雙軸向交織緯編針織復(fù)合材料加工制造及其拉伸性能研究.pdf

1、本課題是對(duì)自主研發(fā)的一種新型的經(jīng)紗與緯紗呈交織狀態(tài)的雙軸向緯編織物及其增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行研究。由于該織物中既有針織物的線圈結(jié)構(gòu)，又有機(jī)織物的交織結(jié)構(gòu)，又稱之為機(jī)織針織復(fù)合結(jié)構(gòu)(Co-woven-knitted Fabric，簡(jiǎn)稱CWK織物)。該織物將機(jī)織和針織兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，同時(shí)融合兩種結(jié)構(gòu)的性能和特點(diǎn)。與常見的雙軸向針織物相比，最大的不同是CWK織物中的經(jīng)紗與緯紗有交織。
　　 鑒于CWK織物性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的密切

2、聯(lián)系，首先對(duì)CWK織物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，確定其編織工藝，并設(shè)計(jì)了其相應(yīng)的編織裝置和給紗裝置;隨后在普通針織橫機(jī)上進(jìn)行改造，并編織出CWK織物，實(shí)現(xiàn)了該新型結(jié)構(gòu)織物的編織，驗(yàn)證了其編織的可行性，同時(shí)對(duì)CWK織物的上機(jī)編織工藝加以分析和討論，內(nèi)容包括編織機(jī)件的配置及配合、各種紗線的張力調(diào)節(jié)、經(jīng)紗位置的控制及前后機(jī)頭的同步控制等等，并進(jìn)行了實(shí)際上機(jī)編織操作，逐步進(jìn)行編織工藝和編織機(jī)件的完善和優(yōu)化。
　　 在編織工藝優(yōu)化之后，選用

3、了玻璃纖維粗紗作經(jīng)紗和緯紗，高強(qiáng)滌綸絲作針織紗，進(jìn)行了CWK織物的編織，并確定了適用于高性能纖維CWK織物的編織工藝。首次編織出該種織物后，對(duì)其拉伸性能進(jìn)行的試驗(yàn)，初步了解其力學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其經(jīng)向和緯向的力學(xué)性能差異較大，這將影響該類織物的應(yīng)用范圍。在此基礎(chǔ)上，重新選擇經(jīng)紗、緯紗和針織紗，適當(dāng)調(diào)整了緯紗的襯入密度，重新編織出CWK織物。改進(jìn)后的CWK織物的經(jīng)向和緯向的拉伸性能進(jìn)行試驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方向的力學(xué)性能的差異得到極大的改善。該

4、類織物的力學(xué)行為同時(shí)具有機(jī)織結(jié)構(gòu)和針織結(jié)構(gòu)的性能，可以看作是兩種結(jié)構(gòu)的復(fù)合。同時(shí)，該類織物的軸向力學(xué)性能可以通過調(diào)整經(jīng)紗、緯紗的線密度和襯入密度來改變，以達(dá)到應(yīng)用上的需要。此外，在同一臺(tái)樣機(jī)上用同樣的紗線，編織出緯編雙軸向多層織物(MBWK)，將其拉伸性能與CWK織物的性能進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果顯示兩者的軸向拉伸性能有很大的相似性，在拉伸過程中，先由其中的經(jīng)紗和緯紗，在較低的伸長(zhǎng)下，承擔(dān)較高的負(fù)荷直至破壞，然后再由針織結(jié)構(gòu)，在較高的伸長(zhǎng)下，

5、承擔(dān)較低的負(fù)荷，直至針織結(jié)構(gòu)破壞。另外，CWK織物中由于經(jīng)紗和緯紗的屈曲，對(duì)經(jīng)紗和緯紗拉伸強(qiáng)力的發(fā)揮有一定的影響，但CWK織物中經(jīng)紗和緯紗的交織使得針織紗的“預(yù)牽伸”作用更為突出，進(jìn)而針織紗對(duì)經(jīng)紗和緯紗的捆綁作用更好，經(jīng)紗層與緯紗層之間更為緊密。
　　 以CWK織物作為增強(qiáng)材料制成復(fù)合材料，在對(duì)其拉伸性能試驗(yàn)和分析后，發(fā)現(xiàn)CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料的軸向拉伸性能表現(xiàn)出比較好的線性，其拉伸強(qiáng)度主要該方向的經(jīng)紗或緯紗強(qiáng)力及其襯入密度決定

6、;CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料的軸向拉伸力學(xué)性能的差異，可以通過其預(yù)制件的緯紗和經(jīng)紗襯入密度的合理設(shè)計(jì)來減小;CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料經(jīng)緯向拉伸曲線都存在拐點(diǎn)，這是由于經(jīng)緯紗交織導(dǎo)致紗線彎曲的結(jié)果，經(jīng)紗的彎曲程度高于緯紗;與普通緯編針織物增強(qiáng)復(fù)合材料相比，CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的初始模量和斷裂強(qiáng)度;CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料，在橫向拉伸時(shí)，通常是沿著縱行方向發(fā)生斷裂，在縱向拉伸時(shí)，通常是沿著橫列方向發(fā)生斷裂;在45°斜向拉伸時(shí)，斷口沿緯紗方

7、向。45°斜向的拉伸強(qiáng)度和模量最低，但拉伸能量吸收最高。同時(shí)對(duì)MBWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行了對(duì)比研究，研究表明由于經(jīng)紗和緯紗的交織，降低了CWK織物的中經(jīng)紗和緯紗強(qiáng)力的發(fā)揮，但在兩種織物均制成復(fù)合材料之后，MBWK增強(qiáng)復(fù)合材料中的經(jīng)紗和緯紗的屈曲比MBWK織物中的經(jīng)紗和緯紗的屈曲有明顯增大，因而MBWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料的軸向性能與CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料的軸向性能基本相同。
　　 CWK織物由針織紗、經(jīng)紗和緯紗三部分組成

8、。在一定的假設(shè)條件下，選取了CWK織物結(jié)構(gòu)單胞及體積代表元RVE，利用幾何分析的方法，建立了CWK織物三維幾何模型。通過分段計(jì)算可得到經(jīng)紗、緯紗和針織紗的長(zhǎng)度，理論預(yù)測(cè)與實(shí)際試驗(yàn)值吻合良好，證實(shí)了所建模型的有效性和實(shí)用性。成型后的纖維體積分?jǐn)?shù)通過織物結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)測(cè)紗線長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，所得實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算理論值有很好的一致性，進(jìn)一步說明所建模型的有效性和實(shí)用性。討論了在給定的織物緊度下，隨著針織紗與襯紗線密度之比的變化，總纖維體積分?jǐn)?shù)的變化

9、趨勢(shì)。在給定的較大的織物緊度下，隨著針織紗與襯紗線密度之比的增大，總纖維體積分?jǐn)?shù)先是逐漸下降到一個(gè)最小值，然后再增大。在針織紗與襯紗線密度之比由小變大時(shí)，針織紗的纖維百分含量隨之增大，而襯紗的纖維百分?jǐn)?shù)隨之減小;在給定的較小的織物緊度下，隨著針織紗與襯紗線密度之比的增大，總纖維體積分?jǐn)?shù)也是由小逐漸增大。這提供了一個(gè)給定針織紗或襯紗的纖維百分含量的CWK織物，如何去選擇針織紗或襯紗的線密度的依據(jù)。
　　 成型后的雙軸向交織緯編織物

10、增強(qiáng)復(fù)合材料的三維模型與織物的幾何模型基本一致。利用所建立的CWK織物三維結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)經(jīng)、緯紗纖維束及針織紗在RVE中的幾何形態(tài)、各紗束每一微元段在RVE總體坐標(biāo)的位置，確定了各系統(tǒng)紗線的取向度;將固化后的經(jīng)、緯紗纖維束及針織紗看作為纖維單向復(fù)合材料，采用體積平均的分析方法，進(jìn)行細(xì)觀力學(xué)分析，對(duì)經(jīng)紗、緯紗、針織紗和基體的局部剛/柔度矩陣進(jìn)行分析，計(jì)算出各自在局部坐標(biāo)下的柔度和剛度;利用混合率法則和等應(yīng)力及等應(yīng)變邊界條件的最佳系數(shù)組合對(duì)

11、四個(gè)子元的剛/柔度進(jìn)行組合，從理論上得到材料的總體剛/柔度矩陣和工程彈性常數(shù)。并用MATLAB語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)了CWK織物增強(qiáng)復(fù)合材料彈性常數(shù)理論預(yù)測(cè)模型的計(jì)算，分析表明采用這種分析方法所得到的彈性常數(shù)理論預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
　　 通過對(duì)CWK織物及其增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能的試驗(yàn)和理論分析與預(yù)測(cè)，對(duì)這種織物及其增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能有了較全面的理解，為以后更深入地研究和設(shè)計(jì)這種織物及其復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能奠定了良好的基礎(chǔ)，