（纺织工程专业论文）纬编针织结构增强复合材料的制造及其力学性能研究.pdf

纬编针织结构增强复合材料的制造及其力学性能研究 摘要 纬编针织结构具有良好的延展柔顺性和较高的生产效率，作为复 合材料的增强体赋予了复合材料良好的成型性、抗冲击性和较低的生 产成本。但是与其它纺织结构复合材料相比，有关纬编针织结构复合 材料的研究还相对较少。虽然有较多的研究集中在纬编轴向增强结构 复合材料，以及基于线圈几何模型的纬平针织结构复合材料力学性能 的理论分析，但多种纬编结构复合材料的力学性能以及各种基本线圈 结构对其力学性能的影响的研究仍然较少。正因为如此，本论文把多 种纬编针织结构增强复合材料的加工制造和它们的力学性能作为主 要的研究对象，分析各种线圈结构单元和参数，如线圈长度、浮线、 集圈等对复合材料力学性能的影响。希望本论文的研究结果对纬编针 织增强复合材料应用具有一点参考价值。 论文主要包括以下三部分的内容： 1 针织结构增强体在电脑横机上的编织。为探讨不同针织物组织 结构单元和参数，主要是线圈长度、浮线、集圈等对复合材料力学性 能的影响，选择了平针、满针罗纹、平针衬垫、半畦编、畦编、双罗 纹、双罗纹空气层、双面平针一集圈复合组织八种组织结构和5 种不 同线圈长度( 弯纱深度) 的双罗纹组织在电脑横机上进行编织。通过 试织，找出了上述针织结构合适的编织工艺参数，并对工艺参数进行 优化，采用玻璃纤维顺利地编织出上述纬编针织增强结构。 2 纬编针织结构增强复合材料的制备。本论文研究的主要是刚性 复合材料，以不饱和聚酯树脂为基体，与电脑横机上编织的不同纬编 针织织物进行成型加工。成型工艺采用的是真空模塑树脂转移技术， 通过选择合适的工艺参数，顺利加工出了纬编针织结构复合材料，为 下一步的力学性能的测试与分析提供所需的试样。 3 纬编针织结构复合材料力学性能测试与分析。复合材料的力学 性能涉及到多个方面，考虑到工作量和研究的深度，对最基本的拉伸 性能和弯曲性能进行了试验，特别是对拉伸性能作了较为详细的分析 和讨论，探讨了不同的针织物结构单元和线圈长度对复合材料力学性 能的影响，对纬编针织结构复合材料的破坏形式也进行了分析讨论， 其结果对于进一步加深对纬编针织结构复合材料力学性能的理解有 很大的帮助。 本课题达到了预期的目的，加工出各种纬编针织结构复合材料并 分析讨论了它们的力学性能。另外，针对各个阶段中出现的问题，作 者还给出了建议和改进的方法，为以后的研究提供参考。 关键词：针织，纬编结构，纺织复合材料，v a r t m ，力学性能，破 坏形式 东华大学硕上学位论文 as t u d yo ft h ef a b r i c a t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ew e f t k n i t t e ds t r u c t u r a l r e i n f o r c e dc o m p o s i t e s a b s t r a c t w e f tk n i t t e d f a b r i c sa r ec h a r a c t e r i z e d b ys u p e r i o re x t e n s i b i l i t y , c o n f o r m a b i l i t ya n dh i g hp r o d u c t i v i t y , a n dt h ec o m p o s i t e sr e i n f o r c e db y w e f t k n i t t i n gf a b r i c sp o s s e s sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sb e t t e rf o r m a b i l i t y a n di m p a c tr e s i s t a n c e ，l o w e rm a n u f a c t u r i n gc o s t sa n ds oo n c o m p a r e d w i t ho t h e rt e x t i l es t r u c t u r a lr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ，i n v e s t i g a t i o n so nt h e w e f tk n i t t e df a b r i cr e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa r e l i m i t e d a l t h o u g hm o r e i n v e s t i g a t i o n s w e r ef o c u s e do nt h el a i d - i nw e f tk n i t t e dr e i n f o r c e d c o m p o s i t e sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s e so ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e p l a i nw e f ts t r u c t u r a lc o m p o s i t e sb a s e do nt h eg e o m e t r i c a lm o d e l s ， i n v e s t i g a t i o n so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sp r o d u c e d w i t hab i gv a r i a t i o no fw e f t - k n i t t e ds t r u c t u r e sa n di n f l u e n c e so fd i f f e r e n t l o o ps t r u c t u r e sh a v es t i l lb e e nl i m i t e d t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sf o c u s e si t s t a r g e to nf a b r i c a t i o no ft h ec o m p o s i t e sr e i n f o r c e db yv a r i o u sw e f tk n i t t e d s t r u c t u r e sa n dt h e i rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e so ft h e d i f f e r e n tl o o ps t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r ss u c ha sl o o pl e n g t h ，f l o a ta n d 东华大学硕士学位论文 t u c ko nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h er e i n f o r c e dc o m p o s i t e s i ti s e x p e c t e dt h a tt h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h i st h e s i sc o u l db et a k e na s r e f e r e n c ei nt h ea p p l i c a t i o no ft h ew e f tk n i t t e ds t r u c t u r e sf o rc o m p o s i t e r e i n f o r c e m e n t t h et h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ： ( 1 ) p r o d u c t i o no ft h ew e f tk n i t t e ds t r u c t u r e so na ne l e c t r o n i cf l a t k n i t t i n gm a c h i n e i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c e so ft h ed i f f e r e n t l o o ps t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r s ，m a i n l yl o o pl e n g t h ，f l o a t ，t u c ko nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ek n i t t e dr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ，e i g h td i f f e r e n t w e f t k n i t t e d s t r u c t u r e s ：j e r s e y , r i b ，f l e e c i n gs t r u c t u r e ，s e m i - c a r d i g a n ， c a r d i g a n ，i n t e r l o c ka n dd o u b l ep l a i n t u c ks t r u c t u r ea sw e l la si n t e r l o c k s w i t hf i v ed i f f e r e n tl o o pl e n g t h sw e r ec h o s e na n dk n i t t e do na ne l e c t r o n i c f l a t k n i t t i n gm a c h i n e t h r o u g hp r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t s ，t h ek n i t t i n g p a r a m e t e r s f o rt h ea b o v ek n i t t e ds t r u c t u r e sw e r ed e t e r m i n e da n d o p t i m i z e d b yu s i n gg i v e nt h e s ep a r a m e t e r s ，t h ea b o v es t r u c t u r e sw e r e s u c c e s s f u l l yp r o d u c e dw i t hg l a s sf i b e rf i l a m e n t s ( 2 ) f a b r i c a t i o no ft h ew e f t k n i t t e dr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s t h et h e s i s w a sa i m e da t r i g i dc o m p o s i t e s ，t h e r e f o r e ，u n s a t u r a t e dp o l y e s t e rw a s c h o s e na sm a t r i xt of a b r i c a t et h ec o m p o s i t e sw i t he i g h tw e f t k n i t t e d s t r u c t u r e s t h ef a b r i c a t i o n p r o c e s s u s e dw a sv a r t m b ys e l e c t i n g a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s ，t h ew e f tk n i t t e ds t r u c t u r a lr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s w e r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e da n dt h u s t h es p e c i m e n sw e r er e a d yf o r 东华大学硕士学位论文 t e s t i n ga n da n a l y z i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nt h en e x ts t e p ( 3 ) t e s t sa n da n a l y s e so ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew e f t k n i t t e dr e i n f o r c e d c o m p o s i t e s f a b r i c a t e d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o m p o s i t e si n v o l v es e v e r a la s p e c t s t a k i n gi nc o n s i d e r a t i o no nw o r k l o a d a n dd e p t ho fs t u d y , o n l yt w ot y p i c a lt e s t s ，i e ，t e n s i l ea n df l e x u r a lt e s t s w e r ec a r r i e do u t t h et e n s i l ep r o p e r t i e so ft h er e i n f o r c e dc o m p o s i t e sw e r e p a r t i c u l a r l yi n v e s t i g a t e d i nm o r ed e t a i l ，a n a l y z i n gh o wd i f f e r e n tl o o p s t r u c t u r e sa n dl o o pl e n g t ha f f e c tt e n s i l e p r o p e r t i e s o ft h er e i n f o r c e d c o m p o s i t e s b e s i d e s ，t h ef r a c t u r eb e h a v i o r so ft h ec o m p o s i t e sw e r ea l s o d i s c u s s e d t h er e s u l t so b t a i n e dw i l lb ev e r y h e l p f u l i nt h e b e t t e r u n d e r s t a n d i n go fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew e f tk n i t t e dr e i n f o r c e d c o m p o s i t e s t h ew o r kh a sa c h i e v e di t s o r i g i n a lo b j e c t i v e ，i e ，p r o d u c i n go u t d i f f e r e n tw e f tk n i t t e ds t r u c t u r a lr e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa n di n v e s t i g a t i n g t h e i rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s f u r t h e r m o r e ，f o r t h e p r o b l e m s m e ti n d i f f e r e n t p e r i o d s o f e x p e r i m e n t s ，s u g g e s t i o n s a n dm e t h o d sf o r i m p r o v e m e n tw e r eg i v e na n dt h e s ec o u l db er e f e r e n c e di nt h ef u t u r e s t u d i e s d a iq i n g c h u n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rh uh o n g k e yw o r d s ：k n i t t i n g ，w e f tk n i t t e ds t r u c t u r e s ，t e x t i l ec o m p o s i t e s ，v a r t m ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f r a c t u r eb e h a v i o r 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体7 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鼓蠢唇 日期：- 砌, - 7 年j 月毕日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 7 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 ， ， 不保密日。 学位论文作者签名：载季吾 日期：纠旷阵1 月毕日 指导教师签名：七分( i 肛 日期：砷f 月j - 日 东华人学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 纬编针织增强复合材料的发展概况 1 1 1 纬编针织增强复合材料的发展历程 纬编针织增强复合材料作为纺织复合材料的一个分支，是随着纺织复合材 料的发展而发展起来的。要了解它的发展状况，要从纺织复合材料的发展历史 看起【1 2 】： 2 0 世纪4 0 年代：性能良好的第一代玻璃纤维增强复合材料。但仅限于单 向、短切纤维。 2 0 世纪5 0 年代：玻璃纤维机织材料被应用于复合材料。 2 0 世纪8 0 年代后期：纺织复合材料迅速发展，大量的预制件在各方面应 用。 2 0 世纪9 0 年代：针织结构用于复合材料开始受到关注，研究也日益增多 与深入。 1 1 2 纬编针织增强复合材料的发展现状 目前，对纬编针织增强复合材料的应用还没有明确的统计数据。作为产业 用纺织品的一个重要分支，产业用纺织品的结构组成对定性的了解各类纺织增 强复合材料所占的比重具有一定的参考价值。 机织物是传统应用于产业的纺织品，并且一直在产业用纺织品中占有主导 地位，但近年来其占有率下降很多；与此同时非织造布增长迅速；针织物目前 的市场份额虽然还不是很高，但增长率在几种纺织品中却是最高的。图1 - 1 显 示了应用于复合材料增强体的各类针织结构所占的比重【3 羽。 东华太学碰十学位论文 第一章绪论 口# 编 l 编 “ 编 图1 - 1作为复合材料增强体的并娄针织结构所- l 的比重 针织结构作为增强材料使用较多的一般为经编【6 】。经编针织物具有尺寸稳 定和延伸率小等特性，特刷是双轴向和多轴向衬纬经编针织物进一步优化了这 种性能，用它制成的复合材料比机织物具有更高的拉伸强度和模量，所以经编 针织物摄先受到人们瞩目，并且一直占有最大的市场份额；纬编结构易变形， 在过去被认为不适合作为复合材料增强体，而近十几年来，由于它的一些独特 性能，研究开始增多与深入，被应用于航天、航海及交通等的一些特殊领域p j 纬编针织物作为增强材料也得到了迅速的发展。 1 2 纬编针织结构及其增强复合材料的性能 1 上1 纬编针织结构的特性 纬编针织结构是由纱线弯曲成的线圈沿横向互相联系祁纵向互相串套而成 的。线圈的三维弯曲以及相邻线圈之间的相互联系方式，使纬编针织物作为复 合材料增强体与其它增强体相比，具有_ 卜列优点】： 延展性柔顺性较好，适宜树脂转移模压复合材料的自l l a - ，无褶镀变形保证 了成品件的流畅成型。深延伸、热冲压和无损耗网状成型等仿金属成型的技术， _ u 丁为纬编钳织复合材料，f 创新的应用。 町通过= 维全成型整体针织技术，制成形状复杂的构件，能避免因织物裁 减与拼接造成的原料耗损和结构不均匀。 线圈的三维几f u 结构司使纤维取向被直体地固定，保证了纤维墩向的稳定 和f jl 纠器热塑变彤区域中纤维含量的均等，并可避免层瓜复合材料中易形成的 状结构干脱联。 i 东华大学硕士学位论文第一章绪论 通过预延伸，纱线的取向可以根据需要而调整。 良好的抗冲击疲劳性能。 纬编针织工艺流程短，生产效率高和生产成本低。 虽然纬编针织增强复合材料具有上述优点，但也存在一些不足。主要表现 在【1 m 1 1 】： 在承受平面载荷时，三维弯曲线圈中的纤维与加载方向并不完全一致，因 而复合材料的模量和强度较低，应变较大。 在针织过程中纱线受到较大的弯曲，给高模量脆性纱线的成圈带来困难， 并可能造成纤维的损伤。 线圈结构使针织物中纱线的排列难以达到很紧密，从而影响到复合材料中 纤维的体积含量。 上述不足，可以通过在纬向衬入纱线、开发新型针织结构和优化编织工艺 来改进【1 2 1 5 1 。 1 2 2 纬编针织增强复合材料的性能 图1 - 2 给出了目前主要应用的六种增强体复合材料的一些性能比较【7 】【1 6 1 。 需要说明的是这并不是它们性能的详尽对比，而仅仅是提供一个定性的了解。 层间破 坏强度 复杂形 状的可 制作性 低高 l r 高低 ， 高 ， ， 一， 低， ， ， 一 一 ， ， ， 1 低 上 高 - l ? 强力 强度 材料 生产 成本 图1 - 2目前主要六种增强体复合材料性能比较 比较的第一个性能是强力和强度。针织结构增强复合材料的强力和强度要 3 皿脚物 卷织 无曲物 织编结 机和织构 织构针结 续丝维 连长纤毡 纤束短维 东华大学硕士学位论文第一章绪论 高于连续长丝纤维毡增强复合材料，低于非织造布和机织结构增强复合材料； 另一方面，针织结构增强复合材料各向异性要优于非织造布和机织结构增强复 合材料，这在复合材料很多方面的应用中都是一个突出的优点。除了它适中的 机械性能以外，针织结构复合材料以其独特的性能应用于一些特殊的领域。 第二个比较的性能是层间破坏性能。据h u y s m a n s 等人的研究表吲1 刀，针 织结构增强复合材料的层间破坏强度与非织造布增强复合材料相比可提高5 倍。原因不难理解，在多层增强体复合材料的复合工艺中，针织结构受压后要 比非织造布结合的紧密。这是由于针织结构线圈的圈套，在织物上形成一些小 洞。这些小洞使得织物表面凹凸不平，复合后各层间很难分离。图中对短纤和 连续长丝纤维毡的层间破坏强度未作分析，因为前者尚未做过层间复合工艺， 而后者的性能被认为与层间破坏无关。 图中比较的第三个性能是对于复杂大构件的可制作性能。“复杂”的意思是 指复合材料的某些部位的表面具有很高的曲率，如管状物、圆锥体、球体等。 当这种形状的复合材料以非织造布增强体来制作时，要避免增强体表面的褶皱 已经很难做到，更不用说保证它们理想的几何形状了。另外，非织造布作为增 强体在制作前为避免浪费要剪到合适的形状；而针织结构增强复合材料可充分 利用它们的良好的适型性能制作成几乎所有的形状，通过选用合适的针织结构， 应变可达1 0 0 甚至更高。纤维毡也被用来制作几乎任何形状的复杂构件，但 在一些尖角部位纤维毡增强复合材料容易裂开，而形成薄弱环节；而针织结构 由于线圈的圈套，其增强复合材料各部位中纤维的体积含量几乎是相同的；短 纤增强复合材料也存在同样的问题。在各种增强体制作复杂形状应用数量的比 较中短纤增强复合材料位居第一，这主要是因为短纤增强复合材料一般采用喷 射成型复合工艺，在大规模成产中有利于节约成本。喷射成型复合工艺为短纤 增强复合材料提供优势的同时也为它带来了很大的缺限：取向度难以控制。而 针织结构增强复合材料的取向度主要取决于针织结构，复合工艺对它的影响不 是很大。 最后比较的一个方面，也是具有决定性的方面，便是成本。在计算中增强 体和复合工艺包括树脂和设备的成本都应该考虑在内。在这方面，针织增强复 合材料很难测定，因为用于增强复合材料的针织结构仍在开发阶段，而适用的 4 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 复合工艺数量也很少，但无论是从增强体的生产还是从复合工艺柬看，其前景 都很广阔。针织在服装工业的发展已经很成熟，可从中借鉴一些技术。专家预 测，针织材料的生产成本可降低5 0 1 ”i 。同样的，针织增强复合材料的复合工 艺成奉也有可能很低：从增强体来讲，针织结构织物由于良好的适型性，仅需 必要的裁剪，可将材料浪费降低到最低：从复合工艺来讲，针织物在复合成型 过程中不需要太大的压力，这样对生产设备的要求降低因此可降低成产成本。 综合考虑可发现，针织增强复合材料的制造成本很具有优势。 1 , 3 纬编针织增强复合材料的应用 1 3 1 用于复合材料增强体的纬编结构 纬编针织结构用作复合材料增强体仅仅二十几年的历史，但随着针织技术 的发展与创新，许多生产设备被成功设计或改造，许多高性能纤维被用柬生产 甲面的、半成型的和伞成型的针织物，这也为树脂复合材料增强体提供了更大 的选择空间。目前国内外纬编针纵物增强复合材料的研究和应用中所涉及的纬 编针织结构归纳起来有以下几种i ”】： 1 , 3 1 1 基本结构 国内外研究较多的纬编结构有平针、罗纹、米拉诺罗纹、双罗纹等结构。 它们都是纬编中的几个基本结构，其同特点是结构简单编织容易、应用方便。 1 3 1 2 三维成型结构 三维成型结构主要是指在电脑横机上编织的三维空心结构，其基本结构多 使用纬平针、罗纹或双罗纹等。形状有管形、箱形和曲面等。三维成型的特点 足整体编织，纱线在结构中的连续性好结构的力学性能比较均匀，整体性好。 f 1 1 间隔结构。通过纱线或织物层将两片或多片独立的织物结构连接在。 起。根据连接结构的不同可分为纱线连接间隔结构和织物连接间隔结构。如图 1 3 给出了种织物连接的问隔织物。 1 、 吲1 - 3 够l 物连接间隔站构 f 2 1 管形结构。其基础结构常采用、f 针或村挚结构。如图i - 4 不 糸毕大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 4 管形结构 ( 3 ) 曲面结构。如图1 5 示。 囵臻 “1 曲面全成l ”结构 ( b ) 、f 球体全成型( 0 头盎 图1 - 5 曲面结构 1 , 3 1 - 3 轴向增强结构 纬编轴向增强结构是由纬编地组织针织纱来捆绑衬经、衬纬纱形成的。针 织纱多采用较细较柔软的高强纤维纱，衬经、村纬纱使用较丰h 较硬的高性能纤 维纱。衬纱提高了地组织在衬纱方向的强度，比经编轴向结构有更好的成形性。 地组织可以是单面平针、双面平针、罗纹、双罗纹等。根据衬纱衬入的方向可 分为单轴向衬纬结构、双轴向衬经衬纬结构和多轴向结构。如图1 - 6 所示。 黼粼鎏 ( a ) 单轴向衬纬结构( b ) 般轴向村经衬纬站构( c ) 多轴向结构 图1 - 6 轴向增强结构 东华大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 7 玻璃纤维编织的飞轮 1 3 2 纬编针织增强复合材料的主要应用领域 纬编针织结构由于其独特的性能，受到国内外研究学者的关注。随着新的 结构不断的被开发，纬编针织增强复合材料在下列领域正得到越来越多的应用 1 0 i i v , - 叼： 汽车工业：纬编针织物的成形性能和树脂传递模塑工艺( r t m ) 特别适合 了汽车壳体的生产。它小仅可以取代传统的金属材料，而且还具有庭好的耐冲 击性能这对于赛车尤佳。此外该上艺也能满足大批量生产的要求。 航天与航海工业：多年前，就有学者研究用针织玻璃纤维，酚醛树腊复合材 料来取代金属制造亚音速和超音速火箭的前锥体。目前，飞行器和舰船的壳体、 翼片和螺旋桨等均有采用纬编针织复合材料。 形状复杂的产品与构件：利用全成型纬编针织技术，可以次织造 i j 无须 裁剪与拼凑的三维增强结构，如t 型三通管，凸缘管道，头盔和体育运动器材 等。 医学生物工程：对于某些移植器官，例如骨片，须具备定得的承载能力。 而纬编针织复合材料的力学性能可以满足长骨的承载需要。这加速了骨折的愈 台，防l 卜了骨质疏松。聚合物覆盖的表面可防止由于纤维颗粒的释放造成的副 作用。还有采川涤纶纬编针织物聚氩酯合成的柔性复合材料，它具有良好的生 物适应性和力学性能，可用作某些人体软组织和移植器官。 1 4 本课题研究的目的、意义与内容 1 4 1 纬编针织增强复合材料研究现状 从前i a l 的介绍中我们可知纬编针织结构作为复含材料增强体具有许多独特 东华大学硕上学位论文 第一章绪论 的性能，近十几年来国内外的许多学者对其研究越来越多，有了迅速发展。但是 由于发展历史较短，对其研究还不是很完善，表现在以下几个方面【1 1 l1 2 8 - 3 3 1 ： 针对针织结构增强体的特点，许多学者建立了线圈几何模型，并对其进行了 详尽的理论分析。但某种具体的模型仅适用于某些特定的结构，并且与实验结果 吻合程度不够理想。 7 目前主要是针对某种针织结构多层复合的研究，7 对于层间破坏的研究较多， 对单层结构的研究较少。 对于具体的线圈结构单元和参数，如线圈长度、浮线、集圈等对复合材料性 能影响的研究较少。 纬编针织增强复合材料应用的范围虽然很广，但主要针对一些科研方面的高 端产品，尚未达到大规模生产使用，其优越性未充分发挥出来。 1 4 2 本课题研究的目的及意义 由于线圈几何模型的建立与理论分析，国内外学者已经做了较多的研究，所 以本课题重点不是理论分析，而是实验研究；由于目前对多层增强结构复合材料 的层问破坏性能研究较多，所以本课题主要针对单层针织结构复合材料。实验设 计的目的是考察基本的线圈单元，如线圈长度、浮线、集圈等对复合材料力学性 能的影响。为便于控制与分析，从复合材料增强体的编织、树脂的复合工艺到力 学性能的测试均由作者本人操作。希望本论文对进一步推广纬编针织增强复合材 料的应用具有一点参考价值。 1 4 3 课题内容 综合考虑实验量和实验条件双方面的因素，本课题按照实验进程包括以下内 容： 第一阶段：针织增强复合材料在电脑横机上的编织 为探讨不同针织物组织结构单元和参数，主要是线圈长度、浮线、集圈等 对复合材料力学性能的影响，本论文选择了平针、满针罗纹、平针衬垫、半畦 编、畦编、双面平针一集圈复合组织、双罗纹、双罗纹空气层八种组织结构， 并且双罗纹组织采用5 种不同的线圈长度编织。 第二阶段：复合材料试样的制备 本论文研究的主要是刚性复合材料，以不饱和聚酯树脂为基体，与纬编针 8 东华人学硕士学位论文 第一章绪论 织增强针织物复合。复合工艺采用了真空模塑树脂转移技术，探索其复合成型 工艺，为力学性能的测试和分析提供试样。 第三阶段：纬编针织增强复合材料拉伸与弯曲性能的实验设计与分析 复合材料的力学性能涉及到多个项目，考虑到工作量和研究的深度，本论 文只对最基本的拉伸性能和弯曲性能作测试，其中对拉伸性能作较为详细的分 析，弯曲试验只是作为补充。探讨不同的针织物结构单元对复合材料力学性能 的影响。 9 东华大学硕士论文 第二章纬编针织结构在电脑横机卜的编织 第二章纬编针织结构在电脑横机上的编织 本章介绍第一阶段的实验设计。包括纬编针织结构编织原料的选取，编织 机器的选择、织物结构设计和工艺参数的优化四部分内容。 2 1 编织原料的选取及其力学性能 2 1 1 编织原料的选取：玻璃纤维 在编织原料选取上主要考虑以下两方面的因素： 一方面，由于复合材料的刚度和强力在很大程度上是是由增强纤维的性质 决定的，所以增强纤维最好选用高强高模量纤维； 另一方面，本课题主要着眼于纬编针织增强复合材料应用的推广，增强材 料要具有成本优势，即要有较低的成本。 基于以上考虑，选用近年来被广泛应用于复合材料增强纤维的玻璃纤维。 实验中所用原料为单纤直径8 0 脚，线密度2 4 t e x ，强力9 9 4 c n 的无碱玻璃 纤维。 2 1 2 玻璃纤维的力学性能 玻璃纤维的单丝直径一般为3 - 3 0 1 a m 。一般情况下，织造用的玻璃纤维单丝 直径在9 1 a m 以内。玻璃纤维的密度为2 4 2 7 9 c m 3 ，高于有机纤维低于金属纤维， 比棉纤维、羊毛纤维、尼龙纤维等要大得多。本课题主要是考察复合材料的力 学性能，所以，这里仅对玻璃纤维与力学相关的性能作简单的介绍【2 】【3 4 l ： ( 1 ) 拉伸强度。玻璃纤维力学性能的最大特点是拉伸强度高，直径3 - 9 9 i n 的玻璃纤维的拉伸强度可高达1 5 0 0 4 0 0 0 m p a ( 5 6 1 4 8 c n d t e x ) 。 ( 2 ) 弹性模量和延伸率。玻璃纤维的弹性模量约为7 10 4 m p a ( 2 7 5 6 c n d t e x ) ， 约与金属铝的弹性模量相当，是普通钢弹性模量的三分之一。玻璃纤维的延伸 率很低，一般只有3 左右，属于脆性特征的弹性材料，其扭曲强度及剪切强度 较低。 ( 3 ) 耐磨性和耐扭折率。玻璃纤维的耐磨性和耐扭折性均很差，耐磨和扭 曲很容易使纤维受伤断裂。 1 0 东华大学硕上论文第二章纬编针织结构在电脑横机上的编织 ( 硬度。玻璃纤维的硬度很高，为锦纶的1 5 倍。玻璃纤维的硬度与其固 有的脆性结合，构成了突出的低弯曲阻抗性。 表2 - 1 对常用的几种纤维作了对比【3 钔。从表格可以看出，在几种常用纤维 的对比中，玻璃纤维的拉伸强度最高。高强度特性使玻璃纤维获得了广泛的应 用，并已发展成为新型的工程材料和结构材料。 表2 - 1 几种常用纤维力学性能对比 弋 缈密度 单丝直径拉伸强度弹性模量 纤维种类 ( g c m 3 ) ( u r n )( 口a )( m p a ) e 玻璃纤维 2 5 9 3 3 02 5 0 0 3 5 0 07 0 0 0 0 尼龙1 1 41 d 4 05 0 0 8 5 01 5 0 - 4 0 0 0 棉1 5 01 73 5 0 8 0 01 3 0 0 0 羊毛 1 3 2 2 8 2 0 02 0 0 0 碳纤维( 高强) 1 7 4 7 1 03 0 0 02 3 0 0 0 0 碳纤维( 高弹) 1 8 18 1 02 5 0 04 0 0 0 0 0 2 1 3 玻璃纤维纱线的编织性能 脆性大、柔性小、断裂伸长率低，不利于纺织是高强高模量纤维共同的缺 点，限制了它们在编织材料方面的应用；玻璃纤维除具有上述不足之外，还具 有摩擦系数过高、纱线抗弯刚度过大的缺点，使得编织难度更大。 尽管如此，玻璃纤维出色的力学性能和成本优势吸引着许多学者对其编织 性能进行研究，并且取得了一定的成果，促进了它作为针织结构增强体方面的 应用。 2 2 编织机器的选择 2 2 1 编织机器的选择：电脑横机 选择好编织用的纱线，接下来便是编织机器的选用了。目前玻璃纤维编织 主要还是手摇横机，但有渐渐向电脑横机过渡的趋势。本课题选用电脑横机编 织，因为与手摇横机相比，电脑横机在玻璃纤维的编织性能上具有以下的优点： ( 1 ) 电脑横机织针的表面比手摇横机织针的表面光滑，摩擦力较小，从而 编织张力较小。 东华大学硕上论文第二章纬编针织结构在电脑横机上的编织 ( 2 ) 手摇横机上不带沉降片，牵拉系统完全是通过定幅梳栉和牵拉重锤完 成的，要使旧线圈顺利退圈，只得适当增大牵拉力，而电脑横机上装有可控沉 降片，起到牵拉和握持的作用，这样就可以大幅减小牵拉力，从而使纤维损伤 减少。 ( 3 ) 电脑横机通过电脑编写程序控制编织，结构变化灵活、方便。 ( 4 ) 电脑横机代表了更高的技术。目前，国内外纬编横机针织领域都大量 引进电脑横机设备来提高生产效率和产品质量，这样易形成产业化。 2 2 2 电脑横机简介 本课题选用了德国s t o l l 公司的c m s 3 0 3 t c 型电脑横机，机号为1 2 。下面 对c m s 3 0 3 t c 型电脑横机作简单介绍【3 5 。3 8 】： ( 1 ) 主要编织机件及其三角系统 舌针：选用带弹簧针舌的舌针，针舌设计为专利，能确保针舌打开，减少 漏针，在翻针时，接圈的针舌肯定打开，使翻针稳定不会脱圈，更重要的是可 防止针舌撞纱嘴，使织针消耗降低7 0 。 沉降片：采用了具有专利技术的可控沉降片，沉降片位于针床齿口部分的 沉降片槽中，当退圈时，两针床上的沉降片闭合，握持住旧线圈的沉降弧，防 止旧线圈上浮，可起到牵拉和握持的作用，比早期的压脚好。 三角系统：机头内安装了3 个编织系统，每个系统的工作是独立的，并且 工作与否取决于编织工艺和程序设计。三角系统的性能非常先进，其结构却比 较简单。 ( 2 ) 机器控制台 触摸控制技术_ t c 。采用先进的触摸控制技术。屏幕显示采用国际通用的 图形标志来表示各个菜单，屏幕还能够清晰地显示当前的编织状态。 ( 3 ) 其它技术特点 采用双位无磨损电子选针技术，每一系统具有三路编织技术，不因停电而 造成废品，该选针器为专利，使用永久磁铁直接选针。 编织灵活性大，品种变化多样，可任意调换针板、织针，移动针床达l o c m ( 4 英寸) ，在同一横列中允许有8 个不同密度，采用分针技术，可使花型结构更加 完美。 1 2 东华大学硕士论文第二章纬编针织结构在电脑横机， 二的编织 2 3 织物结构设计 2 3 1 相同弯纱深度不同结构的编织 为分析不同针织结构单元对复合材料力学性能的影响，在电脑横机上编织 八种组织，平针组织、平针衬垫组织、半畦编组织、畦编组织、双面平针一集 圈复合组织、满针罗纹组织、双罗纹组织、双罗纹空气层组织。将八种组织分 为3 组，如下： 第一组：平针组织、平针衬垫组织。用来分析增强织物衬入浮线对复合材 料力学性能的影响。 第二组：半畦编组织、畦编组织、双面平针一集圈复合组织。用来分析增 强织物中加入集圈对复合材料力学性能的影响。 第三组：双罗纹组织、双罗纹空气层、满针罗纹。分析不同结构的罗纹组 织对复合材料力学性能的影响。 下面将具体介绍所要编织的八种组织【3 9 删。 ( 1 ) 第一组织物组织： 平针组织。单面纬编针织物中的基本组织。它由连续的线圈单元串套而成。 平针组织由于线圈在配置上的定向性，因而在针织物的两面具有不同的几何形 态，正面的每一线圈具有两根与线圈纵行配置成一定角度的圈柱，反面的每一 线圈具有与线圈横列同向配置的圈弧。编织图如图2 - 1 ( a ) 所示。 平针衬垫组织。以一根或几根衬垫纱线按一定的比例在织物的某些线圈上 形成不密封的悬弧，在其余的线圈上呈浮线停留在织物反面的一种花色组织。 其基本结构单元为线圈、悬弧和浮线。本课题所选用的是为以平针为地组织的 平针衬垫。地纱编织平针组织，衬垫纱按1 ：1 的比例编织成不封闭的圈弧悬挂 在地组织上。在衬垫纱和平针线圈沉降弧的交叉处，衬垫纱显示在织物的正面。 编织一个完全横列需要两个编织系统。编织图如图2 1 ( b ) 所示。 2 * 卅 ( a ) 平针组织 lilill 1 丫甲甲啊 ( b ) 平针衬垫组织 图2 1 第一组组织编织图 1 3 东华人学硕士论文第二章纬编针织结构在电脑横机上的编织 ( 2 ) 第二组织物组织： 半畦编组织。集圈只在织物的一面形成，两个横列完成一个循环。第一横 列织罗纹，第二个横列前针床正常编织，后针床集圈。由于结构的不对称，两 面外观效应不同。编织图如图2 - 2 ( a ) 所示。 畦编组织。集圈在织物的两面形成，两个横列完成一个循环。在织物的两 ， 面，每个线圈上都有一个悬弧。畦编组织由于结构对称，两面外观效应相同。 编织图如图2 2 ( b ) 所示。 双面平针一集圈复合组织。集圈在织物的两面交替形成，六个横列完成一 个循环。第一、二横列分别在前针、后针床正常编织：第三横列在前针床集圈， 后针床正常编织；第四、五横列分别在前、后针床正常编织；第六横列在前针 床正常编织，后针床集圈。通过集圈将在两个针床上编织的平针组织连接在_ 起。编织图如图2 - 2 ( c ) 所示。 2 州蝌2 懈燃 1 一 ( a ) 半畦编组织 4 器5 姓6 4 隔5 黹6 1 1 型，2 础3 研。l 。l i 。i ( b ) 畦编组织 ( c ) 双面平针一集圈复合组织 图2 2 第二组组织编织图 ( 3 ) 第三组织物组织： 满针罗纹。两个针床针槽相错编织1 + 1 罗纹。织物中正反面线圈纵行1 + 1 相问配置。织物紧密、平整，尺寸稳定，弹性好。编织图如图2 - 3 ( a ) 所示。 双罗纹组织。由两个罗纹组织彼此复合而成，又称棉毛织物，即在一个罗 纹组织线圈纵行之间配置了另一个罗纹组织的线圈纵行，它属于一种双面变化 组织。在双罗纹组织的线圈结构中，一个罗纹组织的反面线圈纵行为另一个罗 纹组织的正面线圈纵行所遮盖，即不管织物横向是否受到拉伸，在织物两面都 只能看到正面线圈，因此亦可称之为双正面组织。由于双罗纹组织是由相邻两 个成圈系统形成一个完整的线圈横列，因此在同一横列上的相邻线圈在纵行彼 此相差约半个圈高。编织图如图2 - 3 ( b ) 所示。 1 4 椭懈 东华大学硕士论文第_ 二章纬编针织结构在电脑横机上的编织 双罗纹空气层组织。由双罗