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经编针织物增强复合材料结构与性能研究

秦志刚  
【摘要】:经编针织物具有多种结构的变化,所以它在复合材料的性能设计上具有较大的优越性。用于增强复合材料的经编针织结构以双轴向、多轴向织物最为常见,有关高模量纱线编织成圈的经编针织物增强复合材料研究和报道较少。由于经编针织物中的线圈弯曲程度较大,使增强纤维的刚度和强度利用率受到限制;此外,较低的纤维体积含量,高模量纱线在织造过程中容易受到损伤,从而降低了复合材料的力学性能。但是,相对于编织物和机织物等一些其他类型的增强复合材料,经编针织复合材料的优势也非常明显,如生产率高,成本低,耐冲击,适应复杂形状的能力等。因此,有必要对玻璃纤维等高模量纱线经编针织物的编织工艺进行研究,减轻织造过程中纤维的损伤。更为重要的是从试验和理论两方面对经编针织物复合材料的结构及其力学性能进行深入研究,分析其刚度与强度的影响因素,建立理论预测模型,为其广泛应用提供理论支持。 本文的研究工作主要包括以下几个方面: 在第一章中,对针织复合材料的增强结构、编织工艺及力学性能的研究进展进行了较为详细的回顾和综述,对目前研究中存在的问题进行了分析,并阐述了本课题研究的目的、内容和意义。 第二章,通过试验分析了玻璃纤维纱线经编成圈的编织性能,探讨了整经工序应注意的几个问题,在拉舍尔舌针经编机上分别使用1-3把梳栉,编织了40种单面和双面经编针织物增强结构,研究了玻璃纤维经编针织物的编织工艺。一些组织结构的经编针织物在复合材料中首次涉及。 在单纱强力机上测试了玻璃纤维纱线的拉伸强度和绕过织针针头的钩接强度,并与涤纶长丝和涤/棉纱线进行了比较。研究发现,玻璃纤维纱线的钩接强度与针头直径有关,针头直径越小,强度越低,而且纱线的断裂点全部发生在针钩处。导纱针孔折弯强度测试结果显示,玻纤纱线穿过导纱针孔后倾斜角度越大,纱线强度越低。说明玻璃纤维虽然拉伸强度较高,但由于其脆性大,在弯曲和扭折时易发生断裂。在Z321整经机上将玻璃纤维纱线卷绕成盘头,整经过程中经纱断头多发生在集丝板和分纱筘处,经纱断头后应采用大接头的打结方式接头,要调整好经纱张力、整经速度等参数。在机号为E12的RMDU6拉舍尔舌针经编机上设计并编织了单梳、双梳和三梳织物,研究发现,影响玻璃纤维纱线经编编织性能的主要因素是织针尺寸和纱线在导纱针针孔处的弯曲曲率及包围角,弯曲曲率和包围角越大,纱线越容易断裂。在保证成圈顺利的前提下,应尽可能减小经纱送经张力。编织高密度织物时,纱线易受损伤,织物表面起毛现象严重,要调节好上机密度。在编织双梳织物时,断纱最容易发生在套圈阶段,最好采用针头宽度小的舌针。要编织结构紧密的双针床经编织物较为困难,编织过程中要防止前梳纱在前针床织针上漏针。 在第三章,介绍了不饱和聚酯树脂的性能特点,分析了经编针织复合材料的复合成型工艺。采用手糊成型工艺制备了经编针织物/不饱和聚脂树脂复合材料板材,以及树脂浇铸体和单向复合材料试样,并测试了材料的基本参数。测试结果显示,复合材料试样的纤维体积含量相对较低。 第四章,在万能材料试验机上测试了各种经编针织复合材料试样、树脂浇铸体和单向复合材料的拉伸性能,并对经编针织复合材料的纵向、横向与斜向应力应变曲线、弹性模量、断裂强度和应变的影响因素进行了分析。拉伸性能试验研究显示,不饱和聚酯树脂浇铸体的拉伸强度低、模量低,应变大,应力应变曲线呈非线性,且不存在屈服点。单向复合材料拉伸强度高、模量高,应变小,拉伸应力应变曲线基本呈线性关系。所有经编针织复合材料的拉伸应力应变曲线均为非线性,拉伸性能各向异性明显。它们的刚度和强度与试样宽度内的承载纱线数、纤维体积含量有关。单梳经平和变化经平织物增强复合材料存在一个普遍性的规律就是,沿0°方向(横列方向)的拉伸断裂强度和模量最高,45°方向次之,沿90°方向(纵行方向)最低;拉伸应变45°方向最小。双梳、三梳和双面经编织物复合材料的拉伸试验研究显示,织物织造过程中纱线的损伤会降低复合材料的力学性能。由于纱线断裂的不同时性,某些经编针织物复合材料纵向拉伸曲线具有明显的屈服阶段。在单梳经编组织的基础上增加一把编链梳栉后,能够提高了复合材料的纵向拉伸性能;采用局部衬纬梳栉,衬纬纱跨越的针距数越多,横向拉伸强度和模量越高。上述研究表明,通过改变经编针织物的结构、参数和纤维体积含量等因素时,使增强织物中纤维的取向发生变化,从而也使复合材料呈现出不同的强度、模量和各向异性特征等力学性能。因而,经编针织复合材料的力学性能具有很强的可设计性。 在第五章中,测试并分析了32种经编针织复合材料横向、纵向和斜向的弯曲强度和模量,结果表明:大多数复合材料的弯曲强度和模量与拉伸试验的结果比较一致,它们同样也与增强针织物的组织结构、纱线取向、承载纱线根数、纤维体积含量等因素有关;经编针织复合材料的弯曲力学性能也具有正交各向异性特征,各向异性程度与拉伸结果相近或稍小;大部分复合材料的弯曲模量比拉伸模量小;织造过程中对纤维的损伤对弯曲性能影响不明显,纤维与树脂界面脱粘对弯曲性能影响较大;经编双面织物复合材料具有良好的弯曲力学性能。 在第六章中,利用几何方法,根据玻璃纤维经平织物的线圈实际形态,对线圈结构作了合理的假设,建立了经平组织经编针织物的线圈几何模型。经与6种不同密度的实际经平织物对比,几何模型的线圈长度与实测线圈长度的差异均在3%以内,说明关于线圈模型的假设和建立方法是正确的。采用Pro/ENGINEER Wildfire 4.0建立的经平织物线圈三维几何模型与线圈实际形态较为符合。 第七章,利用Pro/ENGINEER Wildfire 4.0和Algor有限元分析软件,构建了经平织物复合材料的有限元分析模型,该模型是由经平织物的一个完全组织及其树脂组成的复合材料代表性体元。有限元法的计算步骤归纳为:建立分析模型与网格划分,单元分析,整体分析。在划分网格过程中,将模型离散为六面体与四面体形状的单元,选择分析类型为“非线性MES”,单元类型为块体。将增强织物的线圈视为正交各向异性的单向复合材料,树脂部分的单元材料模型选择了“使用等向强化模型的Von Mises曲线”。通过有限元分析与计算,得到了经平织物复合材料沿织物纵行和横列方向的拉伸应力应变分布,应力应变曲线和弹性模量。应力和应变等值云图显示,复合材料在受到拉伸时承受载荷的主要是构成线圈的玻璃纤维纱线。预测的纵横向拉伸应力应变曲线和弹性模量与拉伸试验实测结果对比发现,在应变较小时二者均具有较好的一致性。结果表明,建立的有限元分析模型和拉伸性能理论预测方法是正确的。 最后一章,对本文的研究结果和结论进行了总结,并对以后的进一步研究指出了方向。


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