玻纤捆绑纱多轴向经编碳纤维增强复合材料力学性能的研究

玻纤捆绑纱多轴向经编碳纤维增强复合材料力学性能的研玻纤捆绑纱多轴向经编碳纤维增强复合材料力学性能的研 究究 东华大学硕士论文第一章绪论第一章绪论1 1引言复合材料的出现 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 l 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 21 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 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 纺织结构增强复合材料是利用高性能纱线织造成的纺织结构织物作 为增强体的复合材料 作为增强体的纺织结构主要有机织物 编织物和针织物三类 后者又分纬编针织物和经编针织物两种 各有其特剧31 在加工复合材料的基布中除芳纶和高密度聚乙烯纤维外 广泛使用 玻璃纤维及碳纤维 这类纤维虽然具有高强度和高模量 但它们却是脆性的 因此 通常作为衬垫纱在经编针织物结构中衬入 即多轴向经编针 织物 4 与占市场份额绝大部分的传统织物相比 经编多轴向辅层织物作为 一种新的增强结构 可以提供更优良的物理机械性能 并且克服了 机织物增强结构和铺层增强结构两者的缺点 而集其优点于一身 是目前最理想的增强纺织结构 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 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 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 5J 第一章绪论东华大学硕士论文1 2多轴向经增强织物1 2 1多轴向 经编增强织物的编织原理及设备多轴向经编技术是在80年代中期发 展起来的一种高效的预定向编织技术 多轴向经编 Mul ti axi alWa印一碰tted 简称为MwK 织物由经纱 Oo 纬纱 900 和轴向纱 0 组成 衬纱角度 0在 200 200之间变化 可按织物的用途进行 变化 在编织过程中 用于编织的纱线在成圈机构的作用下 穿过整个织 物 在厚度方向将所有预先铺设好的承载纱精确地束缚在一起 所 有衬入纱线都呈直线状态如图1 1所示 6 71 图1 1多轴向经编织物编织原理示意图多轴向经编织物衬纱通常将 力学性能良好的高性能纤维 如玻璃纤维 碳纤维 高强度聚乙烯 纤维 高强聚丙烯纤维 芳纶等高性能纤维铺覆衬入 由柔软而易 于弯曲成圈的涤纶纤维将这些高性能纱线捆绑起来 经编或纬编形式 形成织物 非常适合用作复合材料增强织物 自1981年世界上第一台Copcel l仃a多轴向经编机在Li ba问世以来 先进的工业国家对它的生产和加工技术等开展广泛研 究 并取得了一定的成果 德国K砌Mayer 卡尔 迈耶 公司和Li ba公司作为世界上先进的经编机械生产商 其在多轴向经编机领域 的研究处于世界前列 早前 K砌Maver公司曾推出RS2DS型拉舍尔多轴向衬纬经编机 该机 器在编织多轴向织物时 织得的布面清晰 但因铺线最多只能4层 而且机器结构复杂 机速只有400r mi n 生产效率低 现已淘汰 德国卡尔 迈耶公司研制开发的RSZDS系列多轴向经编机和利巴公司 的Copcen仃a Mul ti a i al系列经编机是目前最成熟的两种多轴向经编设备 两者原理不同 各有特点 引 MAYER公司的机器采用一边编织 一边衬入纱线的方法以经编编链组 织 chai nsti tch 束缚固定衬垫纱线 可以衬入四层纱线 Oo 900 士00 而LI BA公司的设备采用先铺设衬垫纱线 再编织成圈束缚铺层纱的方法 进行织造 图1 1东华大学硕士论文第一章绪论所示 既可以采用编链组织 Chai nstitch 也可以采用经平组织 Tri eotSti tch 或其他经编组织 如重经组织等 进行成圈连接 衬垫纱线可以 达到6 8层 而且 在编织过程中 LIBA公司的设备还可衬入非织造纤维网 提 高其各向受力均匀性和抗破坏的稳定性 可以利用缝纫法将几块织物缝合在一起制成多层多轴向经编织物以 满足厚度要求 形成三维织物 通过改进LIBA公司多轴向经编机的衬纬系统 还可以用带有多轴向 衬纬系统的经编机直接生产蜂窝芯夹层结构和在经向以纵梁增强的 织物 在生产过程中 蜂窝芯层直接衬入在第二个衬纬系统后 前两层纬 纱形成材料的底层 而后两层纬纱则形成材料的表层 使用其它机型可达7个衬纬系统 能够增加材料表层和底层纱线的取 向角度 夹层结构被经纱固结在一起 可以调节针数以适应蜂窝组织尺寸避 免织针刺破蜂窝结构 在经向以纵梁增强时 增强纵梁可以是三维编织物 在进入经编机 编织区域前直接衬入在铺层上 然后以织针编织成圈连接固定编织 物和铺层结构 这样可以机器的最大速度进行生产 从而比传统的缝纫和粘合工艺 效率提高了许多pJ 本次课题所使用的经编多轴向碳纤维增强织物就是在 ba公司生产 的Copcen仃a Mul ti a i al多轴向经编机上生产的 机器如下图l一2所示 图1 2C叩c蚰tra Mul缚axi al多轴向经编机1 2 2多轴向经编织物的性能特点多轴向经编织物 是最有效的预设计增强织物 能够更合理的利用材料中每一个组成 部分的优良性能 是目前理想的复合材料用纺织品之一 它是在经 编针织物结构中衬入纬纱或经纱而得到的 由于衬经衬纬纱是平直排列并垂直叠加在一起 再由编链纱将它们 在交点处捆绑在一起 所以并不存在交结互压的现象 从而使纱线 的性能得到充分利用 对高强高模纱线潜能的利用率在90 以上 而相应的平纹机织物却只有70 左右 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 产生应力集 中 如图1 3 同时 由于各个体系的纱线以不同的角度排列 轴向织物能够抵抗 不同角度的剪应力 所以具有良好的拉伸力学第一章绪论东华大学 硕士论文特性和抗剪切 抗撕裂性能 以及较高的抗脱层强力和抗 冲击性能 对于轴向经编织物的编织技术 设备及复合材料的研究在先进工业 国家竞相展开 其产品也广泛应用于军事 航天等各工业部门 10 11 121 a 单轴向 b 双轴向 c 多轴向图1 3经编轴向织物与其它增强结构相比 多轴向经编织物具有许多优点 13 1 抗拉强力较高这是由于织物中各衬垫的纱线组都是平行排列 取 向度很高 能够共同承受外来的载荷 织物的抗脱层强力较高 由于成圈纱线对各经纱层片的束缚 使这 一性能提高3倍以上 2 纱线强力利用率高由于织物中纱线平直排列 消除了纱线的卷曲 现象 从而有利于提高纱线的强力利用率 同时提高了织物的弹性 模量 3 抗撕裂传递性能如果发生破损 同一层的纱线在撕裂作用下将发 生些许偏移 聚拢在一起 自动偏移的承载纱和对角线方向的纱线 一起起到增强织物的作用 从而阻止进一步的撕裂 通过阻止进一步的撕裂 破坏将被降至最小 4 形成复合材料的纤维体积含量高这是由于经编多轴向织物密度较 高 结构空隙小的缘故 在复合材料工艺中 纤维体积含量是一个重要的参数 它表示复合 材料中纤维总体积与复合材料总体积的比值 它对材料性能影响很 大 比如 复合材料的平均刚度及强度就与其中的纤维含量成线形比例 关系 14 5 良好的适型性在经编多轴向织物中 各个系统的纱线不相互交织 而是彼此紧挨着直接排放在一起 被第四体系的纱线束缚在一起 因此织物的适型性得到很大的提高 6 较好的抗冲击性这是由于织物中在厚度方向上有编链纱的存在 使纱片层较好地结合在一起 缓解外来的冲击力 15 7 生产效率高 原料适用范围较广与传统机织和铺层相比 经编多 轴向技术工艺简单 机械化程度高 生产效率远远高于手工单向铺 层和机织 而且原料适应范围广 可以使用高性能脆性纤维原料 如玻璃纤维 碳纤维 芳纶纤维等 8 准各向同性特点因为织物采取了几组不同取向的纱层来承担各个 方向上的负荷 在各个方向上都表现出较好的机械性能 4东华大学硕士论文第一章绪论1 3多轴向经编织物增强复合材料近 年来 产业用纺织品在整个纺织品中所占的比重不断上升 其中以 织物作为增强体并与高分子聚合物基体复合制成的复合材料发展较 快 纺织复合材料以其高强高模 轻且耐高温的优异性能 在航空航天 军事工业 车船制造 建筑业 体育用品等各个行业应用广泛 为了提高复合材料的力学性能 通常需采用高强高模的纤维材料 如玻璃纤维 碳纤维和芳纶等 其中碳纤维因具有质量轻 强度大 等优点而得到广泛的应用 已用于机织物和经编针织物的加工 16 1 7 18 1 3 1纺织品增强复合材料的发展过程作为复合材料中的增强材料 近几年来从早期的长丝铺设发展到采用各种纺织品 使复合材料 的加工更连续化 自动化 并且提高了复合材料的力学性能 降低 了成本 为复合材料最终在民用领域的广泛应用打下了坚实的基础 应用于增强材料的纺织结构一般包括机织物 针织物 编织物及非 织造布等 在初始阶段机织布是复合材料的传统用布 但随着科技发展 针织工艺技术设备的改进提高 作为增强材料的 针织物市场占有率逐年提高 它在许多方面都显示了比机织物更适 于作增强基布的优越性 如生产效率高 织物结构多变 工艺流程 短 建设投资少等 另外 织物性能 原料应用 成型方面及对后加工适应性上也有着 较大的优势 其中针织物又分为纬编针织物和经编针织物两种 经编针织物具有尺寸稳定和延伸率小等特点 双轴向和多轴向衬经 衬纬经编针织物又进一步优化了这种性能 l圳 纺织结构增强复合材料既可以是柔性的 也可以是刚性的 前者称为柔性复合材料 后者称为刚性复合材料 刚性复合材料开发较早 从上世纪中叶到现在 其轻质高强的特性 已被广泛认可 并应用于工农业生产的各个领域 如高档汽车整体 构件 飞机结构材料 军用车辆装甲和头盔 航天飞机上的耐高温 材料 风力发电机浆叶 F1赛车和赛艇外壳 混凝土建筑补墙等 而柔性材料的研制起步较晚 主要应用于各种膜材料 2 1 3 2经编多轴向增强复合材料的性能和优缺点经编针织物增强复 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 利用这类织物制造的经编多轴向增强复合材料具有一系列新的特性 2u 1 充分发挥纤维特性 提高复合材料性能由经编多轴向织物的纤维 是平行而伸直排列 所以纤维的强度和刚度在复合材料中得以充分 发挥 而普通织物的经纬纱线呈波浪状 其力学性能的贡献第一章绪论东 华大学硕士论文只有50 左右 如在平纹布中 玻纤的拉伸强度仅为600N mm2 而同样材料在单轴 夹芯结构中可达1200N mm2 同样平纹碳布纤维拉伸强度为1100N nl IIl2 但在双轴向D O S 结构中可达2200N 珈IIIl f2l比J 2 避免了层材中的应力集中 提高了材料的抗疲劳性能在普通织物 中 当材料受到拉应力后 其应力的转移有一个过程 由于树脂的 模量低 纤维处于不断伸长过程中 应力载荷也是逐步加到纤维上 纤维在伸长过程中就被破坏在纤维的伸长过程中 树脂在纱线和 纬线之间受到剪应力 即使纤维不断裂 反复的剪应力作用也使复 合材料的界面被破坏 导致复合材料强度损失 强度降低的另一个 原因是在经纬线交叉点 纤维彼此间在拉应力下产生摩擦和剪应力 损害了纤维 如玻璃纤维 芳纶纤维和碳纤维 这些材料对剪应力 都是敏感的 3 提高材料损伤容限织物的层间是缝合的 NASA曾对两种牌号的经 编复合材料作了鉴定 其目的是评价这两种材料的力学性能及损伤 容限 以及其用于制造高质量宇航材料的可能性 结论是肯定的 这两种材料和U D 材料 先进复合材料 相比 拉伸强度和压缩强 度低30 拉伸和压缩模量相近 但其有孔拉伸和压缩强度大大提 高 在30R 1b气枪冲击后和U D 材料相比 压缩强度性能改善达 100 4 改善了材料的工艺性能普通织物的经纬线为交叉及相互挤压 交 叉点处纤维密实 阻断了树脂的流动 所以浸润速度慢 树脂渗透 性差 这往往使织物层间滑动或冲成波纹状 甚至冲散布层 影响产品性 能 而经编多轴向织物纤维是平直排列 使树脂很易在纤维中形成通道 减少了浸润渗透压力 所以经编多轴向织物能获得最快最好的粘 合 同时也提高了工效 经编多轴向织物由于层间是固定的 可保证复合材料在成型过程中 保持完好的取向这样不但保证了复合材料的高性能 并且使产品有 很好的尺寸稳定性 经编多轴向织物具有良好的铺覆性和预成型性 特别适宜成型复杂 曲面并可保证曲面铺层纤维取向的正确性 2引 5 减少材料消耗 提高工效 降低成本经编多轴向织物是一个准各 向同性材料 这和普通织物有很大的不同 普通织物为二向织物 它具有很好的可设计性和可混编性 可提供较大的材料选择和设计 自由度 可以根据构件的受力状态决定材料的类型 取向 层数和 面密度 最大限度的发挥材料特性 这样不仅大大节省了材料的使 用 也减少了铺层工作量 一方面由于用量减少 另一方面经编多轴向织物是多层织物提高了 手糊速度 美国Foster造船公司利用经编多轴向织物代替普通织物 使船体重量减轻15 工效提高了3倍 6 复合材料具有极大的设计灵活性东华大学硕士论文第一章绪论由 于经编多轴向织物的适型性好 预型件可以与许多复杂儿何面相吻 合 把纤维机械性能最大程度地传递到材料结构上 还可以使预型 件在铺层和固化过程中保持良好的形状 虽然多轴向经编针织物骨架复合材料具有上述优点 但也存在一些 不足 主要表现在 24 1 织物层数越多 织物中纱线的转移性能越差 成圈过程中纱线被 织针刺穿的可能性就越大 因此织物的性能就受到了影响 当织物的衬纬纱 衬经纱密度比较大时 影响更大 因此三轴向 四轴向织物在编织过程中纱线的损伤程度比双轴向织 物严重 这就导致了它们的轴向断裂强力低于双轴向织物的断裂强 力 2 纱线耗用量大 织物厚度不能满足个别应用的要求 1 3 3碳纤维 环氧树脂复合材料的应用碳纤维 环氧树脂复合材 料具有优异的性能 高强 高模 耐疲劳 且耐高温性好 此外还具有密度和线膨胀系数小 耐腐蚀 抗蠕变 整体性好 抗 分层 抗冲击等优点 在现有结构材料中 其比强度 比模量综合 指标最高 在加工成型过程中碳纤维 环氧树脂复合材料具有易大面积整体成 型 成型稳定等独特的优点 广泛应用于风力发电 军事 造船 航空航天 建筑工程等许多领域 1 飞行器的轻型化用树脂基复合材料来代替金属材料制造飞机零部 件 可使零部件质量减轻25 50 先进复合材料在飞机上的用 量及其性能水平己成为飞机先进性的重要考核指标之一 251 以复合材料在飞机发动机中的应用为代表 美国通用电器一飞机发 动机事业集团公司 GE AEBG 和普惠公司等喷气发动机制造公司 以及其它一些二次承包公 司都在用高性能复合材料取代金属制造飞机发动机零部件 如发动机舱系统的紧推力反向器 风扇罩 风扇出风道导流片等都 用复合材料制造 2 轻型机枪枪架在轻型自动武器的研制过程中 需要实现的极其重 要的战术技术指标是大幅度减轻武器系统的质量 提高武器的机动 性 同时保证轻武器的射弹散布精度 尤其是连发射击精度 以满 足现代战争对轻武器的战技指标要求 目前使用的12 7nun大口径机枪仍较笨重 特别是枪架较重 而要 实现大口径机枪轻量化 提高其机动性 主要靠采用新材料取代传 统材料以及改进枪架结构等措施来实现 利用EP CF复合材料的高比强度 高弹性模量 高阻尼 以及吸振 性好 材料性能的可设计自由度大等特点 可以设计出新型大口径 机枪枪架 既能保持原有机枪的结构动力学特性 又可大幅度减轻 质量 获得了良好的使第一章绪论东华大学硕士论文用效果 从而 开辟了树脂基复合材料在大口径机枪枪架上应用的新途径 n6 3 新型连续抽油杆有杆泵抽油是当前国内外应用最广泛的机械采油 技术 抽油杆是有杆泵系统中的关键部件 也是其中最薄弱的环节 因为抽油杆在工作过程中要承受交变载荷 振动载荷 冲击载荷以 及与油管之间的摩擦等多种载荷作用 而且还要经受工作介质中的 酸 碱 盐及沙砾的腐蚀与磨砺 工况十分恶劣 抽油杆失效常会引起油井事故 CF具有高强度 高模量 质轻和耐腐蚀的特点 且价格稳步下降 是制备新型连续抽油杆的理想材料 以CF增强EP为主要原材料 采用拉挤成型工艺制备的新型连续抽油 杆具有连续无接箍 横截面小和质轻等优点 完全克服了常规钢制 抽油杆的缺点127 4 高精度天线通信卫星上的通讯天线系统是其关键设备 对卫星天 线的制造精度要求很高 卫星天线暴露在环境中 天线材料和天线结构必须经受住空间环境 的考验 CF复合材料因其极小的线胀系数 弹性模量与密度 线胀系数之积 的比值远高于金属材料 而被天线专家们誉为理想的天线结构材料 由于CF复合材料的比强度和比模量都很高 用其制备薄板式天线 强度 刚性远比铝质天线高 且薄板式结构的天线面板薄 导热快 阳光不均匀照射所造成的面 背和侧的温度梯度小 热应力变形 小 更有利于恶劣环境下型面精度的保持 CF复合材料及其应用技术的研究己引起高精度抛物CF复合材料天线 结构设计及成型工艺的一场变革 5 接骨板在影响骨折愈合的多种因素中 以骨折局部力学环境和血 液供应最为重要 接骨板内固定是治疗四肢长骨骨折的重要手段之一 但接骨板的植 入势必会引起骨折环境中的生物学反应 扰乱骨折愈合所必需的生 物学环境 因此 接骨板对骨折局部血供和力学环境的影响成为衡量接骨板质 量及设计是否合理等的重要参数 接骨板固定后 在固定骨段发生骨量丧失和骨结构紊乱及骨力学性 能下降的原因均与钢板的刚性 钢板与骨干表面的接触面积和固定 时间有关 采用EP CF接骨板具有与骨弹性模量相似的特点 骨折固定后可以 在骨折端产生微量活动 以刺激周围骨痂形成使骨折得到坚强的II 期愈合 281 6 风电叶片复合材料在风力发电上的应用主要是在风力发电转子叶 片上的应用 风力发电转子叶片占风力发电整个装置成本的15 20 制造叶 片的材料 工艺对其成本有决定性影响 风力发电转子叶片材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料 目前最普遍采用的是聚酯树脂 GF EP GF和EP CF 同样是34m长的叶片 采用EP CF比用聚酯树脂 GF质量降低34 随叶片长度的增加 东华大学硕士论文第一章绪论要求提高材料的 性能 以减轻叶片的质量 目前世界风力发电进一步向大功率 长叶片方向发展 除了要求提 高材料的性能 对转子叶片也不断提出更新设计要求 进而又对材 料提出新要求 因此 EP CF复合材料在风力发电上的应用必将不断扩大 7 导电复合材料导电材料由电绝缘性能较好的合成树脂和具有优良 导电性能的填料及其它添加剂通过混炼造粒 并采用注射成型 挤 压成型等方法制得 其具有防止带电 除去静电等用途 广泛用于半导体材料 抗静电 材料 导电性材料等领域 CF与其它导电填料相比 具有密度小 力学性能好 导电性能持久 等优点 CF的电磁屏蔽性能主要源于自身良好的导电性 其电导率随热处理 温度的升高而增大 因此高温处理下得到的CF的导电率已逐步接近 导体 具有较高的电磁屏蔽性能 如经高温处理后的PAN EP CF复 合材料在频率500MHz时其屏蔽效果可达37dB 291 1 4本课题的研究目的 方法和意义经编多轴向织物既发挥了高性 能纱线的高强高模特点 又能充分利用针织线圈的可变形性能 以 其优良的成型性 固有的悬垂性 良好的抗冲击性和能量吸收特性 以及相对其他纺织增强结构低廉的生产成本和工艺流程 迅速得到 了广泛的研究和应用 3 在编织时 一般以涤纶为捆绑纱编织地组织 高性能纤维作为不成 圈的衬入纱 双轴向或多轴向衬纬 出现在织物中 从而使经编增强 针织物的尺寸稳定性提高和延伸率减小 获得了更高的拉伸强度与 模量 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 此目前 对于涤纶为捆绑纱编织地组织的多轴向经编增强复合材料 性能的实验和理论研究已有许多 但是关于利用高性能纤维纱线如 玻璃纤维代替涤纶做捆绑纱 直接编织经编针织物的复合材料的研 究还很少见 随着对玻璃纤维编织工艺的进一步研究和改进 玻璃纤维制造业的 不断发展超细玻璃纤维不断被研发推广 使玻璃纤维编织地组织的 多轴向经编针织物增强复合材料成为可能 树脂基复合材料界面结合理论复合材料的增强体和基体通常是一相 以液态与另一相固态接触 然后经过固化过程而形成整体 此过程中两相间的作用形成了界面 这一界面形成的机理成了人们 关心的问题 浸润理论认为树脂和增强体之间的紧密接触 必须使树脂对增强体 表面很好地浸润 树脂与增强体浸润不良会导致界面的空隙 并以 此产生应力集中导致局部开裂 树脂与增强体两相间的结合属于化学粘合和润湿吸附 润湿理论解释了增强体表面粗糙化 第一章绪论东华大学硕士论文 表面积增加有利于提高与基体树脂界面的结合 化学键理论认为基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团 能起化学反应 因此基体树脂与增强体之间形成化学键的结合 这 一观点解释了偶联剂在复合材料中的应用 摩擦理论认为树脂与增强体之间的粘接完全是基于摩擦作用 增强 体与树脂间的摩擦系数决定了复合材料的强度 偶联剂的作用在于 增加了基体树脂与增强体之间相互作用力 织物增强机理织物增强材料是织物复合于树脂中形成力学性能优异 的复合材料 其主要是依赖纤维材料与树脂的牢固粘结 使材料承 受不了的负荷或能量转移到骨架的纤维上 并将负荷由局部传递到 较大的范围甚至于整个物体 如果两者的粘结性不好 则树脂就不能将承受的应力传递到织物增 强体系中的织物上 玻璃纤维经编多轴向织物就发挥不了增强作用 从增强材料破坏的机理来看 最终导致内部裂纹的产生和发展一般 均开始于界面 3 结合树脂基于增强织物界面结合理论和织物增强理论分析可得出这 种改进后的多轴向经编复合材料有优化复合材料各方面性能的可能 可能优化的方面有 1 玻璃纤维与树脂比涤纶有更好的粘结 可提高复合材料的抗分层 性能 2 玻璃纤维本身具有高强高模的性质 所编制的多轴向经编织物作 为复合材料的支架可提高复合材料的拉伸和剪切等力学性能 3 由于玻璃纤维对树脂良好的浸润性可改善树脂对织物的浸渍 由于经编多轴向织物是由经编地组织纱线对取向不同的纱线铺层的 捆绑 起到固定各层纱线 避免纱层间产生滑移的作用 有助于提 高织物的层间性能 形成织物的 这样 经编地组织纱线的种类以及地组织的组织结构必然对多轴向 经编增强材料的性能产生影响 3引 已有研究表明 成圈纱线的组织结构和性能也会对多轴向增强结构 材料的性能产生较大影响 其捆绑作用会影响到增强纱线纤维束的 摩擦应力 起到固定各层纱线 避免纱层间产生滑移的作用 从而 也会对织物性能产生影响 编织工艺是多轴向经编织物能否发挥多种优异性能的前提和基础 因此对其的研究和优化也就显得尤为重要 本课题将探讨用高性能纤维代替涤纶做捆绑纱的可行性和由此得到 的经编多轴向复合材料的各方面性能 10东华大学硕士论文第二章复合材料与材料性能与增强织物拉伸性 能测试第二章双轴向经编增强织物拉伸力学性能2 1轴向经编织物 捆绑纱一涤纶和玻璃纤维在当前生产中 一般都以涤纶为捆绑纱编 织地组织 实际上玻纤与涤纶相比有更高强力和模量 具有耐热 耐老化的优异性能 且玻纤与涤纶相比与树脂有更好的结合性能 可以提高树脂对织物的充分浸渍 进而改善复合材料的层间性能和 力学性能 2 1 1涤纶纤维简介涤纶 即聚酯纤维 由有机二元酸和二元醇缩 聚而成的聚酯经纺丝所得的合成纤维 涤纶纤维模量高 在小负荷拉伸时不易变形 有优良的耐皱性 弹 性 尺寸稳定性和良好的电绝缘性能 耐日光 耐摩擦 不霉不蛀 有较好的耐化学试剂性能 涤纶允许使用的温度范围较大 在 70 至170 之间 其耐热性和 热稳定性是合成纤维中最好的 表2 1为我们所使用涤纶纤维的基本性能参数 表2 1涤纶纤维基本性能参数2 1 2玻璃纤维的分类及性能玻璃纤 维是一种新型的工程材料 具有拉伸强度高 断裂伸长低 弹性模 量高 防火 防霉 耐热 耐腐蚀和尺寸稳定性好等优良性能 在电气 力学 化学以及光学等方面也有优良的特性 玻璃纤维以其高拉伸强度和低廉的价格迅速取代了其他高性能纤维 材料 其最大的缺点是脆性大 不耐磨 玻璃纤维增强复合材料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 原料广泛 是目前增 强复合材料方面应用最为广泛的材料 341 玻璃纤维可分为有碱玻纤 代号为A玻纤 无碱玻纤 碱含量在1 以下 代号为E玻纤 耐化学药品玻纤 代号为C 高强度玻纤 代 号为S E玻璃 E代表英文El eetri cal 是最常用的一种玻璃 具有优良的延展性和强度 刚度 电性 能和抗老化性 我们所使用的是无碱玻纤 基本性能参数如表2 2 第二章复合材料与材料性能与增强织物拉伸性能测试东华大学硕士 学位论文表2 2玻璃纤维基本性能参数玻璃的主要成分是二氧化硅 以及钠和钾等的一价氧化物 钡等碱金属的二价氧化物 铝的三价 氧化物等 以下是玻璃纤维的一些性能 1 力学性能 玻璃纤维的特点之一即抗张强度较高 它的强度不仅超过普通天然纤维 Natl ral6ber 和化学纤维 Ch锄i cal矗ber 也高于一般钢材 但玻璃纤维的弹性模量不高 与纯铝相近 仅为普通钢材的1 3左 右 玻璃纤维的应力一应变曲线基本为一直线 无明显的塑性变形阶段 属于具有脆性特征的弹性材料 因此 可在碳纤维复合材料中加入玻璃纤维 目的在于改善冲击特 性和断裂韧性 玻璃纤维的组成不同 力学性能也不同 玻璃纤维的强度还与长度 直径有关 有研究表明 玻璃纤维直径 越小 拉伸强度越高 此外 单纤细度较小的玻璃纤维纱线的弯曲刚度也较低 即较软易 弯曲 35 2 化学稳定性 玻璃纤维对大多数化学药品都是稳定的 也不受霉菌 细菌或昆虫 的侵蚀 增加Si 02 A1203含量或加入Zr02及Ti02可改进玻璃纤维的耐酸性 提高Si 02比例或添加CaO Zr 02 ZnO有利于增强耐碱性 A 1203 Zr 02 Ti02等都能强化纤维的耐水性 3 耐热性 一般玻璃纤维的软化温度为550 850 在200 250 下强度不会 降低 但发生收缩 玻璃纤维具有较低的线膨胀系数和导热系数以及良好的热稳定性 它的耐热性主要取决于其化学组成 普通硅酸盐玻璃纤维 si li cate91ass硒哟在450 附近强度变化不大 而石英纤维 Quanz6b神 或高硅氧玻璃纤维 Hi曲si lica酉ass纳er 的耐热温度都超过12000C 4 介电和光学性能 玻璃纤维是一种理想的电绝缘体 通过改变组成 可使玻璃纤维具有较高的介电强度和较低的介电常 数 它还具有良好的光学性能 除可用作光学材料外 还可用玻璃纤维 增强树脂基体 制成透明或有很好光泽的复合材料 玻璃钢 2 1 3玻璃纤维的可编织性研究玻璃纤维由于价格低 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 但玻璃纤 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剌3酣 所以 在经编双轴东华大学硕士论文第二章复合材料与材料性能与 增强织物拉伸性能测试向或多轴向复合材料结构中 一直以来玻璃 纤维纱线都通常不参与成圈而是作为衬纱使用 地组织中的成圈纱 采用高强度涤纶丝 起到固定玻璃纤维纱线的作用 玻璃纤维的柔性一般用玻璃纤维结圈半径的大小来衡量 结圈半径 R 与纤维直径 b 和玻纤断裂伸长率有关 L 有关 露 F j七 1 可见 要提高玻纤的柔性 即降低R值 可以通过减少纤 维的直径b和提高断裂伸长率 L 纤维的断裂伸长率取决于纤维种 类和成分 与玻纤本身的弹性模量有关 随着弹性模量的提高 纤 维的断裂伸长率增加 37 1 影响玻璃纤维可编织性的主要因素 38 39 纤维的摩擦性能 纱线的摩擦系数对成圈过程的影响很大 在退圈阶段 由于高性能纤维 尤其是玻璃纤维的摩擦系数一般较 大 当织针沿三角上升的时候 布面有可能随针一起上升 旧线圈 无法完成退圈 编织无法顺利进行 在弯纱时 纱线摩擦系数大 弯纱张力也大 疵点形成的机会增多 同时 随着摩擦力的增大 会导致导纱器和成圈机件上出现槽痕 增加编织机件的磨损程度 40 纤维的抗弯刚度和脆性 从对针织成圈过程的分析可知 纱线在弯 纱阶段的弯曲变形力对其可编织性会产生很大影响 纤维的高刚度与固有的脆性一起 造成了玻璃纤维的低弯曲阻抗 在针织过程中 纤维易于受到弯曲应力 即使是微小的变形也会大 幅度断裂 这样就使得玻璃纤维的编织更加困难 玻璃纤维等纱线的高弯曲刚度对织物外观也产生明显影响 另外 弯曲过程中弯曲变形力的增加也容易导致织针的磨损甚至断 裂 4 2 改进玻璃纤维可编织性的方法根据国内外己进行的实验研究 目 前改进玻璃纤维可编织性的方法主要是从纤维选择和针织机编织工 艺两方面着手 纤维参数方面主要是根据编织成圈要求 从纤维细度 捻度和表面 处理工艺上进行优化选择最佳的原料进行编织纱线细度 相对来说 单纤细度较小的玻璃纤维纱线的比弯曲刚度也较小 较 易弯曲成圈 可以改善编织过程中弯曲变形力对纤维的影响 因而在没有特殊要求的情况下 尽可能采用单纤细度较小的纱线进 行编织 纱线捻度 在保证纱线必要强度的前提下 尽可能采用捻度较小的纱线进行编 织 因为捻度较小的纱线比较松软 抗弯刚度小 易于弯曲成圈 而且 纱线捻度越低 树脂越容易浸渍到纤维中 从而能够提高两者界面 粘合力 表面处理工艺 根据Knapton的研究 纱线与金属间的摩擦系数对最大编织张力的影 响非常重要 421 因此在编织高性能纤维时 为达到获得合适的纱线第二章复合材料 与材料性能与增强织物拉伸性能测试东华大学硕士学位论文摩擦系 数并使其在纱线的整个编织过程中保持稳定 应当采用合适的润滑 剂进行表面处理 这将有助于织出符合要求的织物并能提高编织过 程的效率 编织工艺参数优化 主要是对织针 沉降片 喂纱张力 弯纱深度 和牵拉张力等针织机工艺参数进行优化 使高性能纤维能够顺利编 织成圈 43 洲 织针和沉降片的优化选择 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 有关实验研究建议织针针钩的截面直径应达到一定值 此定值由玻 璃纤维长丝的直径以及纱线强力测试中所能达到的应力极限来具体 确定 另外 断纱最容易发生在套圈阶段 最好采用针头宽度小的舌针 舌针针钩采用锥形圆截面比圆柱形截面优越 可减少切断纱线的次 数 同时 针杆设计成有利于纱线滑移的弯曲度 也会大大减小纱线附 加张力晰 现代纬编机上可以采用复合针来改善纱线张力 复合针还可配合采 用双向沉降片技术以提高编织质量 451 喂纱张力优化 由欧拉公式可知 弯纱过程中同一弯纱点的纱线张力与输入张力成 正比关系 因此编织高性能纤维纱线时应尽量采用积极式给纱以保 证尽量小的纱线张力 对于横机 一般在保证挑线弹簧能够充分吸收机头换向时产生的余 线的前提下 张力装置设置值应尽可能小 横机中由于带有导纱器的机头成不连续的往复运动 最好采用带有 回喂控制的纱线张力的步进马达将纱线喂入织针 以保证最小且连 续张力供纱 另外 可以考虑采取减少纱线与金属机件的接触点的方法来减小摩 擦 从而降低纱线张力 弯纱深度优化 弯纱深度是关系到能否正常编织 织物密度是否得当和线圈结构是 否均匀的关键因素 当弯纱深度增加时 线圈长度增加 在编织区域纱线接触点的数目 就增加 导致包围角总和增加 从而导致编织区纱线张力的增加 当弯纱张力增大至纱线断裂强力时 纱线就发生断裂 同时 弯纱时需纱线转移 若线圈长度越长 则纱线紧贴针钩移动 的路径就越长 由于纱线弯曲的曲率半径较大加上玻璃纤维纱线的 脆性大 导致纱线断裂部分增多 从而难以实现顺利编织 所以 在保证线圈长度能够使织针顺利退圈和脱圈的情况下 应使 弯纱深度尽可能小 461 牵拉张力优化控制 编织碳纤维和玻璃纤维等高性能纱线时 由于纱线摩擦系数和弯曲 刚度较大 织物不易牵拉 所以必须施加比普通纱线较大的牵拉张 力 如果向下的牵拉张力不够 会对线圈的形态与均匀性和布面的清晰 度产生影响 但张力也不可过大 否则 纱线与织针摩擦力较大 影响织针上升 造成刮伤纱线 降低布面质量 严重时甚至使织针断裂 电脑横机上编织织物 由于其装有握持沉降片 在局部立体编织时 可以替代牵拉辊进行辅助牵拉 但14东华大学硕士论文第二章复合 材料与材料性能与增强织物拉伸性能测试对于摩擦系数和弯曲刚度 都较大的高模量纤维纱线来说 仅靠握持沉降片而不靠牵拉辊夹持 进行牵拉 是难以顺利编织的 除了以上方法外 还应注意环境湿度的控制 研究发现 环境湿度对编织工艺的稳定性有很大的影响 空气湿度太低 在编织过程中纱线与成圈机件问的相对滑动容易产 生静电 影响织物的编织 因而常规纱线编织过程中通常采用提高 环境湿度的方法来解决编织引起的静电问题 47 但是对于玻璃纤维纱线 除了要考虑编织静电这个问题以外 还要 考虑环境湿度对纱线老化和编织损伤的影响 实验发现 高湿度下玻璃纤维的编织损伤大大增加 在湿度为95 时纱线的磨断次数仅为湿度为55 时的一半 由此可知湿度对玻璃 纤维的编织有较大的影响 结合实际发现 整经和编织时将空气湿度控制在一定的范围 玻璃 纤维纱可达到较好的编织效果 4引 2 2捆绑纱编织前后拉伸性能玻璃纤维纱线在编织过程中会受到拉 伸和弯曲 玻璃纤维由于其脆性较大 很容易发生扭折 同时因为 其摩擦系数较大 在与机件的接触过程中纤维也会有磨损 所以总 体来看 纤维发生了大量的损伤 为了能定量评价纤维的损伤程度 本文采用未经编织的纱线的拉伸 断裂强力和编织后从织物中脱散下来的纱线的拉伸断裂强力的百分 比来评价纤维的损伤程度 其计算式如下脚 I每 xl 2 1 J t式中 FDP一纱线强力损伤率 或纤维强力损伤率 T旷 未经编织 的纱线拉伸断裂强力 Tl一从织物中脱散下来的纱线的拉伸断裂强 力 参照测试标准GB T14460 xx 标距500mm 加载速度为5删 mi n 分别对编织前后的性能进行了拉伸试验 涤纶为吴江恒力33d 12f 品种 玻璃纤维为南玻院产的无碱玻纤22 2tex 每种重复测10根 测试数据见表2 3 表2 3玻纤与涤纶捆绑纱编织前后拉伸测试数据由表2 3可以看出 编织 工艺会劣化捆绑纱的力学性能 对玻纤纱的劣化程度较高 其中玻 纤纱的强度损失高达30 77 涤纶为18 18 但是由于所第二章复合材料与材料性能与增强织物拉伸性能测试东 华大学硕士学位论文用玻纤直径只有7u m 玻璃纤维的柔性较高 编织性提高 且玻璃纤维本身的强力大 所以在编织后玻纤强度为O 36N Tex 涤纶为O 27N TeX 强度 仍比涤纶纱高33 3 从测试结果可以看出 本文使用的玻璃纤维在编织中的损伤并不影 响它在织物中的捆绑作用 2 3增强织物的力学性能2 3 1原料基本参数我们使用的 45 经编碳纤维增强织物是由常州常州宏发纵横新材料有限公司提供 在Li ba公司的Copcentra Mul tiaXi al型多轴向经编机上编织 以士45方向的T700S碳纤维做衬垫纱 捆绑纱的针迹密度都为5舢 I l 捆绑纱和地组织分别为涤纶 编链 玻纤 编链 涤纶 经平 玻纤 经平 文中分别以P B G忸 P J G J简称 编织所用碳 纤维性能如下表 本文选用的四种多轴向经编织物的详细规格如表2 4所示 其中厚 度和织物面密度的测试方法分别参考标准GB T6672 86和GB厂r466 9 xx 表2 4 45 经编碳纤维织物的基本参数表注碳纤维织物有常州宏发纵横新材料 有限公司提供由表2 4可以看出玻纤作捆绑纱的织物厚度和面密度 都略大于涤纶作捆绑纱的织物 经平组织的厚度和面密度都略大于 编链组织 2 3 2拉伸试样的选取和制备试样的选取要有代表性 要保证所选 的试样布面平整 不含有任何外观疵点 试样的边纱应尽量去除 边缘纱线应保证其完整且不脱离试样 在此次实验中 为了保证数据的准确性 每个方向选取5个试样 经 纬向和450方向的试样的选取和织物上捆绑纱的取向如下图2 1 2 2所示 东华大学硕士论文第二章复合材料与材料性能与增强织物拉伸性能 测试图2 1试样选取图2 2捆绑纱取向 必持端必 寿球 2S0mm 图2 3织物拉伸试样我们参照标准GB T7689 5 xx增强材料机织物试验 方法制备试样 试样长250删n 宽25mm 如图2 3所示 夹距100mm 拉伸速度为50mm mi n 使用仪器HD026N 织物强力仪测试了四种增强织物的拉伸性能 每种试样重复试验5次取平均值 图2 4为试样在机器上的拉伸图 图2 4机器上拉伸图削第二章复合材料与材料性能与增强织物拉伸性能测 试东华大学硕士学位论文2 3 3试验原理和结果分析试样材料的拉 伸强度计算公式为P吒拳丽7式中 G广拉伸强度 Mpa P 破坏载荷或最大载荷 N 卜试样宽度 mm h一试样厚度 mm 材料的最大载荷处 或拉伸破坏处 的伸长率计算公式 堕 l 厶式中 厂 试样拉伸破坏或最大载荷处的伸长率 Lb一试 样破坏时或最大载荷处标距内的伸长量 mm Lo一测量的标距 mm 材料的拉伸弹性模量计算公式譬 彘兰式中 Et 拉伸弹性模量 Mpa P一载荷一变形曲线上初始直线段的载荷增量 N L 一与载 荷增量 P对应的标距k内的变形增量 mm 表2 5 45 碳纤维经编增强织物拉伸数据由表2 5可看出 经向拉伸强力小且 分散 45度方向试样中纱线排列方向与加载方向一致 故强力最高 断裂伸长小 纬向由于无纤维断裂基本无强力 所以未能给出测 试数据 18 哪柳qQQp东华大学硕士论文第二章复合材料与材料 性能与增强织物拉伸性能测试PrJ经向P 7B经向0246810 2 41618 2022x滓长m弭图2 5 45 碳纤维经编增强织物经向拉伸曲线 a b c d e f g h 图2 6 45 碳纤维经编增强织物经向拉伸试样图在经向拉伸试样中捆绑