纤维经编针织物增强复合材料的力学性能研究 摘要 针织物增强复合材料是纺织结构复合材料的一类，它是以针织物作 为增强体的纺织结构复合材料。针织物是由线圈相互穿套形成的，这种 特殊的结构使其具有许多其它纺织结构所没有的优点。目前针对经编针 织物增强复合材研究较多的是多轴向经编针织物作为复合材料增强体。 多轴向经编针织物是在经编常规组织结构中衬入纬纱或经纱而得到的， 而经编地组织只起到固定轴向高性能纱线的作用，并非严格意义上的经 编针织物作为增强体。高性能纤维纱线的模量比较高，不易弯曲成圈， 编织性能较差，因此，利用高性能纤维纱线直接编织经编针织物，并将 其作为复合材料增强体方面的研究还很少。本论文正是在这样的背景下， 利用玻璃纤维纱线编织了多种组织结构的经编针织物，将其与不饱和聚 酯树脂复合成型，并对其进行了拉伸和弯曲性能试验，探讨经编针织物 增强复合材料的力学性能。 论文中采用了玻璃纤维纱线编织了九种不同结构的非轴向经编针织 物，并在玻璃纤维纱线的可编织性、经编织物的组织设计和经编上机工 艺参数调节等方面进行了初步的探讨和研究。基于经编线圈二维结构的 假设，分析和计算各种经编组织在加载方向上的织物承载纱段，作为分 析复合材料力学性能的基础。 论文中还介绍了目前纤维增强复合材料所用树脂基体的种类和选 玻璃纤维经编针织物增强复合材料的力学性能研究 用，不饱和聚酯树脂的固化配方和固化特性，手糊成型法的工艺操作， 如何降低复合材料的孔隙率和复合材料纤维体积含量的计算等方面内 容。复合材料中玻璃纤维纱线以复杂的三维经编线圈形式存在，因此树 脂比较容易浸渍织物，复合材料的孔隙率比较低，但同时复合材料的纤 维体积含量也比较低且不易控制。 论文中参照玻璃纤维增强塑料的拉伸性能试验方法和玻璃纤维增强 塑料的弯曲性能试验方法，对经编针织物增强复合材料的纵横向拉伸和 弯曲力学性能进行了测试。为增加数据可比性，将拉伸和弯曲得到的强 度和模量数据除以试样的纤维体积含量得到比强度和比模量。通过对复 合材料拉伸和弯曲的比强度、比模量和经编组织沿加载方向的承载纱段 的比较和分析，探讨经编组织的线圈几何结构对复合材料拉伸和弯曲力 学性能的影响。结果显示，在经编组织线圈结构中沿加载方向的有效承 载纱段数越多，纱段弯曲程度越低，纱段取向越高，其复合材料的拉伸 和弯曲比强度、比模量就越大。 关键词玻璃纤维，经编针织物，线圈几何结构，增强复合材料，拉伸性 台邕，弯曲性台皂 玻璃纤维经编针织物增强复合材料的力学性能研究 s t u d yo nt h em e c h a n i c a lp r o p e 舳e so f g l a s s f i b e r 猃r p k n i t t i e de a b r i cr e i n f o r c e d c o m p o s i t e s k n i t t e d f a b r i c - r e i n f o r c e d c o m p o s i t e i so n e t y p e o ft e x t i l ef a b r i c s r e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ，w h o s er e i n f o r c e m e n ti sk n i t t e df a b r i c s i nak n i t t e d f a b r i c ，t h ef i b e r so ry a m sf o r ml o o p st h a t c a ng l i d eo v e re a c ho t h e ra n d d e f o r me a s i l y t h i sm a k e st h ek n i t t e df a b r i cf o r m a b l eb yc o m p a r i s o nw i t h o t h e rf a b r i c sl i k ew o v e no rb r a i d e df a b r i c s t h em o d u l u so fh i g hp e r f o r m a n c e f i b e r si sg r e a ta n di sn o te a s yt ob e n d ，s om o r ea t t e n t i o ni sp u to nt h e m u l t i - a x i a lw a r p k n i t t e df a b r i c s m u l t i - a x i a lw a r p - k n i t t e df a b r i c sc o n t a i n b a s i cl o o p sa n di n s e r t e dy a r n s t h ei n s e r t e dy a m sp l a yt h ec h i e fr o l e so n p r o p e r t i e s o fr e i n f o r c e dc o m p o s i t e sw h i l eb a s i cw a r pl o o p se n s u r et h e s t a b i l i t yo ft h ei n s e r t e dy a m st o g e t h e r ，w h i c hs t r i c t l y c a nn o tb ec a l l e d w a r p - k n i t t e df a b r i c s ow e h a v ek n i t t e ds o m ed i f f e r e n tp i e c e so fw a r p k n i t t e d f a b r i c sw i t hg l a s s f i b e r y a m s ，s o l i d i f i e dt h e mw i t hu n s a t u r a t e dp o l y e s t e rr e s i n i i i 玻璃纤维经编针织物增强复合材料的力学性能研究 a n dm a d et e n s i l ea n df l e x u r a le x p e r i m e n t sf o rt h er e i n f o r c e dc o m p o s i t e s i nt h i sp a p e r ，w eh a v ek n i t t e dn i n ep i e c e so fw a r p k n i t t e df a b r i c sw i t h g l a s s f i b e ry a m s w ei n i t i a l l yh a v es t u d i e da n dd i s c u s s e do nt h ek n i t t i n g b e h a v i o ro fg l a s s f i b e r y a r n s ，t h ed e s i g n o f t h ew a r p - k n i t t e df a b r i c s s t r u c t u r e sa n dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s b a s e do nt h et w o d i m e n s i o n a ll o o p s t r u c t u r e ，w ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e dt h eb e a rs e g m e n t so ft h el o o p si no r d e r t oe x p l a i nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h er e i n f o r c e dc o m p o s i t e s i nt h i sp a p e r ，w eh a v ei n t r o d u c e dt h es o r t so fr e s i n s ，t h es o l i d i f i e d c o m p o u n do fu n s a t u r a t e dp o l y e s t e rr e s i na n dt h eo p e r a t i o no fh a n dl a y - u p m e t h o d ，a n dh a v es t u d i e dt h ep r o c e s st oc o n t r o lq u a l i t yo ft h ec o m p o s i t e s i n t h ec o m p o s i t e s ，g l a s s - f i b e ry a m se x i s tb yl o o p so ft h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e ， s oi ti se a s yf o rr e s i nt oi m m e r g et h ef a b r i c sa n dg o tl o w e rp o r o s i t y i nt h e m e a n t i m e ，f i b e rc o n t e n to fw a r p k n i t t e df a b r i ci sl o w a n dd i f f i c u l tt oc o n t r o l t h eq u a l i t yt o o i nt h i sp a p e r ，w eh a v ec o n s u l t e dt e s tm e t h o df o rt e n s i l ea n df l e x u r a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg l a s sf i b e r r e i n f o r c e dp l a s t i c sa n dh a v em a d es o m e t e n s i l ea n df l e x u r a le x p e r i m e n t si nl e n g t h w a y sa n dt r a n s v e r s eo r i e n t a t i o nw i t h t h e s ec o m p o s i t e s f r o mt h et e s t ，w eh a v eg o tt h ep a r a m e t e r so nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fc o m p o s i t e s 一一s t r e n g t ha n dm o d u l u s a c c o r d i n gt oa n a l y z i n g c o m p a r i n g t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h eg e o m e t r ys t r u c t u r e so ft h e s ef a b r i c s ， w eh a v et r i e dt of i n dt h er o l e st h a tt h ef a b r i cs t r u c t u r ep l a y e do nt e n s i l ea n d f l e x u r a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw a r pk n i t t e df a b r i cr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s 玻璃纤维经编针织物增强复合材料的力学性能研究 a sar e s u l t ，w ef i n dt h a tt h em o r es e g m e n t sa n dt h el o w e rb e n d i n go ft h e l o o p so nl o a d i n go r i e n t a t i o n ，t h eb e t t e rs t r e n g t ha n dm o d u l u s o ft h er e i n f o r c e d c o m p o s i t e s y ug u a n g j u n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f l o n gh a i r u k e yw o r d s g l a s s f i b e ry a m ，w a r p k n i t t e df a b r i c s ，g e o m e t r i cs t r u c t u r e so f l o o p s ，t e x t i l e r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s ，t e n s i l ep r o p e r t i e s ， f l e x u r a lp r o p e r t i e s v 玻璃纤维经编针织物增强复合材料的爿学性能研究 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：于痧阜 吼勺年，胡舶 玻璃纤维经编针织物增强复合材料的力学性能研究 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 不保密囝。 学位论文作者签名：手把阜 日期：刁钳咖泪 指导教师签名：泛沟划 日期：d7 年( 蝴刁日 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 前言 复合材料的出现与发展，是现代科学技术不断进步的结果，也是材料设计方面的 一个突破。它综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，按需设计、 复合而成的综合性能优异的新型材料n 1 。所谓的复合材料是指，由两种或两种以上物 理和化学性质不同的物质以不同方式组合而成的多相材料。复合材料的各组分材料虽 保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是各组分材料性能的简单加和，它可以发 挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。在复合材料中，通 常有一相为连续相被称为基体，另一相为分散相被称为增强体脚。分散相可以是纤维、 颗粒或弥散填料等；连续相包括树脂、金属、陶瓷和水泥等。分散相( 增强体) 是以 独立的形态分布在整个连续相( 基体) 中的，两相之间存在着相界面。通常如果没有 特别说明，复合材料一般是指纤维增强复合材料。 纺织结构增强复合材料是纤维增强复合材料的进一步发展的结果，它是利用高性 能纱线( 如玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、高模高强聚乙烯纤维等) 织造成的纺织 结构织物( 机织、针织、编织和无纺布等) 作为增强体的复合材料口1 。由于纺织结构 增强复合材料具有更好的整体性，各方向的性能都较传统的纤维层合板复合材料好； 合理的设计和工艺保证了增强体结构件的强度和韧性；可制造形状和结构复杂的预制 件，加工成型方便，降低成本等优点，已逐步取代木材及金属合金，被广泛应用于工 程领域。 经编针织物增强复合材料是纺织结构复合材料的一类，它是以经编针织物作为增 强体的纺织结构复合材料。针织物是由线圈相互穿套形成的，这种特殊结构使得它具 有许多其它纺织结构所没有的优点。目前研究较多的是轴向经编针织物作为复合材料 增强体，它是在经编针织物结构中衬入纬纱或经纱而得到的“1 。由于轴向经编织物中 的衬入的纱线充分伸直，纱线的潜能可以得到充分利用，在纵向和横向受拉伸时织物 尺寸更加稳定，而不像机织物中纱线呈波纹形而使纱线的强度在纵横两向因波纹角度 而减小，使其具有优良的拉伸性能。另外，多轴向经编织物中还可以衬入斜向纱线， 第一审绪论 从而提高了织物的各向同性性能，提高织物剪切性能。将多轴向经编针织物作为复合 材料增强体嘲，由于承受载荷的主体是织物中衬入的高性能纱线，所以无论是在拉伸、 弯曲、剪切和冲击实验中都有很好的性能表现。 1 2 经编针织物增强复合材料的应用 经编针织物增强复合材料由于其高强度、高模量、耐冲击、密度小等特点，被广 泛应用于工程领域，是金属材料的优良替代品。目前，在先进的工业国家竟相开展研 究，其产品已广泛应用于军事、航空航天、汽车制造、建筑业、船艇、生物医疗等工 业部门。 ( 1 ) 航空航天工业。这是首先应用经编复合材料的领域，可用于制造航天飞行 器防热层、卫星的支架，桁条和整流罩等；飞机的舱门、机翼和舱内材料；火箭壳体、 隔热层材料、雷达罩等。 ( 2 ) 船舶工业。船舶工业是目前经编复合材料应用相当大的市场。特别是利用 预制件技术，通过经编结构的形式将玻纤等高性能纱线编织成船体形状，然后与树脂 符合成型而成的船体，具有强度高，韧性大，耐冲击，同时还可以提高生产效率，降 低成本低等优点，被广泛应用于游艇、赛艇、冲浪板、渔船船体等的制造。目前我国 在船舶制造方面对复合材料的应用还远远不够，因此发展前景广阔。 ( 3 ) 汽车工业。为了使交通工具轻型化、节约耗油量、提高使用寿命和安全系 数，目前在交通工具上已经大量使用复合材料。同时由于经编结构复合材料可整体成 型形状复杂的大构件，减少零件数量，缩短制造周期，从而降低成本。例如，用于汽 车车身、前后保险杆、发动机壳体、轴、离合器、刹车盘等。 ( 4 ) 建筑业。将经编织物与混凝土基质、石灰、钢筋等按照一定层次进行浇铸 即可以制得建筑用经编增强混凝土复合材料。经编增强混凝土的压缩载荷由混凝土吸 收，而拉伸载荷则由经编结构中的纤维吸收，韧性和延伸性同时得到了增加。而且经 编增强结构混凝土材料体积比钢增强结构材料要小，因此能够适用于较薄的墙壁厚 度。经编增强混凝土复合材料是建筑行业中一个崭新的应用领域，有很大的发展潜力。 ( 5 ) 生物医学。经编结构复合材料的生物相容性和抗腐蚀性能好，特别是比纤 维层合复合材料具有更好的韧性、耐久性。质轻且疲劳寿命长。通过材料的设计，_ f ：i 建的不同部位可以具有不同的刚度，这都是生物材料所要求的。目前广泛用于牙托、 2 第一章绪论 假肢、骨骼、关节、工程腱和韧带等等。 1 3 经编针织物增强复合材料的力学性能研究现状 经编针织物增强复合材料由于其优良的力学性能已经被广泛的应用到生产生活 的各个领域。迄今为止，已经有很多针对经编针织物增强复合材料各项力学性能的研 究，包括拉伸、弯曲、冲击、疲劳等。 屈泉叫对玻璃纤维环氧树脂、玻璃纤维不饱和聚酯树脂、玻璃纤维乙烯基酯 树脂等三种采用手糊成型工艺法复合成型的多轴向经编针织物增强复合材料，进行了 拉伸性能的测试研究。研究表明，高性能纤维多轴向经编针织物作为增强体的加入确 实使树脂基体的拉伸强度和弹性模量得到了大幅度的提高。同种织物增强体条件下， 乙烯基复合材料试样无论是拉伸比强度还是拉伸比模量都是最大的。每一种试样斜向 的比强度和比模量总是高于经向和纬向的，而经向的比强度和比模量又高于纬向的比 强度和比模量。 陈南梁n 们通过涤纶和玻纤分别以经平、经绒两种地组织编织的四种多层多轴向经 编针织物，与树脂复合成型后进行了复合材料拉伸性能的测试与研究。从而了解了不 同的经编地组织及原料对多轴向经编增强复合材料拉伸性能的影响机理。试验表明， 单向纤维增强层合板拉伸强度和纤维与拉伸方向夹角之间的关系，当纤维排列方向与 试样拉伸方向之间的夹角大于4 5 0 时，复合材料的强度受纤维强度的影响逐渐减小，最 后只受树脂基体的影响，而与纤维强度无关。 刘元万n u 利用霍普金森杆( s h p b ) 横向冲击多轴向经编针织复合材料，在不同子 弹冲击速度下测试材料动态响应，通过计算得出载荷与时间的关系曲线；实验表明： 材料的抗分层性能出众：在准静态三点弯曲载荷下，试样破坏模式为典型的弯曲破坏； 在s h p b 冲击载荷下，试样破坏模式以基体开裂、纤维与基体界面破坏和纤维断裂抽拔 为主。 周荣星等n 2 1 通过对玻璃纤维d t y 多轴向经编增强复合材料、玻璃纤维环氧树脂 复合材料板进行了低速低能量的冲击试验研究得出：复合材料的能量吸收性能主要与 其增强纱线铺层结构、材料的厚度、材料中纤维体积百分数、地组织结构和纱线性能 等几个方面有关。经编多轴向织物的地组织结构和纱线性能是影响第三维增强效果的 最主要因素，同时经编针织物铺层结构越均匀对称，纤维体积百分数越高，材料厚度 第一章绪论 越大，材料的能量吸收性也越好。 g o m m e r sb 等n 3 1 研究了经编针织物的几何结构，通过拉伸和剪切测试确定了八种 结构玻纤经编环氧基复合材料的平面杨氏模量、泊松比和剪切模量。在考虑了纤维定 向分布、材料的组成、纤维含量的基础上，讨论了材料弹性常数的预测模型。除了 k r e n c h e l 模型外，还采用了两种三维模型v o i t 和r e u s s 对材料弹性能进行模拟。试验中 在经向、纬向和4 5 。方向上对材料进行拉伸和剪切测试，结果表明：k r e n c h e l 模型对 复合材料杨氏模量的预测与实验结果有很好的符合，而泊松比和剪切模量都不能用其 来预测：v o i t 模型预测值偏高，而r e u s s 预测值偏低，这个范围比较大。如果假定基 体材料是均匀的贯穿于复合材料中的话，则这个范围就会缩小，这种模型叫作v o i t r e u 鼹一h i l l ( m ) 模型，它对杨氏模量的预测非常精确。对于平面泊松比和剪切 模量，由于预测范围太大、误差大而实用性不强。 1 4 本论文的研究目的、内容和方法 目前，经编针织物增强复合材料的研究主要是轴向经编针织物作为复合材料增强 体，它是在经编针织物结构中衬入纬纱或经纱而得到的，经编地组织只起到固定轴向 高性能纱线的作用，并非严格意义上的经编针织物。而真正以高性能纤维纱线直接编 织经编针织物，并将其作为复合材料的增强体的研究还很少。因此，开展这方面的研 究非常迫切和有意义。为达到此目的，本论文将对以下几个方面进行研究： 经编织物的组织结构和编织工艺。以玻璃纤维纱编织了九种不同组织结构的经编 织物，探讨玻纤纱线的可编织性、上机工艺参数、各组织的线圈几何结构等问题， 分析各组织在加载方向上的有效承载纱线段。 复合材料试样的制备。本文以热固性树脂一不饱和聚酯树脂作为基体，以手糊成 型法将其，j j 编织的经编针织物复合成型，探讨成型工艺及复合材料的质量控制， 并为拉伸和弯曲试验准备试样。 复合材料： t 伸、弯曲性能的试验与分析。复合材料的力学性能参数有很多，鉴于 研究：i 作髓和深度，本文只对其最主要的力学性能一拉伸和弯曲性能进行了试验 测试，比较和分析了复合材料的拉伸和弯曲的应力应变曲线、比强度和比模量等 4 第一章绪论 力学性能参数。 经编针织物的组织结构对其增强复合材料力学性能的影响。基于各经编组织在加 载方向上的织物承载纱段的比较和分析，探讨经编针织物增强复合材料的拉伸和 弯曲力学性能的影响因素。 5 第二章玻璃纤维幺牵编针织物的编织j 线圈结构分析 第二章玻璃纤维经编针织物的编织与线圈结构分析 2 1 增强体纤维材料 纤维增强复合材料是由增强体相和基体相复合而成，并可形成界面或界面相。其 中增强相主要起承载作用，是材料力学性能的主要承担者嘲。增强体一般由纤维、纱 线、织物构成，所涉及的增强纤维材料主要有高强度高模量的玻璃纤维、碳纤维、芳 纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。 2 1 1 玻璃纤维 玻璃纤维是一种新型的工程材料，具有不燃、耐腐蚀、耐高温、吸湿小、伸长小 等优良性能n 司，在电气、力学、化学以及光学等方面也有优良的特性。玻璃纤维增强 塑料( 即玻璃钢) 是以合成树脂为基体，以玻璃纤维及其制品为增强材料制成的，具 有优良的比强度、刚度、耐气候性、耐腐蚀性和耐用性，同时其制造成本低，价格低 廉，原料来源广泛，是目前增强复合材料方面应用最为广泛的材料。目前国际上已经 商品化的纤维用的主要玻璃成分有： p 玻璃。亦称无碱玻璃，系一种硼硅酸盐玻璃。目前是应用最广泛的一种玻璃纤 维用玻璃成分，具有良好的电气绝缘性及机械性能，广泛用于生产电绝缘用玻璃 纤维，也大量用于生产玻璃钢用玻璃纤维，它的缺点是易被无机酸侵蚀，故不适 于用在酸性环境。 c 一玻璃。亦称中碱玻璃，其特点是耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃，但电气 性能差，机械强度低于无碱玻璃纤维1 0 , - - - 2 0 ，通常国外的中碱玻璃纤维含一定 数量的三氧化二硼，而我国的中碱玻璃纤维则完全不含硼。在国外，中碱玻璃纤 维只是用于生产耐腐蚀的玻璃纤维产品，如用于生产玻璃纤维表面毡等，也用于 增强沥青屋面材料，但在我国中碱玻璃纤维占据玻璃纤维产量的一大半( 6 0 ) ， 广泛用于玻璃钢的增强以及过滤织物，包扎织物等的生产，因为其价格低于无碱 玻璃纤维而有较强的竞争力。 高强玻璃纤维。其特点是高强度、高模量，它的单纤维抗拉强度为2 8 0 0 m p a ，比无 碱玻纤抗拉强度高2 5 左右，弹性模量8 6 0 0 0 b t p a ，比e 一玻璃纤维的强度高。用它们 生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹盔 及运动器械。但是由于价格昂贵， 6 第二章玻璃纤维经编针织物的编织与线圈结构分析 目前在民用方面还不能得到推广，全世界产量也就几千吨左右： e - c r 玻璃。是一种改进的无硼无碱玻璃，用于生产耐酸耐水性好的玻璃纤维，其 耐水性比无碱玻纤改善7 8 倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少，是专为地下管道、 贮罐等开发的新品种。 2 1 2 碳纤维 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，由聚丙烯腈纤维、沥青纤维或粘胶 纤维等经氧化、炭化等过程制得的含碳量为9 0 以上的纤维，其中含碳量高于9 9 的 称石墨纤维。碳纤维具极佳的耐热性和耐高温性( 可耐2 0 0 0 c 高温) ，热膨胀系数几 乎为零；密度只有1 7 6 - 1 8 1g c m 3 ，因此比强度和比模量高，无蠕变，耐疲劳性好； 比热及导电性介于非金属和金属之间，纤维的密度低，x 射线透过性好；具有自润滑 性，其摩擦系数小，耐磨性能等。碳纤维一般不单独使用，多作为增强材料加入到树 脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成增强复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材 料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。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。 2 1 3 芳纶纤维 芳纶的全称是“芳香族聚酰胺纤维 ，是一类新型的特种用途合成材料。凡聚合 物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成，且其中至少8 5 的酰胺基直接键合在芳香环 上，每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连接并置 换其中的一个氢原子的聚酰胺纤维，我国定名为芳纶纤维。由于芳香基取代了脂肪基， 分子链的柔性减小而刚性增强，反映在纤维性能方面，其耐热性和初始模量都显著增 大，所以芳香族聚酰胺纤维是目前有机耐高温纤维中的主要类别。其中最具实用价值 的芳纶纤维品种有两个：一是分子链排列呈锯齿状的间位芳纶纤维( 芳纶1 3 1 3 ) ，以 其出色的耐高温绝缘性成为高品质功能性纤维；一是分子链排列呈直线状的对位芳纶 纤维( 芳纶1 4 1 4 ) ，极好的金属特性使之在高性能纤维中占据着重要核心地位，用其 制成的增强复合材料被广泛应用到航空航天、军舰船舶、汽车工业等领域。 2 1 4 超高分子量聚乙烯纤维 超高分子量聚乙烯纤维( u l t r ah i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n ef i b e r ，简称 u h m w p e 纤维) 是采用冻胶纺丝方法一超倍热拉伸技术( g e ls p i n n i n gm e t h o d u l t r a 7 第二章玻璃纤维经编针织物的编织与线圈结构分析 d r a w i n gt e c h n o l o g y ) 制得的。超高分子量聚乙烯具有的分子链长度是高密度聚乙烯 的1 0 - - 2 0 倍。更长分子链( 更高的分子量) 赋予它更高的韧性、耐磨性和抗应力开裂 性；由于它是聚乙烯的一种，也具有润滑性、耐化学性和优良电性能；纤维密度低( 0 9 7 鲋c m 3 ) ，比强度、比模量高，在水中的自由断裂长度为无限长，在粗细相同的情况 下，它所能承受的最大重量是钢丝绳的八倍。超高分子量聚乙烯纤维是继碳纤维、芳 纶纤维之后的第三代高强高模纤维，在军事工业和航天航空领域均有不可替代的作 用。同时，在包括从海上油田的系泊绳到高性能轻质复合材料以及汽车制造、船舶制 造、医疗器械、体育运动器材等领域亦有广阔的应用前景。 2 2 玻璃纤维纱线经编编织性能 由于玻璃纤维价格低、来源广、力学性能优良，是目前复合材料方面应用最广泛 的增强体材料，因此本次试验增强体的编织采用了玻璃纤维。玻璃纤维纱线较硬，断 裂伸长率较小，延伸性差，耐磨性、耐扭折性差，易受损断裂，这些都会给针织加工 带来困难n 纠刀。所以，在经编双轴向或多轴向复合材料结构中，成圈纱采用高强度涤 纶丝，玻璃纤维纱线通常不参与成圈而是作为衬纱使用，经编组织只起到固定玻璃纤 维纱线的作用。有关玻璃纤维纱线经编成圈的可编织性的研究报道很少，故很有必要 对其编织工艺和编织性能进行分析和研究。 2 2 1 玻璃纤维纱线可编织性能 本次试验编织的经编针织物使用了无碱玻璃纤维股线( e c 8 2 5 x 3 2 11 0 ) ，玻璃 纤维单纤直径约为距m ，玻璃纤维密度为2 5 5 9 c m 3 。 为了考察所用玻璃纤维原料在经编成圈时的特性，首先测试了玻璃纤维纱线的拉 伸性能。试验结果如表2 一l ，可以看出，玻璃纤维纱线的断裂强度较高，但断裂伸长 率低，延伸性差。 表2 一l 玻璃纤维拉伸性能测试 线密度 纱线捻度 断裂负荷断裂伸长率断裂强度 ( t c x )( 捻米)( o n )( )( c n t e x ) 7 511 03 7 4 3 52 24 9 9 为了考察玻璃纤维纱线在经编机舌针作用下的断裂性能，在单纱强力机上测试了 纱线的钩结拉伸性能。将舌针夹手3n ：强力机的下夹头上，纱线试样绕过针钩( 如图2 1 所示) ，纱线两尾段一同夹持存 ? 火头上，试验结果列于表2 2 中。 8 第= 章玻璃纤维经编针织物的编织与线邕结构分析 图2i 玻璃纤维股线绕过下夹头的舌针针头 比较表2 1 和表2 2 的结果可以看出，玻璃纤维纱线的钩结强度明显低于单向拉伸 时的断裂强度并且断裂伸长也明显降低。在试验中另一个值得注意的现象是，玻璃 纤维纱线的断裂点全部发生在针钩处。以上结果说明，虽然玻璃纤维纱线强度高，但 由于其模量高，脆性大，在弯曲和扭折时易发生断裂。而且弯曲的曲率越大，越容易 断裂。 22 2 玻璃纤维纱线经编针织物编织 本次经编针织物的编织采用的设备是r ) u 6 拉舍尔舌针经编机，机号为e 1 2 。下机 后经编织物的结构参数如表23 所示。 表2 - 3 玻璃纤维经编组织参数 编 织物组织 纵密横密 线圈长度( 一) 面密度 号( 横列5 锄)( 纵行5 a n ) ( g m ) b 经平 3 004 6 40 经绒 5 00 3 404 5 67 经斜 4 5 o 双经平3 0068 68 6 5 17 经绒平 6 1 10 村纬编链 经平编链 555 7 69 8 经缄编链 经斜编链 93 22 2i 单梳织物 本次试验中编织的单梳织物有- 种：经平组织、经绒组织和经斜组织 第二章玻璃纤维经编针织物的编织与线圈结构分析 在经平织物上机编织时，经纱张力的调节非常重要。张力增大，纱线在导纱针孔 处被刮毛，织物表面起毛：经纱断头率高，而且经常多发生在导纱针针孔处。降低经 纱张力，容易造成漏针，而且在张力杆上经纱之间相互纠缠。线圈歪斜现象较为严重， 而且织物向反面卷边。 。 对于经绒和经斜织物来说，由于延展线跨过两个或三个纵行，使织物横向收缩非 常大。在织物结构相同，上机密度调整时，织物面密度几乎不变。 2 2 2 2 双梳织物 编织的双梳织物有六种，分别为：双经平组织、经绒平组织、3 针衬纬编链组织、 经平编链组织、经绒编链组织、经斜编链组织。 在编织两梳在针前反向垫纱的织物时，后梳断头增多，而且断头多发生在套圈阶 段。对于处于针舌外侧前梳的线圈来说，纱线转移相对容易些，而后梳线圈由于被前 梳线圈压住，导致纱线转移困难，张力增大，引起断纱。 对于双经平、双经绒织物来说，编织的主要问题是在密度较大时起毛现象严重。 衬纬编链织物由于衬纬纱的存在，尺寸稳定、布面平整、无卷边现象。 2 2 2 3 结论 在整个编织过程中，我们发现：影响玻璃纤维纱线经编织物编织性能的主要因素 是织针尺寸和纱线在导纱针针孔处的弯曲曲率和包围角，曲率和包围角越大，纱线越 容易断裂，应根据玻璃纤维的特点，要调整合适的整经工艺参数；在拉舍尔舌针经编 机上编织玻璃纤维织物时，在保证顺利成圈的前提下，应尽可能减小经纱送经张力； 编织高密度织物时，纱线易受损伤，织物表面起毛现象严重，上机密度要适当；断纱 最容易发生在套圈阶段，最好采用针头宽度小的舌针。 2 3 玻璃纤维经编针织物组织的线圈结构分析 2 3 1 线圈结构模型 经编针织物的线圈结构是非常复杂的三维结构n 引，目前还没有很成熟的针织物微 观线圈模型。另外，玻璃纤维纱线模量高，不以弯曲，在弯曲成圈过程中必然产生应 力集中，从而使得线圈结构模型的建立更加困难。目前，有学者以有限元为基础，对 纬编针织物增强复合材料的力学性能进行分析与计算n 引，其理论计算比较符合实际测 量数值，但是其计算量相当大。而经编针织物方面，由于经编线圈比纬编线圈的几何 1 0 第二章玻璃纤维经编针织物的编织与线圈结构分析 结构更为复杂，以有限元进行分析与计算的计算量更大，目前还很少有这方面的研究。 考虑到复合材料在受到载荷到破坏的过程中，其断裂伸长率比较小，即在加载过 程中，织物组织结构中承载纱段的几何位置变化不大，因此分析织物初始状态下的最 小循环单元中各纱段的几何关系，对比较复合材料的力学性能参数很有实际意义。此 次试验中所编织的经编织物的厚度都很小，而且为单层织物，我们假设织物结构为平 面二维结构，根据织物组织的线圈结构中各部分纱段的几何取向，建立一种简单的线 圈结构模型，来近似计算织物组织中每个最小循环单元在加载方向上的承载纱段数 量，以此来分析和衡量复合材料的力学性能。 经编织物的线圈通常被看作由四部分组成嘲，如图2 - 2 所示，分别为：圈柱a 、针 编弧b 、圈柱c 和延展线d 。其中，针编弧b 长度较小，在纵横向加载时实际上只起到了 连接上下两个线圈的圈柱和延展线的作用，因此在计算时忽略其对线圈承载的作用。 同时，玻璃纤维纱线的模量较大、不易弯曲，在其弯曲成圈过程中产生应力集中，使 得线圈结构中的每一部分纱段都呈现圆弧状态n 羽，从而影响线圈结构中承载纱段的强 力利用率。 e 4 图2 - 2 经编线圈结构简图 2 3 2 单梳经编织物组织 在单梳织物中，玻璃纤维纱线因弯曲产生的应力使得线圈结构歪斜严重，线圈圈 柱和延展线基本沿横向排列。 2 3 2 1 经平组织 经平组织每个最小循环单元中只有圈柱a 、圈柱c 、延展线d - - 部分纱段对织物承 载起作用。图2 3 所示为经平组织线圈结构图与最小循环单元图。通过分析所拍摄的 织物图片，发现纱段a 与x 轴正方向的夹角约为1 2 0 0 ( 或一6 0 0 ) ，纱段c 与x 轴正方向的 夹角约为1 5 0 0 ( 或- 3 0 。) ，纱段d 与x 轴正方向的夹角约为4 5 0 。因此，经平组织每个 最小循环单元沿纵向的线圈承载纱段为：n l = l x s i n l 2 0 。+ l x s i n l 5 0 0 + l x s i n 4 5 。；每个 最小循环单元沿横向的线圈承载纱段为：n 2 = l x c o s ( - 6 0 。) + 1 x c o s ( 3 0 。) + l x c o s 4 5 。 镕一章玻璃纤镕经编 织物编绂5 m # 柯丹* 蚓24 经绒组峨圈结构图与最小衙蚪t m 币意图 23 23 经斜组织 经斜组织每个线圈的蜓展线跨越 l t 彳j 】部分：纱段 ( 圈柱) 、c ( 圈村 个距，闪mf 弛 小循环币元起承载作用的纱 d ( 延展? t 1( 卡h 邻线圈延腱线) 、d ” 第= 章玻坪维经编针织物的编织与缱目# 构分析 ( 相邻线圈延展线) 。图2j 所示为经斜组织的线圈结构图与最小循环单元示意网。 分析所拍摄的织物的图片得出，纱段a 与x 轴正方向所成央角约为1 3 5 。( 或一4 5 。) ，纱 段c 与x 轴正方向所成央角约为1 6 0 。( 或一2 0 。) ，纱段d 、d 和d ”与x 辅正方向所成夹 角约为2 0 。凼此，经斜组织每个最小循环单元在纵向上的线圈承载纱段数为： n l - l x s i n l 6 0 。+ l x s i n l 3 5 。+ 1 x s i n 2 0 。+ l x s i n 2 0 。+ 1 x s i n 2 0 。：每个最小循环单元在横向上 的线圈承载纱段数为：n 2 = l x c o s ( 2 0 。) + l x c o s ( 一4 5 。) + l x c o s 2 0 。“x c o s 2 0 。+ 1 x c o s 2 0 。 圈25 经斜组织的线圈结构图与最小循环单元示意幽 233 双梳织物的线圈承载纱段分析 双梳织物中，双经平组织和经绒平由于两把梳栉运动规律对称，使得产牛线圈歪 斜的应力相互抵消，在纵向上形成稳定、均匀的线圈结构。 衬纬编链组织属于编链结构，但由于编链线圈没有受到影响而沿纵向排列整齐、 均匀，承载纱段整体排列与取经平组织和经绒平组织相似。 编链结构组织中前梳的编链线圈受后梳的绎平( 经绒、经斜) 线圈的影响而产生 歪斜，使得其纵向上承载纱段强力利用率降低，横向上经平( 绎绒、经斜) 线圈又受 编链线圈的影响，其圈杜与延展线连接处纱段弯曲程度加大，与相应得单梳组织相比 其纱段强力利用率也肓所降低。 通过观察织物线圈结构图和拍摄的图片可以看出，双梳组织每个虽4 、循环单元都 有两利，组织的线幽构成。纵行线罔比较稳定、均匀，且承载纱段较多( 艘线尉) ，而 在横向加载时，两种组织的圈柱在吲一纵行相邻线圈针编弧的束缚一f - 均匀稳定承载 纱段数多承载能力州显强f 连接相邻纵行间的延展线。凶此，横向加载时的彭：物乐 拭薄剥蚪竹在于延胜线及延展线1 ，圈柱连接处，i i 存计钾双梳织物横向承裁时只学虑 最小循环单厄的延胜线船分纱段的承载作h 。通过舰察复合材料试样的断裂处，r 口咀 第一常玻璃蚵罐h 蝙针蚁柳编织缱m 结椅井析 发现其实际断裂正是发生在连接相邻纵行的延展线处，从而验证了所假设的线崩承载 计算的模型。另外，在纵向加载时，编链组织线圈的圈柱和延展线在同一宜线 ，且 长度较短，因此将其看作一段承载纱段。 2 33 1 双经平组织 双经平组织由于两梳栉串套规律对称相同，使得产生经平线圈歪斜的应力相互抵 消，因此双经平组织线圈结构沿纵向均匀整齐，纱段取向高。图2 6 所示为双经平组 织的线圈结构图与最小循环单元示意图。纵向上起承载作用的纱段包括：纱段a ( 前 梳经平线圈圈柱) 、a ( 后梳经平线圈圈柱) 、c ( 6 u 梳经平线圈圈柱) 、c ( 后梳 经绒线圈圈柱) 、d ( 前梳经平线圈延展线) 、d ( 后梳经绒线圈延展线) 。所拍摄 的织物图片显示，纱段a 与x 轴正力向夹角约为1 0 5 。( 或7 5 。) ，纱段 与x 轴萨方向夹 角约为7 5 。，纱段c 和纱段d s x 轴正方向所成央角约为4 5 。，纱段c 和纱段d 与x 轴正方 向所成夹角约为13 5 。( 或一4 5 。) 。因此，取经平组织每个最小循环单元在纵向t 的线 圈承载纱段为：n 1 = l x s i n l 0 5 。+ l x s i n t 5 。+ l x s i n 4 5 。+ l x s i n l 3 5 。+ l x s i n 4 5 6 + l x s i n l 3 5 。 通过线圈结构图可以看出，在横列方向上纱段a 、a 、cc 在同一纵行相邻线 嘲针编弧的束缚下均匀稳定，承载纱段数多，承载能力明显强于连接相邻纵行间的纱 段d ( 延展线) 和纱段d ( 延展线) 。因此，横向乐载的薄弱环节在于延展线及延展 线与圆柱连接处，即在横向上起承载作j f j 的纱段只有纱段啼纱段d ，所以每个最小 循环单元的有效横向线圈承载纱段为：n 2 = l x c o s ( - 4 5 。1 + l x c o s 4 5 。 嘲26 烈鲐平甜 织的线圈结构图与磺小循环单元示意图 23 32 经绒平组织 经绒平组织每个最小，儡环单正绎平线豳和经绒线圈组成，其- - 绎、p 线圈舟外 岸，经绒线圈在内屡。| 冬j 27 所小为”缄、p 目j 织的线圈结构图0 犀小觚蚪巾儿小意吲 璃r f 雏蝙针织物的编姒线嘲结构5 析 纵向上起承我作川的纱段包括：纱段a ( 前梳经平线圈圈柱) 、a ( 后梳经绒线圈圈