經(jīng)編針織物增強復合材料結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、經(jīng)編針織物具有多種結(jié)構(gòu)的變化，所以它在復合材料的性能設(shè)計上具有較大的優(yōu)越性。用于增強復合材料的經(jīng)編針織結(jié)構(gòu)以雙軸向、多軸向織物最為常見，有關(guān)高模量紗線編織成圈的經(jīng)編針織物增強復合材料研究和報道較少。由于經(jīng)編針織物中的線圈彎曲程度較大，使增強纖維的剛度和強度利用率受到限制;此外，較低的纖維體積含量，高模量紗線在織造過程中容易受到損傷，從而降低了復合材料的力學性能。但是，相對于編織物和機織物等一些其他類型的增強復合材料，經(jīng)編針織復合材料的優(yōu)

2、勢也非常明顯，如生產(chǎn)率高，成本低，耐沖擊，適應(yīng)復雜形狀的能力等。因此，有必要對玻璃纖維等高模量紗線經(jīng)編針織物的編織工藝進行研究，減輕織造過程中纖維的損傷。更為重要的是從試驗和理論兩方面對經(jīng)編針織物復合材料的結(jié)構(gòu)及其力學性能進行深入研究，分析其剛度與強度的影響因素，建立理論預測模型，為其廣泛應(yīng)用提供理論支持。
　　 本文的研究工作主要包括以下幾個方面:
　　 在第一章中，對針織復合材料的增強結(jié)構(gòu)、編織工藝及力學性能的研究進

3、展進行了較為詳細的回顧和綜述，對目前研究中存在的問題進行了分析，并闡述了本課題研究的目的、內(nèi)容和意義。
　　 在第三章，介紹了不飽和聚酯樹脂的性能特點，分析了經(jīng)編針織復合材料的復合成型工藝。采用手糊成型工藝制備了經(jīng)編針織物/不飽和聚脂樹脂復合材料板材，以及樹脂澆鑄體和單向復合材料試樣，并測試了材料的基本參數(shù)。測試結(jié)果顯示，復合材料試樣的纖維體積含量相對較低。
　　 第四章，在萬能材料試驗機上測試了各種經(jīng)編針織復合材料試樣

4、、樹脂澆鑄體和單向復合材料的拉伸性能，并對經(jīng)編針織復合材料的縱向、橫向與斜向應(yīng)力應(yīng)變曲線、彈性模量、斷裂強度和應(yīng)變的影響因素進行了分析。拉伸性能試驗研究顯示，不飽和聚酯樹脂澆鑄體的拉伸強度低、模量低，應(yīng)變大，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性，且不存在屈服點。單向復合材料拉伸強度高、模量高，應(yīng)變小，拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈線性關(guān)系。所有經(jīng)編針織復合材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線均為非線性，拉伸性能各向異性明顯。它們的剛度和強度與試樣寬度內(nèi)的承載紗線數(shù)、纖維體積

5、含量有關(guān)。單梳經(jīng)平和變化經(jīng)平織物增強復合材料存在一個普遍性的規(guī)律就是，沿0°方向(橫列方向)的拉伸斷裂強度和模量最高，45°方向次之，沿90°方向(縱行方向)最低;拉伸應(yīng)變45°方向最小。雙梳、三梳和雙面經(jīng)編織物復合材料的拉伸試驗研究顯示，織物織造過程中紗線的損傷會降低復合材料的力學性能。由于紗線斷裂的不同時性，某些經(jīng)編針織物復合材料縱向拉伸曲線具有明顯的屈服階段。在單梳經(jīng)編組織的基礎(chǔ)上增加一把編鏈梳櫛后，能夠提高了復合材料的縱向拉伸性

6、能;采用局部襯緯梳櫛，襯緯紗跨越的針距數(shù)越多，橫向拉伸強度和模量越高。上述研究表明，通
　　 第二章，通過試驗分析了玻璃纖維紗線經(jīng)編成圈的編織性能，探討了整經(jīng)工序應(yīng)注意的幾個問題，在拉舍爾舌針經(jīng)編機上分別使用1～3把梳櫛，編織了40種單面和雙面經(jīng)編針織物增強結(jié)構(gòu)，研究了玻璃纖維經(jīng)編針織物的編織工藝。一些組織結(jié)構(gòu)的經(jīng)編針織物在復合材料中首次涉及。
　　 在單紗強力機上測試了玻璃纖維紗線的拉伸強度和繞過織針針頭的鉤接強度，并

7、與滌綸長絲和滌/棉紗線進行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維紗線的鉤接強度與針頭直徑有關(guān)，針頭直徑越小，強度越低，而且紗線的斷裂點全部發(fā)生在針鉤處。導紗針孔折彎強度測試結(jié)果顯示，玻纖紗線穿過導紗針孔后傾斜角度越大，紗線強度越低。說明玻璃纖維雖然拉伸強度較高，但由于其脆性大，在彎曲和扭折時易發(fā)生斷裂。在Z321整經(jīng)機上將玻璃纖維紗線卷繞成盤頭，整經(jīng)過程中經(jīng)紗斷頭多發(fā)生在集絲板和分紗筘處，經(jīng)紗斷頭后應(yīng)采用大接頭的打結(jié)方式接頭，要調(diào)整好經(jīng)紗張力、整經(jīng)

8、速度等參數(shù)。在機號為E12的RMDU6拉舍爾舌針經(jīng)編機上設(shè)計并編織了單梳、雙梳和三梳織物，研究發(fā)現(xiàn)，影響玻璃纖維紗線經(jīng)編編織性能的主要因素是織針尺寸和紗線在導紗針針孔處的彎曲曲率及包圍角，彎曲曲率和包圍角越大，紗線越容易斷裂。在保證成圈順利的前提下，應(yīng)盡可能減小經(jīng)紗送經(jīng)張力。編織高密度織物時，紗線易受損傷，織物表面起毛現(xiàn)象嚴重，要調(diào)節(jié)好上機密度。在編織雙梳織物時，斷紗最容易發(fā)生在套圈階段，最好采用針頭寬度小的舌針。要編織結(jié)構(gòu)緊密的雙針床

9、經(jīng)編織物較為困難，編織過程中要防止前梳紗在前針床織針上漏針。過改變經(jīng)編針織物的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和纖維體積含量等因素時，使增強織物中纖維的取向發(fā)生變化，從而也使復合材料呈現(xiàn)出不同的強度、模量和各向異性特征等力學性能。因而，經(jīng)編針織復合材料的力學性能具有很強的可設(shè)計性。
　　 在第五章中，測試并分析了32種經(jīng)編針織復合材料橫向、縱向和斜向的彎曲強度和模量，結(jié)果表明:大多數(shù)復合材料的彎曲強度和模量與拉伸試驗的結(jié)果比較一致，它們同樣也與增強針

10、織物的組織結(jié)構(gòu)、紗線取向、承載紗線根數(shù)、纖維體積含量等因素有關(guān);經(jīng)編針織復合材料的彎曲力學性能也具有正交各向異性特征，各向異性程度與拉伸結(jié)果相近或稍小;大部分復合材料的彎曲模量比拉伸模量小;織造過程中對纖維的損傷對彎曲性能影響不明顯，纖維與樹脂界面脫粘對彎曲性能影響較大;經(jīng)編雙面織物復合材料具有良好的彎曲力學性能。
　　 在第六章中，利用幾何方法，根據(jù)玻璃纖維經(jīng)平織物的線圈實際形態(tài)，對線圈結(jié)構(gòu)作了合理的假設(shè)，建立了經(jīng)平組織經(jīng)編針

11、織物的線圈幾何模型。經(jīng)與6種不同密度的實際經(jīng)平織物對比，幾何模型的線圈長度與實測線圈長度的差異均在3％以內(nèi)，說明關(guān)于線圈模型的假設(shè)和建立方法是正確的。采用Pro/ENGINEER Wildfire4.0建立的經(jīng)平織物線圈三維幾何模型與線圈實際形態(tài)較為符合。
　　 第七章，利用Pro/ENGINEER Wildfire4.0和Algor有限元分析軟件，構(gòu)建了經(jīng)平織物復合材料的有限元分析模型，該模型是由經(jīng)平織物的一個完全組織及其樹脂

12、組成的復合材料代表性體元。有限元法的計算步驟歸納為:建立分析模型與網(wǎng)格劃分，單元分析，整體分析。在劃分網(wǎng)格過程中，將模型離散為六面體與四面體形狀的單元，選擇分析類型為“非線性MES”，單元類型為塊體。將增強織物的線圈視為正交各向異性的單向復合材料，樹脂部分的單元材料模型選擇了“使用等向強化模型的Von Mises曲線”。通過有限元分析與計算，得到了經(jīng)平織物復合材料沿織物縱行和橫列方向的拉伸應(yīng)力應(yīng)變分布，應(yīng)力應(yīng)變曲線和彈性模量。應(yīng)力和應(yīng)變