二維三軸編織扁帶及其織物的力學(xué)性能分析*

梁雙強(qiáng) 陳 革 萬德軍 張春燕 陳 利

1. 東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620；2. 揚(yáng)州遠(yuǎn)睿精密機(jī)械有限公司, 江蘇揚(yáng)州225235；3. 天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所，天津300160

二維三軸編織扁帶及其織物的力學(xué)性能分析*

梁雙強(qiáng)1陳 革1萬德軍2張春燕3陳 利3

1. 東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620；2. 揚(yáng)州遠(yuǎn)睿精密機(jī)械有限公司, 江蘇揚(yáng)州225235；3. 天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所，天津300160

采用二維三軸編織扁帶替代合股紗線制備增強(qiáng)用織物，并通過試驗(yàn)的方法研究二維三軸編織扁帶及其織物的力學(xué)性能。結(jié)果表明：組織結(jié)構(gòu)對扁帶織物拉伸斷裂強(qiáng)力有很大影響，平紋扁帶織物的拉伸斷裂強(qiáng)力最大，斜紋和緞紋扁帶織物的拉伸斷裂強(qiáng)力較??；不同編織結(jié)構(gòu)的二維三軸編織扁帶的纖維強(qiáng)力利用率均大于0.800，而合股紗線的纖維強(qiáng)力利用率均小于0.800，故相較于合股紗線增強(qiáng)用織物，扁帶織物的拉伸斷裂強(qiáng)力明顯提高。

石英纖維，二維三軸編織扁帶，合股紗線，纖維強(qiáng)力利用率，拉伸斷裂強(qiáng)力，扁帶織物，增強(qiáng)用織物

“高性能化”技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)先進(jìn)復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)。典型的“高性能化”技術(shù)包括：進(jìn)一步提高增強(qiáng)用纖維材料的力學(xué)性能，提高復(fù)合材料耐溫、耐燒燭級別的新技術(shù)等，同時(shí)要求這些技術(shù)兼顧材料制備與加工的低成本問題[1]。

石英纖維是一種純度很高(所含SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%)的高性能無機(jī)纖維[2]，非常適合作為透波復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維，也是國內(nèi)外透波復(fù)合材料中應(yīng)用最多的一種增強(qiáng)纖維[3-4]。隨著透波復(fù)合材料的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，其高效、低成本的制造技術(shù)已成為亟待解決的關(guān)鍵問題[5-6]。

2012年，中材科技股份有限公司公開了一種截錐體織物的編織方法[7]，具體實(shí)施例中織物的經(jīng)紗和緯紗均采用了合股紗線。2015年，中材科技股份有限公司公開了一種變厚度層連結(jié)構(gòu)織物的制備方法[8]，具體實(shí)施例中錐管狀變厚度織物的經(jīng)紗和緯紗分別采用了不同合股數(shù)的合股紗線。研究發(fā)現(xiàn)：采用合股紗線替代普通紗線可以顯著提高織造效率、縮短制造周期，是復(fù)合材料高效、低成本的制造方法之一。但是合股紗線直徑增加會造成交織點(diǎn)處纖維彎曲增大、單層厚度增加，進(jìn)而導(dǎo)致樹脂基體對紗線內(nèi)部浸潤性差，加之合股紗線的纖維強(qiáng)力利用率低，故使得復(fù)合材料的力學(xué)性能降低。

近年，國內(nèi)外研究人員針對大絲束碳纖維的薄層化開展了大量的研究工作[9-11]。通過展紗技術(shù)將大絲束碳纖維薄層化，發(fā)現(xiàn)薄層化后制成的碳纖維織物具有低的纖維彎曲、高的覆蓋率和超薄的厚度，所得最終復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著提高。碳纖維薄層化也適用于石英纖維。

本文采用二維編織技術(shù)制備二維三軸編織扁帶，具體是通過在編織預(yù)成型過程中沿編織成型方向引入伸直不動(dòng)的第三向紗線，形成一個(gè)具有一定寬度及厚度的扁帶；接著，將二維三軸編織扁帶替代合股紗線制備增強(qiáng)用織物，并通過試驗(yàn)的方法測試、分析二維三軸編織扁帶及其織物的力學(xué)性能。

1 二維三軸編織扁帶及其織物的制備

1.1 試驗(yàn)材料

本研究中二維三軸編織扁帶及其織物所采用的石英纖維，由中國航天科技集團(tuán)公司第七零三研究所提供。經(jīng)測試，所用190 tex石英纖維紗的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率等指標(biāo)如表1所示。

表1 190 tex石英纖維紗性能參數(shù)

由表1可知，190 tex石英纖維紗的強(qiáng)伸性能較差，這導(dǎo)致其可紡性差；斷裂強(qiáng)力偏低，這會進(jìn)而影響織物的力學(xué)性能。

1.2 二維三軸編織扁帶的制備

典型的二維編織機(jī)上有 2 組攜紗器。2組攜紗器相交錯(cuò)形成8字形運(yùn)動(dòng)軌跡。同一組攜紗器中的所有紗線都沿相同方向運(yùn)動(dòng)(順時(shí)針或逆時(shí)針)，另一組攜紗器中的所有紗線的運(yùn)動(dòng)方向相反。因此，為保證2組紗線相互交織，二維編織機(jī)提供了這樣的一種運(yùn)動(dòng)，即在每1組攜紗器中，一部分紗線朝著圓管的中心運(yùn)動(dòng)，另一部分紗線則朝著圓管的外緣運(yùn)動(dòng)。這樣同一時(shí)刻，紗線不但沿著圓管的半徑方向向里、向外運(yùn)動(dòng)，還會沿著圓管的圓周方向運(yùn)動(dòng)。于是，紗線互相交織形成了管狀或片狀結(jié)構(gòu)。本試驗(yàn)所采用的小樣編織機(jī)有13個(gè)編織紗紗錠、6個(gè)軸紗紗錠，所得二維三軸編織扁帶結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二維三軸編織扁帶結(jié)構(gòu)示意

二維編織機(jī)可批量化生產(chǎn)編織扁帶，并具有低成本、高效率的優(yōu)勢，其為高效、低成本制備天線罩奠定了基礎(chǔ)。本文試驗(yàn)采用190 tex的石英纖維紗作為軸紗、27 tex的石英纖維紗作為編織紗，并在型號為KBL-13-4-80的編織機(jī)上進(jìn)行編織。編織參數(shù)為編織紗單股、軸紗雙合股，所編織的二維三軸編織扁帶如圖2所示，工藝參數(shù)如表2所示。

1.3 扁帶織物的制備

利用所得的二維三軸編織扁帶替代合股紗線制備增強(qiáng)用織物——扁帶織物。

圖2 二維三軸編織扁帶

表2 二維三軸扁帶工藝參數(shù)

表3為3種組織結(jié)構(gòu)的扁帶織物的工藝參數(shù)。圖3為3種組織結(jié)構(gòu)的扁帶織物的照片。

表3 3種組織結(jié)構(gòu)的扁帶織物工藝參數(shù)

(a) 平紋組織

(b) 斜紋組織

(c) 緞紋組織

2 測試及結(jié)果

扁帶織物拉伸性能的測試儀器為日本AG-250KNE型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，測試參考GB/T 3923.1— 2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》進(jìn)行，測試結(jié)果歸納于表4。

表4 扁帶織物的拉伸性能

合股紗線與二維三軸編織扁帶拉伸性能的測試儀器為日本AG-1KNE型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，測試參考GB/T 7690.3—2013《玻璃纖維斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長率的測定》進(jìn)行，測試結(jié)果歸納于表5。

表5 合股紗線及二維三軸編織扁帶的拉伸性能

注： H表示合股紗線，B表示扁帶，Z6表示軸紗6根，b13表示編織紗13根，其他以此類推

3 扁帶織物力學(xué)性能分析

3.1 組織結(jié)構(gòu)對扁帶織物拉伸性能的影響

圖4反映了扁帶織物的組織結(jié)構(gòu)與拉伸斷裂強(qiáng)力之間的關(guān)系。

圖4 扁帶織物組織結(jié)構(gòu)與拉伸斷裂強(qiáng)力的關(guān)系

從圖4可知，組織結(jié)構(gòu)對扁帶織物拉伸斷裂強(qiáng)力有很大的影響：平紋扁帶織物的拉伸斷裂強(qiáng)力最大，為6 700 N，斜紋、緞紋扁帶織物的拉伸斷裂強(qiáng)力與之相比分別減小了20.90%、 26.87%。分析結(jié)果認(rèn)為，織物內(nèi)經(jīng)緯紗交織點(diǎn)越多、浮長線越短，則拉伸時(shí)織物中受拉系統(tǒng)紗線受到非受拉系統(tǒng)紗線的擠壓力越大，經(jīng)緯紗間切向滑動(dòng)阻力越大，越有助于織物強(qiáng)力的提高。三原組織中，平紋組織的交織點(diǎn)最多、浮長線最短、紗線屈曲最多，且平紋織物的結(jié)構(gòu)最緊密，紗線間的握持力大，故平紋織物具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，拉伸斷裂強(qiáng)力最大；而緞紋組織的交織點(diǎn)最少、浮長線最長，故緞紋織物的拉伸斷裂強(qiáng)力最小。

圖5為平紋扁帶織物的橫截面，其中橫截面為圓形的軸紗1根挨著1根整齊地排列在扁帶的同一平面內(nèi)，受作用力時(shí)截面近似長方形的扁帶能夠充分利用紗線的強(qiáng)力。開始施加作用力時(shí)，承力方向扁帶中的軸紗伸直，橫向紗線受到作用力開始屈曲，直至承力方向的紗線平行排列在同一平面內(nèi)，此時(shí)，纖維強(qiáng)力利用率高。

圖5 平紋扁帶織物橫截面

3.2 纖維強(qiáng)力利用率

纖維強(qiáng)力利用率是影響織物及其復(fù)合材料強(qiáng)度的重要因素。名義纖維強(qiáng)度是指商品標(biāo)簽上標(biāo)注的單纖維強(qiáng)度。假設(shè)復(fù)絲在拉伸過程中每單根纖維同時(shí)達(dá)到斷裂極限,則此時(shí)的斷裂強(qiáng)力稱為名義復(fù)絲強(qiáng)力，其值可通過名義纖維強(qiáng)度和橫截面積計(jì)算出來[4-6]。

已知石英纖維的密度ρ=2.2g/cm3，并由測量得到190tex石英纖維紗的斷裂強(qiáng)度P0=863.048 MPa。根據(jù)m=ρls可得

(1)

那么

F名=P0s

(2)

(3)

式中：m——合股紗線或扁帶的質(zhì)量，g；

l——合股紗線或扁帶的長度，m；

s——合股紗線或扁帶的橫截面積，mm2；

F名——合股紗線或扁帶的名義斷裂強(qiáng)力，N；

γ——合股紗線或扁帶中纖維強(qiáng)力利用率；

F實(shí)——合股紗線或扁帶的實(shí)測斷裂強(qiáng)力，N。

γ反映了測試樣在承受拉伸作用時(shí)，纖維發(fā)生同時(shí)斷裂的程度。γ值越大，則同時(shí)斷裂的單纖維根數(shù)越多；γ值越小，則同時(shí)斷裂的單纖維根數(shù)越少。其極限值為1.000。表6對合股紗線、扁帶中纖維強(qiáng)力利用率的計(jì)算進(jìn)行了歸納。

表6 合股紗線、扁帶中纖維強(qiáng)力利用率

圖6 合股紗線、扁帶對石英纖維的強(qiáng)力利用率

圖6形象地反映了合股紗線、扁帶對石英纖維的強(qiáng)力利用率。從圖6可以看出，扁帶對石英纖維的強(qiáng)力利用率明顯優(yōu)于合股紗線；隨著合股數(shù)的增多，合股紗線中纖維強(qiáng)力利用率迅速下降。再結(jié)合表6可以看出：扁帶的纖維強(qiáng)力利用率均大于0.800， 而合股紗線的纖維強(qiáng)力利用率均小于0.800； 當(dāng)合股數(shù)從3根增大到6根時(shí)，纖維強(qiáng)力利用率從0.791下降到0.766， 下降了3.2%，當(dāng)合股數(shù)繼續(xù)增大到12根時(shí)，纖維強(qiáng)力利用率繼續(xù)下降到0.648，下降了15.4%，此為纖維強(qiáng)力利用率下降最大的階段。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)合股紗線的拉伸斷裂機(jī)理：合股紗線受拉伸載荷作用時(shí)，部分纖維先達(dá)到斷裂強(qiáng)力而斷裂，剩余纖維則承擔(dān)全部載荷；隨著拉伸載荷的增大，剩余纖維中的部分纖維又先達(dá)到斷裂強(qiáng)力而發(fā)生斷裂；如此下去直到全部纖維斷裂。且隨著合股紗線根數(shù)的增多，纖維斷裂的不同性增大，而合股紗線的斷裂強(qiáng)力增速很小，并小于合股紗線線密度的增速，故纖維強(qiáng)力利用率隨合股紗線合股數(shù)的增多而減小。二維三軸編織扁帶結(jié)構(gòu)中，軸紗平行排列在同一平面內(nèi)，這有利于纖維強(qiáng)力的發(fā)揮，是主要的承力部件，加之編織紗捆綁著軸紗，軸紗線密度又是編織紗的7.03倍，故二維三軸編織扁帶的纖維強(qiáng)力利用率大于合股紗線。

4 結(jié)論

(1)組織結(jié)構(gòu)對扁帶織物的拉伸斷裂強(qiáng)力有很大的影響。在本文的試驗(yàn)中，平紋扁帶織物的拉伸斷裂強(qiáng)力最大，為6 700 N，與之相比，斜紋、緞紋織物的拉伸斷裂強(qiáng)力分別減小了20.90%、 26.87%。

(2)不同編織結(jié)構(gòu)的二維三軸編織扁帶的纖維強(qiáng)力利用率均大于0.800，而合股紗線的纖維強(qiáng)力利用率均小于0.800，前者的纖維強(qiáng)力利用率高于后者；而且，扁帶的加工過程對纖維損傷較小，故可以減少纖維用量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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Study on the mechanical properties of two-dimensional triaxial braided flat tapes and their fabrics

LiangShuangqiang1，ChenGe1，WanDejun2，ZhangChunyan3，ChenLi3

1. College of Mechanical Engineering， Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. Yangzhou YuanRui Precision Machinery Limited Company, Yangzhou 225235, China; 3. Composite Materials Research Institute, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160, China

Two-dimensional triaxial braided flat tapes instead of ply yarns were used to fabricate the reinforced fabric. The mechanical properties of two-dimensional triaxial braided flat tapes and their fabrics were studied experimentally. The results showed that fabrics’ organization had a great influence on the tensile strength of flat tapes fabrics. The tensile strength of plain fabric was the greatest, and the tensile strength of twill fabric and satin fabric was lesser. Fiber strength utilization ratio of two-dimensional triaxial braided flat tapes with different structures was greater than 0.800, while the fiber strength utilization ratio of the ply yarn was less than 0.800, so comparing with the tensile strength of the reinforced fabrics made of the ply yarns, that of the flat tapes fabrics was obviously improved.

silica fiber, two-dimensional triaxial braided flat tape, ply yarn, fiber strength utilization ratio, tensile strength, flat tape, reinforced fabric

*揚(yáng)州市綠揚(yáng)金鳳人才計(jì)劃項(xiàng)目,江蘇省“雙創(chuàng)”人才計(jì)劃項(xiàng)目

2016-01-15

梁雙強(qiáng)，男，1991年生，在讀博士研究生，研究方向?yàn)榧徔椆に嚺c裝備

陳革，E-mail:chenge@dhu.edu.cn

TS156， TB332

A

1004-7093(2017)03-0007-05