碳纖維二維編織管狀織物的編織工藝

馬曉紅， 檀江濤， 秦志剛

(河北科技大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 河北 石家莊 050018)

碳纖維是一種應(yīng)用于軍工航天等高技術(shù)領(lǐng)域的新型增強(qiáng)材料，其力學(xué)性能突出，又具備類似普通纖維的柔軟可編織性，因此，通常被用來(lái)作為編織復(fù)合材料增強(qiáng)體[1-2]。在復(fù)合材料增強(qiáng)體的各種編織工藝中，二維編織工藝在編織纖維過(guò)程中對(duì)纖維的力學(xué)性能損傷較小，同時(shí)可與不同截面形狀的芯模進(jìn)行緊密貼合，使得增強(qiáng)體的整體性較好。由于二維編織物組織結(jié)構(gòu)變化較少，因此，目前主要是通過(guò)改變編織過(guò)程中芯軸形狀、紗錠數(shù)量以及底盤軌跡對(duì)二維編織管狀織物進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。其中碳纖維二維編織管狀織物可通過(guò)平壓方式制成層合板結(jié)構(gòu)復(fù)合材料或直接制成管件復(fù)合材料[4]。但由于碳纖維復(fù)絲屬于脆性材料，耐彎折性差，受磨損后易起毛斷裂，同時(shí)碳纖維本身具有導(dǎo)電性，使得二維編織過(guò)程難度增加[5-6]。

1 碳纖維的可編織性

1.1 拉伸斷裂性能

采用日本東麗公司生產(chǎn)的T300B-3000-40B型碳纖維復(fù)絲，線密度為198 tex，密度為1.76 g/cm3。為考察所用碳纖維復(fù)絲原料在編織過(guò)程中的特性，首先參照GB/T 3362—2005《碳纖維復(fù)絲拉伸性能實(shí)驗(yàn)方法》對(duì)其進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。由于碳纖維復(fù)絲在實(shí)際編織過(guò)程中未進(jìn)行二次上漿，因此，本文試驗(yàn)在測(cè)試碳纖維拉伸強(qiáng)度時(shí)未對(duì)整個(gè)紗線進(jìn)行浸膠，僅對(duì)夾頭所夾持的紗線進(jìn)行了樹(shù)脂固化。采用深圳郎博萬(wàn)公司所生產(chǎn)的 NO.1-691型環(huán)氧樹(shù)脂和所對(duì)應(yīng)的固化劑，按樹(shù)脂與固化劑質(zhì)量比為3∶1對(duì)紗線進(jìn)行常溫固化，然后參照上述國(guó)標(biāo)中加強(qiáng)片的要求，對(duì)試樣黏貼加強(qiáng)片。本文試驗(yàn)選用1.2 mm厚的紙板作為加強(qiáng)片，將碳纖維兩端夾在2片紙板中間，并利用室溫固化的502黏膠劑黏貼紙板，試樣形狀及尺寸如圖1所示。測(cè)試設(shè)備采用深圳三思縱橫科技有限公司UTM5105型電子萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)，上下夾頭距離為150 mm，夾頭加載速度為2 mm/min，試樣斷裂處距兩頭夾緊處距離大于10 mm判定為有效試樣，取6組有效試驗(yàn)結(jié)果平均值進(jìn)行記錄。同時(shí)選用75 tex的玻璃纖維、18.3 tex的棉纖維以及33 tex的滌綸長(zhǎng)絲進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，與碳纖維測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 碳纖維復(fù)絲拉伸性能測(cè)試樣Fig.1 Schematic of tension strength measurement of carbon fiber bundles

紗線種類線密度/tex斷裂強(qiáng)力/cN斷裂伸長(zhǎng)率/%斷裂強(qiáng)度/(cN·tex-1)碳纖維198.017 106.001.1286.39玻璃纖維75.03 743.502.2049.91棉纖維18.3188.103.8310.28滌綸長(zhǎng)絲33.01 094.3825.5833.16

本文試驗(yàn)所使用的碳纖維標(biāo)準(zhǔn)斷裂強(qiáng)度為200.5 cN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率為1.5%，斷裂強(qiáng)力為 39 700 cN。由于試驗(yàn)未對(duì)碳纖維復(fù)絲浸膠，相關(guān)力學(xué)參數(shù)與其標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)有所差異，但并不影響對(duì)碳纖維復(fù)絲實(shí)際編織過(guò)程中的力學(xué)性能分析。

對(duì)比表1中測(cè)試數(shù)據(jù)可知，碳纖維斷裂強(qiáng)度高于玻璃纖維、棉纖維以及滌綸長(zhǎng)絲，但其斷裂伸長(zhǎng)率低，延伸性較差。

1.2 折角磨損性能

1.2.1折角磨損測(cè)試儀

在二維編織機(jī)編織過(guò)程中，碳纖維復(fù)絲穿過(guò)紗管上端瓷眼到達(dá)編織點(diǎn)，使紗線瓷眼所在中心軸線呈一定角度θ，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 紗線與瓷眼所成夾角Fig.2 Angle between of yarn and porcelain eye

為模擬二維編織機(jī)編織過(guò)程中紗線穿過(guò)導(dǎo)紗瓷眼的受力磨損情況，設(shè)計(jì)了紗線折角磨損實(shí)驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—與電動(dòng)機(jī)連接的圓盤；2—搖桿；3—滑塊；4—角度盤；5—角度指針；6—中空管；7—瓷眼；8—碳纖維復(fù)絲；9—砝碼。圖3 折角磨損測(cè)試儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of corner wear test machine

搖桿一端固定在與電動(dòng)機(jī)連接的圓盤一端，另一端與滑塊相連，電動(dòng)機(jī)一端連接有電動(dòng)機(jī)控制器，可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，角度指針?biāo)缚潭葹榧喚€與瓷眼的中心軸線所成夾角θ。碳纖維復(fù)絲一端固定于滑塊上，通過(guò)裝有導(dǎo)紗瓷眼的中空管件后另一端與砝碼連接。

1.2.2正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

式中，Bi為多時(shí)相近紅外最小值合成圖像上第i個(gè)像元的灰度值；Bmax和Bmin分別表示在多時(shí)相全色圖像上提取的積雪范圍內(nèi)，通過(guò)近紅外波段多時(shí)相最小值合成后圖像上的最大像元值和最小像元值.當(dāng)上式成立時(shí)，像元值賦為1，表示為積雪，否則為0，表示為非積雪區(qū).

選擇編織過(guò)程中常見(jiàn)的工藝參數(shù)轉(zhuǎn)速(40、80、120 r/min)、砝碼質(zhì)量(20、60、100 g)和夾角θ(30°、45°、60°)3個(gè)因素進(jìn)行研究，為了得出3個(gè)因素對(duì)紗線折角磨損影響的顯著程度，運(yùn)用L9(34)正交試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

利用上述自制試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行碳纖維瓷眼處折角磨損試驗(yàn)，以100次摩擦為準(zhǔn)，即滑塊往復(fù)運(yùn)行次數(shù)。摩擦后紗線外觀狀況如圖4所示，因子參數(shù)條件和正交設(shè)計(jì)方法如表2所示，正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方差分析如表3所示。

圖4 不同試驗(yàn)條件下碳纖維復(fù)絲摩擦后外觀狀態(tài)Fig.4 Appearance status of carbon fiber after different friction experiment

試驗(yàn)編號(hào)A轉(zhuǎn)速/(r·min-1)B砝碼質(zhì)量/gC夾角θ/(°)斷裂強(qiáng)力/N損傷率/%1#4020301635.852#4060451592.923#40100601559.364#8020451662.925#8060601612.346#801003013819.307#12020601681.758#12060301568.199#1201004515310.53斷裂強(qiáng)力K1477497457K2465476478K3477446484R125127

表2中極差R值可反映相應(yīng)因子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，數(shù)值越大影響越大，反之影響越小。 由表2可知，第2列的極差R最大，則說(shuō)明碳纖維復(fù)絲瓷眼處折角磨損過(guò)程中牽引力對(duì)紗線的磨損影響最大，比較表2中的極差R值，可得到3個(gè)因子對(duì)碳纖維復(fù)絲瓷眼處折角磨損的影響大小排序：砝碼質(zhì)量>夾角θ>轉(zhuǎn)速，即牽引力>折角>編織速度。最適水平是A1B1C3。

表3 正交試驗(yàn)方差分析表Tab.3 Orthogonal design experimental variance analysis table

注：F0.05(2,2)=19.0，F(xiàn)0.1(2,2)=9.0，F(xiàn)0.2(2,2)=4.0；*為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著性，數(shù)量越多影響越顯著。

比較表3中F值的大小可知，砝碼質(zhì)量對(duì)磨損后的斷裂強(qiáng)力影響最為顯著，其次為夾角θ，轉(zhuǎn)速影響最小。

表3中的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果與表2一致，因此可知，磨損程度最小的因素組合為A1B1C3，即選擇轉(zhuǎn)速為40 r/min，砝碼質(zhì)量為20 g，夾角θ為60°，此時(shí)碳纖維復(fù)絲瓷眼處磨損后的斷裂強(qiáng)力為170 N，與未磨損的碳纖維復(fù)絲斷裂強(qiáng)力接近，試驗(yàn)結(jié)果良好。

2 碳纖維二維編織管狀織物編織

2.1 碳纖維復(fù)絲紗管纏繞

二維編織過(guò)程中，碳纖維復(fù)絲需纏繞到紗管上再進(jìn)行編織，因此，紗管纏繞參數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)絲的編織影響較大。在編織過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

1)碳纖維復(fù)絲具有優(yōu)異的耐高溫性，當(dāng)溫度高于1 800 ℃時(shí)強(qiáng)力才開(kāi)始有下降趨勢(shì)[7]，因此，在纏繞紗管時(shí)不宜選用高溫?cái)嘟z的自動(dòng)纏繞機(jī)，可選用半自動(dòng)紗管纏繞機(jī)進(jìn)行纏繞，每個(gè)紗管纏繞完畢后，利用剪刀將紗線剪斷再更換紗管。

2)碳纖維斷裂伸長(zhǎng)率小，屬于脆性材料，彎曲纏繞過(guò)程中易產(chǎn)生飛花，因此，纏繞機(jī)要保持低速纏繞，減少碳纖維復(fù)絲在纏繞過(guò)程中的損傷[8]。同時(shí)，纏繞過(guò)程中向紗線上噴灑適量的水，可降低短纖飛花的產(chǎn)生，從而進(jìn)一步降低碳纖維復(fù)絲的損傷。

3)紗線張力的大小是纏繞紗管質(zhì)量良好的關(guān)鍵因素。纏繞紗管過(guò)程中提高紗線的張力有利于碳纖維復(fù)絲在紗管上的均勻分布，但會(huì)加大紗線與導(dǎo)紗部件之間的摩擦，使紗線受到磨損，產(chǎn)生短纖飛花。同時(shí)紗線纏繞張力過(guò)大，易造成紗管上的紗線相互擠壓，編織時(shí)紗管兩端邊緣處的紗線與紗管摩擦力較大，易出現(xiàn)斷紗現(xiàn)象；因此，適當(dāng)控制纏繞過(guò)程中的張力，易于編織過(guò)程中紗管上的紗線順利退繞。

4)紗管橫向纏繞范圍越小，編織時(shí)紗線退繞張力越小，易于碳纖維復(fù)絲無(wú)損退繞；但是橫向范圍過(guò)小使得紗管上纏繞紗線較少，增加了紗管更換次數(shù)，不利于連續(xù)編織，因此，選擇適合的紗線橫向纏繞范圍有利于碳纖維復(fù)絲的編織工藝。

2.2 管狀織物編織工藝

設(shè)計(jì)了編織結(jié)構(gòu)為1×1和2×2的圓形截面管狀織物，其中：1×1編織結(jié)構(gòu)即相互交織的紗線每隔1束交叉1次，組織結(jié)構(gòu)類似于機(jī)織物中的平紋組織；2×2編織結(jié)構(gòu)即相互交織的紗線每隔2束交叉1次，組織結(jié)構(gòu)類似于機(jī)織物中的方平組織[9]。編織機(jī)選用江蘇徐州恒輝編織機(jī)械有限公司生產(chǎn)的KBL 24-2-90型24錠編織機(jī)，示意圖如圖5所示。

圖5 24錠編織機(jī)Fig.5 Braiding machine with 24 spindles

將芯模直徑為8 mm的塑料軟管預(yù)先安裝在編織機(jī)上，在編織機(jī)控制臺(tái)上輸入編織節(jié)距及編織速度來(lái)進(jìn)行管狀織物的編織。編織物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。編織節(jié)距為同根紗線編織到原位置時(shí)軸向方向的直線距離；編織角α為編織紗線與編織方向的夾角[10]。所制備的不同編織工藝的管狀編織物如圖6所示。

參照GB/T 8834—2016《纖維繩索有關(guān)物理和機(jī)械性能的測(cè)試》，在UTM5105型電子萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)上對(duì)編織好的二維編織管狀織物進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。試樣夾持距離為400 mm，拉伸速度為20 mm/min。試驗(yàn)前對(duì)編織物施加一定的預(yù)張力，使管狀織物處于自然伸直狀態(tài)[11]。編織物力學(xué)性能如表4所示。

表4 編織物基本參數(shù)及力學(xué)性能Tab.4 Basic parameters and mechanical properties of 2-D braided fabrics

圖6 二維編織管狀織物Fig.6 Two-dimensional braided tubular fabric

由表4可知，相同編織紗線根數(shù)下，隨著編織節(jié)距的減小，二維編織物的面密度逐漸增加，編織角α逐漸增大，二維編織物的斷裂強(qiáng)力逐漸減小。由圖6可看出，隨著編織節(jié)距減小，編織紗線越緊密，織物表面起毛現(xiàn)象越嚴(yán)重。原因是在編織過(guò)程中，編織節(jié)距的減小使得紗線交織點(diǎn)逐漸靠近編織圓盤，紗線與瓷眼中心軸線所成夾角增大，致使紗線與瓷眼的滑動(dòng)摩擦增強(qiáng)，使得紗線起毛嚴(yán)重，易出現(xiàn)斷紗現(xiàn)象。

對(duì)比圖6中的1#和5#、2#和6#、3#和7#、4#和8#織物，同時(shí)由表4可知，隨著編織紗線根數(shù)的增加，編織物的面密度增加明顯，同時(shí)織物表面起毛越嚴(yán)重，原因是紗線根數(shù)的增加使得紗線之間的摩擦次數(shù)增加。同時(shí)在相同的編織節(jié)距條件下，隨著編織紗線根數(shù)的增加，二維編織管狀織物的斷裂強(qiáng)力也逐漸增加，雖然編織紗線根數(shù)的增加使得紗線之間的磨損有所增加，但對(duì)編織物的整體斷裂強(qiáng)力影響并不顯著。

另外，利用碳纖維復(fù)絲編織二維編織物時(shí)，由于紗線產(chǎn)生的飛花比較嚴(yán)重，且碳纖維為導(dǎo)電材料，為減少對(duì)碳纖維復(fù)絲的破壞以及避免設(shè)備中電子元件的損傷，應(yīng)利用較低的編織速度進(jìn)行碳纖維復(fù)絲的編織。在長(zhǎng)期進(jìn)行碳纖維編織生產(chǎn)的試驗(yàn)室以及車間里，應(yīng)利用塑料袋等非導(dǎo)電材料對(duì)周邊電器設(shè)備采取保護(hù)措施。

3 結(jié) 論

1)二維編織過(guò)程中碳纖維復(fù)絲瓷眼處折角磨損的影響因素大小排序?yàn)椋籂恳?折角>編織速度。

2)碳纖維二維編織過(guò)程中，紗線牽引力越大、紗線與瓷眼中心軸線所成夾角越大、編織速度越快，紗線起毛越嚴(yán)重，致使紗線斷裂強(qiáng)力下降，易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

3)編織節(jié)距的減小和編織紗線根數(shù)的增加，都會(huì)使得紗線排列越緊密，管狀織物的面密度增加，同時(shí)也加重因紗線磨損出現(xiàn)的織物表面的起毛現(xiàn)象。二維編織管狀織物整體斷裂強(qiáng)力隨編織紗線根數(shù)的增加而增加。

4)碳纖維為脆性材料，紗管纏繞過(guò)程應(yīng)控制采用低速纏繞以減少紗線飛花的產(chǎn)生，從而降低對(duì)紗線的損傷。同時(shí)適當(dāng)縮小紗管纏繞寬度，可達(dá)到降低編織過(guò)程中紗線退繞張力的目的。

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