三维正交织物的织造方式毕业论文.docx

摘 要随着三维纺织增强复合材料愈来愈多地应用到各个领域，使得三维纺织预制件的制造与改良也成为了纺织行业的新一课题。本文采用不同的织造方式经向接结、纬向接结、缝合连接来织造三维织物，探讨不同织造方式引起的不同的纱线屈曲、纤维取向、纤维体积分数、织物密度等对三维纺织预制件的力学性能的影响，给今后三维纺织预制件的制造提供一定的参考。关键词：经向接结； 纬向接结； 缝合连接； 复合材料； 强度试验 abstractwith the three-dimensional textile reinforced composites increasingly applied to various fields, making three-dimensional textile manufacturing and improved preform textile industry has become a new topic. in this paper, using different weaving methods-binder warp, weft stitching, weaving three-dimensional fabric sewn connections, explore different yarns woven in different ways due to buckling, fiber orientation, fiber volume fraction, three-dimensional textile fabric density affect the mechanical properties of the preform to the future three-dimensional textile preform manufacture to provide a reference.keywords: warp binder; zonal stitching; stitched connection; composite materials; strength test目 录0 前言11 三维复合材料概述21.1 几种常见的三维纺织增强复合材料21.1.1 三维正交机织物21.1.2 缝合连接三维纺织复合材料预制件31.1.3 角连锁三维机织物31.1.4 三维蜂窝状织物41.1.5 三维编织复合材料41.2 三维编织增强复合材料的应用51.2.1 航空航天领域的应用51.2.2 船舰领域的应用61.2.3 土工建筑领域的应用61.2.4 军事领域的应用61.2.5 医学领域的应用71.2.6 机动车辆领域的应用72 实验材料及装置设备82.1 实验原料的选择82.1.1 几种常用的三维纺织品原料82.1.2 材料性能及可织造性的分析82.1.3 本次实验选用的纱线原料92.2 主要实验设备及用具102.2.1 实验装置102.2.2 实验用具123 实验试样的织造及力学性能测试133.1 经向接结的三维正交织物的织造133.1.1 织造前准备133.1.2 穿综133.1.3 穿筘153.1.4 织造153.2 纬向接结的三维正交织物的织造173.2.1 穿综穿筘173.2.2 织造173.3 平纹布的织造及缝合183.3.1 平纹布上机图183.3.2 平纹布的缝合183.3.3 缝合层数的选择193.4 三种试样力学性能测试203.4.1 实验参数203.4.2 实验过程203.4.3 实验数据214 实验结果与讨论224.1 三维织物强度理论公式224.2 本次实验结果与理论公式得出结果之比较235 总结25武汉纺织大学2014届毕业论文设计0 前言在航空航天领域对高性能复合材料新需求的推动下，从20世纪80年代起，三维纺织技术得到了迅速发展。采用三维纺织预成型体增强的复合材料，具有优异的综合力学性能、更高的损伤容限以及卓越的抗烧蚀性能，为复合材料应用于主承力结构件和多功能结构件提供了广阔的前景。纺织结构复合材料除保持有层板复合材料的优点外，还在很大程度上改善了层板复合材料长期存在而无法解决的问题。其有着高效的分层抑制，更高的容损和卓越的冲击、弹道以及超过二维织物层压板的爆炸性能特点。同时，这种类型的复合材料在几乎连续的平直纤维中，比各自“传统”类型的三维联锁编织复合材料显示出更好的面内刚度和强度性能15。因此从其产生以来，得到了广泛的重视及发展，正逐渐在航空航天、国防军事、风能发电、土木工程等领域展现其优异的性能及广阔的发展前景。国外有学者对三维编织复合材料的弹性性能提出过一些分析模型，但是在公开发表的学术论文中，对三维编织复合材料的强度性能的计算模型及相应的实验数据并不多。在此，本文将在北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系燕瑛教授的已发表的论文14基础上对其提出的三维编织复合材料强度性能的计算模型进行验证和探讨。本文首先简要介绍了三维复合材料特性以及发展状况，以及试验所需的三维正交织物的制备过程，然后描述了试验试样拉伸强力的测试，最后引出燕瑛教授的理论模型并探讨了不同织造方式制造的织物，在所含纤维体积分数相容的条件下，其强度与织物结构参数-纤维取向的关系，并将实验所测数据与燕瑛教授提出的强度理论公式的计算结果作了比较，验证其理论公式的可适用性。1 三维复合材料概述三维纺织复合材料是以三维立体织物作为增强相，树脂、陶瓷等为基体复合而成，它所具有的整体化纤维增强结构，赋予复合材料极佳的层间剪切强度、极好的抗冲击损伤性、适宜的韧性，同时它还具有重量轻、刚度好、强度高、耐腐蚀、抗高温等特点。用于纺织复合材料的三维纺织品主要有机织物、针织物、编织物和非织造织物3。其中，机织三维立体织物在三维纺织复合材料中占有相当的比重。这是由于三维机织物的可设计性，通过制定合适的生产工艺及对传统的机织设备加以改造，即可获得多种截面形状、各种纱线走向、力学性能各异的纺织预制件，满足各种实际工程要求。1.1 几种常见的三维纺织增强复合材料1.1.1 三维正交机织物常见的三维机织物结构如图1-1所示，图1-1为四层纬纱的三维正交织物，其有三个系统纱线，即经纱（d1d3）、垂纱（f1f2）和纬纱（18等），经纱和纬纱之间没有交织关系，只是靠垂纱把经纱、纬纱缝合在一起4。图1-1 四层纬纱的三维正交织物示意图三维正交机织物由于在平面内的两组纱线不参加交织，因此在经纬向都没有纱线的屈曲，使得材料的强度和刚度都很高。最重要的是该结构有一组厚度方向的捆扎纱，克服了一般层压板复合材料的分层问题，受冲击后不易损伤，机械连接孔和几何形状突变处的强度无显著下降，由于具有整体性能好，力学结构合理，高的损伤容限和显著的抵抗裂纹扩展的能力及可设计性等优点，在对结构重量及结构强度要求高的航空航天领域里和对整体性、抗冲击性要求较高的海军舰船壳体上有良好的应用前景。同时，经向和纬向纤维不交叉，内部易滑动，材料成型性好，易于铺附，不易皱折，减少了材料铺层中间的开剪、缝合的时间。节约了制造成本。由于三维正交织物内部纱线的伸直排列，更易于树脂的浸润，在rtm工艺中，比二维织物浸润速度快好几倍12。特别适合采用树脂扩散技术的应用。三维正交织物的纤维含量高，利用渗透法可达65-70%，减少了树脂用量和应用对象的总重。1.1.2 缝合连接三维纺织复合材料预制件三维织物具有整体性好、力学结构合理等特点，克服了在传统层合复合材料中经常出现的层间破坏的致命弱点，同时具有显著的损伤容限和抵抗裂纹扩展能力，因此被应用于许多领域。但实际应用中，由于成型和加工的复杂性，导致三维织物的制造成本很昂贵，因此使用范围仅限于某些特殊构件。而缝合连接三维纺织复合材料技术将缝合和编织两种工艺结合起来，有效地解决了这个问题，从而进一步拓展了三维编织复合材料的应用领域。缝合连接三维编织复合材料技术是在三维整体纺织工艺的基础上将异型形状部分用缝合线按照一定的缝合工艺参数连接起来形成预制件，最后采用rtm或rfi工艺方法成型16。只用增加一个生产工序对二维织物穿过厚度缝合，即可制成三维缝合复合材料。其对制造二维织物的传统材料体系和工艺无需大范围的修改，即可制造处成本较低的三维缝合结构。并且织物裁剪和缝合都能自动化和连续操作。缝合改善了层间断裂韧性，对一直分层扩展有显著作用。传统复合材料层合结构对低速冲击引起的损伤很敏感，但缝合提高了冲击损伤容限。1.1.3 角连锁三维机织物角连锁结构织物多用于板材，由于纱线有屈曲，所以其预制件有较好的柔曲性能，变形能力较强，较适合用来加工柔性复合材料或用于形成具有复杂曲面形状的刚性复合材料等10。由于采用两个系统的纱线构成，显然，该类三维织物可以在普通织机上织制2。图1-2 角连锁分层接结1.1.4 三维蜂窝状织物蜂窝板材织物可由多层二维织物用经纱联接而成，为了获得均匀的结构，各层拟采用相同的组织；为了减少综框片数，一般均采用平纹组织。这类织物的耐压性好、结构稳定、隔热性好、可设计性好，同时克服了层状结构符合材料层间强度低，易冲击损伤等缺点10。在蜂窝状织物的孔隙内填入泡沫塑料，可以制成隔热材料，蜂窝板材可以用作通风装置。飞机上的某些部位，需用蜂窝板填充，以利于减轻重量，增加结构强度。图1-3 蜂窝结构图1-4 蜂窝织物经向结构图11.1.5 三维编织复合材料编织是第一个用于制造三维复合材料预形件的纺织工艺。三维编织复合材料预形件的制造受编织机尺寸的限制。目前大多数工业编织机仅能生产小截面（宽度小于100mm）的预形件。三维编织复合材料还可用于汽车车体和底盘梁、驱动轴，这些复合材料构件比具有类似冲击损伤容限和防震性能的钢材减少50%的重量20。三维编织复合材料在生物医学上也有使用。三维编织复合材料有多方面适应性，特别以减轻重量为关键问题的航天用的细长构件、异性截面构件的整体结构，有很大的应用价值。1.2 三维编织增强复合材料的应用30年前，研制成碳-碳三维机织复合材料，替代飞机上制动装置的高温金属合金,达到了高比强度、高比刚度和抵抗损伤的能力20。总的看来，三维机织复合材料在20世纪八十年代以前研究进展缓慢。但随着二维层合板结构在飞机应用上，制造复杂几何形状构件造价很高，维修中对不慎落下重物引起的冲击损伤非常敏感。这两个问题推动了三维机织复合材料的发展。通过1015年的研究，看到三维机织复合材料优于二维层合板之处，也认识到妨碍它进一步应用的因素。三维纺织增强预制件的发展在于它的制造问题和力学性能优于传统的二维层合板结构。纺织预制件有良好的适应性、成形性、扭转稳定性和结构的整体性，能制成各种复杂几何形状的构件，且不需大量机械加工和连接，因此边角料和加工过程中的搬运都大量减少，制造费用显著降低。三维编织复合材料有很高的抵抗分层的能力和冲击损伤容限，对刻痕亦不敏感20。近年来，三维纺织复合材料在汽车工业中也受到广泛的重视，并得到了应用。可以预料，随着它的成本的下降，该种材料在汽车工业中也将具有广阔的应用前景。此外，三维编织增强复合材料还应用于运动器械、机械系统、电器、造船及民用建筑等众多领域。1.2.1 航空航天领域的应用轻质、高性能、高损伤容限材料，是航空航天部门一直关注的材料。由于三向正交织物复合材料的低成本，更宜于制作大型结构件。如飞机的机翼和机门，飞机涡轮发动机的止推转向器、转子和叶片结构。机身框架的“i”字形部件，十字形部件、复叶片的加强板12。最近将机织的“h”形连接件用于蜂窝夹芯机翼板的连接，这种结构改善了力的传递，减少了剥离应力。采用三维正交机织复合材料新技术可以制造出无余量的机翼整体加筋壁板，预成形蒙皮整体机身框架和舱窗带板以及翼身融合体大部件，从而提高复合材料飞机结构设计许用值9。通过取消多零件组件和金属紧固件来提高飞机结构的减重效率，为先进复合材料在飞机结构上的大量应用，实现减重目标提供有效途径。1.2.2 船舰领域的应用三维纺织复合材料由于抗冲击性好、吸振性强，耐海水及海洋生物侵蚀、成形方便、便于维护，比钢材更适应海洋环境。三维纺织复合材料满足了大型扫雷舰队船体材料的需要，解决了由于鱼雷爆炸产生的高冲击载荷下引起的材料分层问题。此外，在炮座、主机座等长时间受冲击的部位，也需要高冲击韧性的复合材料。再加上三维纺织复合材料成本低且质量轻，在高速艇的建造上，如海关缉私艇、救灾用冲锋舟、海岸巡逻艇等也必须采用这样的高性能材料来实现船体的减重12。1.2.3 土工建筑领域的应用建材工业中最广泛使用的结构材料有钢材和中碳钢增强混凝土，钢材的腐蚀会导致建筑物的灾难性的破坏。利用碳纤维织制的“米”字形立体织物预制件21经树脂基复合而形成的棒材便成为人们开发出替代建材用钢材的新型高性能建材的重要品种。使用纤维增强预制件，提高了制品的韧性、拉伸强度，减少了裂纹，延长了建筑物的寿命。如旋转餐厅屋盖、异形尖顶装饰屋盖、楼房加高、球形屋盖，屋顶花园、屋顶游泳池、广告牌等。1.2.4 军事领域的应用用纺织复合材料制作的潜水艇，表面没有磁性，传统的磁性水雷不会对其造成威胁；制作的导弹外壳，可以防止高速飞行时的过热熔融。目前，战术火箭、反坦克导弹、防护装甲、大口径火炮、火箭导弹、火箭发动机等已开始用纺织复合材料制作。用该材料制作的移动天线，减轻了重量，提高了部队的机动能力12。例如，美国的军用飞机具有自我保存的隐身功能，即在飞机的蒙皮上应用了吸收电磁波的功能复合材料来躲避雷达跟踪，而这种复合材料是高性能的结构复合材料。可以说向多功能方向发展是发挥复合材料优势的必然趋势。1.2.5 医学领域的应用由于三维纺织预制件及复合材料具有重量轻、力学性能优越和设计灵活等特点，这使其在人造生物材料的应用方面将发挥越来越大的作用。人造生物材料是一种特殊的功能材料，是研制人工器官及各种医疗器具的物质基础。它的发展将对挽救生命、提高人类生活质量方面创造巨大的社会效益。几乎人体所有的组织器官都是三维结构的，它们的物理强度和性能在各个方向上有所不同。以骨折内固定接骨板为例，目前临床上使用的接骨板多半是以不锈钢和钛合金为材料的，这种材料本身具有各向同性，而且强度方面很难根据实际需要进行设计。当这种金属接骨板植入人体后，由于刚度与人骨相比过大，常产生应力遮挡作用和钢板断裂现象，这不但影响到早期的骨折愈合，更为重要的是影响到后期骨改建，会产生固定骨段的骨缺损和结构紊乱，同时固定物取出后还容易发生再骨折20，这个问题一直困扰着医学界和材料界的研究人员。而三维编织复合材料的模量可以设计。三维纺织技术在医学上的应用为许多患者带来了福音，利用三维纺织技术制造的人造血管帮助了许许多多的心脑血管病人；用玻璃纤维复合材料制作的外科夹板，可直接模塑出病人的身体外形，减轻了患者的痛苦；用层合板制作的人工呼吸器，轻便耐用；碳纤维复合材料的杨氏模量与人骨相似，与软组织的适应性极好，可以用其修复韧带、制作假肢等。1.2.6 机动车辆领域的应用三维纺织复合材料可用于车身、坐椅、油箱、车门的制作，利用层合板制作的板簧，大大延长了其使用寿命。同时，用此材料制作的赛车身及后压盖，由于刚度高，高速行驶时，不易变形能继续保持流线的外形；而用传统金属材料制作的车身，高速行驶时，由于空气压力而产生车体变形，接口处出现缝隙，噪声增大，空气阻力增加。2 实验材料及装置设备2.1 实验原料的选择2.1.1 几种常用的三维纺织品原料纺织品纤维种类很多，按照来源和习惯分为天然纤维和化学纤维两大类，有的地方又将化学纤维细分为人造和合成纤维两类。这些不同种类的纤维在工业上都有所应用，但在三维纺织复合材料领域中，天然纤维和增强相（树脂、陶瓷等）的结合性不好，强力也不及一些化学纤维好，无法在基体复合过程中相互粘合，因而不常用。目前在三维纺织复合材料领域应用的最多的纤维原料是芳纶、玻璃纤维和碳纤维等高性能纤维。用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。表1为三种纤维的性能比较：表1-1 碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维性能对比纤维名称优 点缺 点碳纤维强度比钢的大、密度比铝的小、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，杨氏模量是玻璃纤维的三倍，凯芙拉纤维的两倍，耐腐蚀性出类拔萃耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象玻璃纤维弹性模量与金属铝的弹性模量相当，是普通钢的三分之一，耐热性较高，化学稳定性能较好，导热系数小耐摩和耐扭折性很差，有碱玻璃纤维的耐水性很差芳纶超高强度、高模量、耐高温、耐酸耐碱、绝缘、抗老化、生命周期长、低密度、优良减震性、耐磨、耐冲击、低膨胀、低导热以及优良的介电性能回潮率高、制造成本高、耐压缩性差、层间剪切强度低，其层压制品难以切割、不耐紫外线照射2.1.2 材料性能及可织造性的分析由于玻璃纤维和碳纤维的刚度大、韧性小，在织造过程中纱线易出现磨断、折断等现象，钢筘的来回打纬亦会引起纱线起毛、起球，进而导致断经或影响织物力学性能。芳纶虽然强度高、柔性较好，但芳纶丝多为无捻长丝，其在织造过程中易起毛起球（尤其在小样织机上采用人工打纬时，如织造人员双手不洁，存在汗液等污物，在拿取纱线时会黏起部分单丝，加重了起毛现象），严重损伤纤维强力。考虑到实验只需对比不同织造方式对于相同材质、相同纤维体积分数的三维纺织预制件的力学性能影响，因此，笔者采用了强度较好、不易起毛起球、便于织造的棉纱来进行实验样品的制作。2.1.3 本次实验选用的纱线原料l 实验原料21支2棉股线。l 仪器温州大荣纺织仪器有限公司生产的yg(b)021dx单纱拉伸断裂强力仪。l 实验过程按照规定要求对试样进行预调湿、调湿处理以后，在标准大气中测试。打开强力仪电源，仪器自检正常后，对仪器进行设置，设置好夹距、拉伸速度及实验方式等参数后即可开始实验。将试样一端固定在上夹持器中部，另一端挂上预加张力后固定在下夹持器中部。按下“启动”键，试样开始拉伸，直至断裂。记录实验测试数据。若该次实验在测试过程中出现异常（如打滑或断裂在夹持器附近等），应该舍弃该次数据，重新测量。按照以上步骤获得的10组有效数据如表2-1所示：表2-1 织造纱线拉伸断裂强力实验数据单位：（cn）实验编号12345678910平均值强力值12831455140013751390135114371267141113361370.52.2 主要实验设备及用具2.2.1 实验装置本次实验没有专用的三维织机，只能在普通二维织机上加上一些装置来织造实验需要的三维织物。由于经纱和接结纱的用量不一致，故应采用双轴织造或用筒子架送经，所以不能像织普通二维织物那样将接结经和衬垫纱都绕在经轴上。又本次实验需要的试样不多，实验原料亦有限，在此，笔者放弃了筒子架而采用了往届学生使用过的简易经纱固定架子。如图2-1所示：图2-1 经纱固定架子图中架子由底座、支架和纱线末端固定杆组成。为了减少穿纱次数，改善经纱过长导致的纱线下垂，所以在经纱架和织机之间加入了一个起调节张力作用的架子，如图2-2所示：图2-2 调节张力的架子该架子由底座、支架和带有导纱孔的有机玻璃面板组成。穿纱时，将纱线穿过导纱孔后穿入综丝眼即可。导纱孔可以对经纱起到一定的张力调节作用。织机采用的是江阴市通源纺机有限公司生产的sga598型半自动打样机。织造装置配置如下图2-3所示：图2-3 织造配置顺序图2.2.2 实验用具图2-4 用来挑纱的金属棍图2-5 引纬针3 实验试样的织造及力学性能测试3.1 经向接结的三维正交织物的织造3.1.1 织造前准备在固定经纱时，由于要让经纱分层，所以不能使用经轴卷绕经纱，要在经纱固定架子上选取10层距离相等、高度合适的层，并粘上透明胶，再粘上一层双面胶。粘透明胶的目的是防止双面胶粘性大、强力小，粘上后不易撕下，损坏实验设备。粘上双面胶后撕开表层的防尘贴纸，开始固定经纱。由经纱固定架子的后面往前穿经纱，即与织造方向相反的方向。经纱长度不能太长，否则经纱会由于重力作用而下垂，导致经纱张力不够，影响织造。但也不宜太短，否则织出的布样太小，需多次穿纱，徒增工作量。同时，要在经轴上卷绕足量的接结纱，并且与衬垫纱分开送经。3.1.2 穿综第一次穿综，笔者为了方便织造，按照图3-1的穿综图穿综，图3-2的纹板图提综。即由综框提起衬垫纱来进行开口。图3-1 第一次穿综图图3-2 第一次纹板图试织时发现布样中的衬垫纱全部偏移，不在同一垂直平面上，如图3-3所示：图3-3 第一次试织经纬向衬垫纱交织情况示意图分析原因，是由于纱线有张力，导致同一竖列的综丝并不是在和经纱平行的平面上（如图3-4），进而造成一竖列的经纱不像理想状态那样在同一垂直平面上。图3-4 综丝位置状态俯视示意图对此，笔者对织造方式进行改进：穿综时，将接结纱穿入综丝眼，衬垫纱不进行穿综，直接从两根综丝中间穿过，然后采用人工分层提综的方式开口打纬，如图3-5。图3-5 人工分层提综3.1.3 穿筘三维正交组织中，纱线呈正交状态，故衬垫纱必须在同一垂直平面上，所以必须穿入同一筘齿。同时要将接结纱与衬垫纱分开，不能穿到同一筘齿中。穿筘图如图3-6所示。图3-6 穿筘图第一次穿筘选用的是80号钢筘，其密度为160筘/10cm。经纱包含有300根衬垫纱和60根接结纱。按照图3-6穿筘后其幅宽不足5cm。又由于衬垫纱过多（每筘10根），筘齿过密，导致打纬极其困难。遂采用筘齿密度较小的40号钢筘，其密度为40筘/10cm。之后便能正常打纬进行织造了。3.1.4 织造穿好筘齿后，用梳子将纱线梳理顺畅，然后打结绑在卷布辊上。由于接结纱是事先在绕线机上绕好的纱线，在穿综过程中必定纱线张力不匀，此时应解开经轴上的接结纱，同织造端一样，将纱线梳理顺畅，重新打结捆绑。调节纱线张力，用手轻轻按压纱线，看是否存在经纱张力不匀的现象。若张力不匀则需拆掉经纱固定架子上的双面胶，并粘上新的双面胶，在新的双面胶上固定衬垫纱。由于织造端已固定，所以更方便调节张力。每粘好一层衬垫纱都应该及时在双面胶上面再粘一层透明胶，防止纱线脱散。固定好衬垫纱和接结纱后就可以进一步调节纱线张力，预备织造。利用废旧的纱线或细纸卷试着打一个组织循环，完全将纱线的纠缠分开（梳理时会有一些小的遗漏）。且由于纱线是成股地绑定在卷布辊上，可能在织造开始的时候会形成图3-7中的喇叭状的缝隙，此时应继续用废旧棉纱打纬，直到喇叭状缝隙消失。更换成和经纱同材质的棉纱打纬。图3-7 喇叭状缝隙为了获得更高的厚度和织造长度，笔者采用三根纱平行打纬。织造时，按照纹板图（上文中图3-1）提综，其中衬垫纱的分层开口由人工使用两根光滑的金属棍完成，见上文图3-5。由于实际衬垫纱的开口是由人工完成，所以真实上机纹板图如图3-8所示。接结纱交织一次后保持不变，待每层衬垫纱之间都打过一次纬后再进行一次交织绑定，然后开始下一个循环。图3-8 实际上机纹板图图3-9 下机后的经向接结织物细节3.2 纬向接结的三维正交织物的织造3.2.1 穿综穿筘纬向接结的三维正交织物不需要经向的接结纱，所有的经纱都属于衬垫纱。所以将所有的经纱固定在经纱固定架子上进行分层送经。因为没有经向的接结纱，所有的经纱都只需要按层数依次开口打纬即可，所以不需要穿综。但为了减少纱线间的摩擦，并使得纱线分的更加清晰，在每一竖列衬垫纱之间隔一根综丝。为了控制相同的经密，笔者采用了和经向接结相同的穿筘图（上文图3-6）。原来的两根接结纱变为衬垫纱，分别穿在第5、6层，和第5、6层衬垫纱一起运动。3.2.2 织造纬向接结三维正交织物的织造过程与经向接结三维正交织物类似。每两层衬垫纱之间打一纬，后接结，此为一个循环。不同的是，经向接结是通过综框提综引导接结纱交织接结，纬向接结是用类似缝衣针的引纬针引导接结纬纱上下穿梭接结。同时，经向接结时，接结纱为单根棉纱，故纬向接结亦采用单根纱接结，而不是与衬垫纬纱一样采用三股平行打纬。图3-10 下机后的纬向接结织物细节图3.3 平纹布的织造及缝合3.3.1 平纹布上机图图3-11 平纹布上机图平纹布穿筘时和三维织物织造时一样采用40号钢筘，每一个筘齿穿两根经纱，采用顺穿法穿综。3.3.2 平纹布的缝合缝合线迹有两种基本形式：锁式和链式。图3-12a是广泛用于服装业的锁式缝合，在面纱和底纱之间形成两个缝合线圈，在织物中间相交，产生应力集中点。图3-12b是改进后的锁式缝合，因为穿过织物厚度，提高了分层韧性和损伤容限，在三维缝合复合材料中应用较多。图3-12c是链式缝合，这种缝合方式类似针织，缝合线多次绕去，且操作复杂，应用较少18。综上，笔者采用了图3-12b，即改进后的锁式缝合。图3-12 缝合形式17为了控制变量，缝合密度尽量控制和接结纱的接结距离以及单个组织循环距离一致。由于缝合过程中缝针会对纤维造成一定程度的损伤，如果针尖太锋利，缝合过程中纤维很容易被缝针切断，从而使得复合材料性能降低；反之，如果针尖太钝，针尖进入纤维的阻力太大，又不利于缝合效率的提高。只有选择适当的缝针，才会既可以最小限度地损伤纤维，又可以最大限度地提高缝合效率。3.3.3 缝合层数的选择用游标卡尺测量经向接结三维正交织物、纬向接结三维正交织物厚度和单层平纹布厚度如表3-1所示。表3-1 三种织物的厚度（单位：mm）名称/编号12345平均值经向接结2.362.102.202.162.102.184纬向接结2.762.702.702.602.732.698平纹布0.660.600.640.640.600.628根据表中数据可知，采用四层平纹布缝合是最为接近两种三维正交织物的，此处应选择四块布缝合最佳。表3-2为缝合后的四层平纹布厚度。表3-2 四层平纹布缝合复合材料预制件厚度（单位：mm）名称/编号12345平均值四层平纹缝合2.122.162.222.242.282.20由上表与表3-1中两种三维织物的厚度对比可知，三者厚度相差不大，基本符合实验的控制变量的要求。3.4 三种试样力学性能测试3.4.1 实验参数测试仪器为温州大荣纺织仪器有限公司生产的yg(b)026e型织物拉伸断裂强力仪。织物拉伸断裂强力测试方式有三种，分别为：拆边纱法、剪切法和抓样法。拆边纱法条样用于一般机织物试样；剪切法条样适用于针织物、涂层织物、非织造布和不易拆边纱的机织物试样；抓样法条样适用于机织物，特别是经过重浆整理的、不易抽边纱的高密度织物11。因此本次实验应选择拆边法条样。其标准试样大小为50mm250mm。3.4.2 实验过程首先准备试样，根据织物品种，选择试条形状，按规定尺寸裁剪试样，长度方向应平行于织物的经向或横向。在标准大气条件下调湿4个小时。按规定要求，调整上下夹钳的隔距（夹持长度）、拉伸速度。夹装试样。先将试样一端夹紧在上夹钳中心位置，然后将试样另一端放入夹钳中心位置，并在预张力作用下伸直，再紧固下夹钳(或采用松式夹持法)。准备完毕后启动仪器，拉伸试样至断裂，记录断裂强力和断裂伸长。复位后，重复上述操作，直至完成规定的试样数。3.4.3 实验数据表3-3 三种织物拉伸断裂强力数据结果（单位：n）名称/编号123平均值经向接结1557.61560.81496.01538.13纬向接结1617.41650.91604.21624.17平纹缝合1660.41610.61708.71659.94 实验结果与讨论4.1 三维织物强度理论公式北京航空航天大学燕瑛教授在其纺织结构复合材料强度性能的研究一文中推导出了织物强度的公式14，其基本过程如下：沿受载方向纤维的屈曲程度对纺织结构复合材料的承传力能力起决定性的作用，用屈曲系数来表征纤维的屈曲程度。纤维屈曲系数c的公式：(4-1)式中：lz织物的长度；lq相应所用纤维长度。图4-1 与lq及lz之间的几何关系复合材料的强度与纤维的断裂应力有关，并且与纤维相对所加应力方向的取向角有关，并且与纤维相对所加应力方向的取向角有关。纤维束相对于织物受载方向的取向用角度来表征，为了获得平局代表性的纤维取向，图4-1取向角的余弦与纤维束的屈曲系数之间的关系可用下式表示：(4-2)如果定义一个纤维束的断裂载荷为pyi，它相对于织物受载方向的取向角为i，那么可以用下式来表示织物断裂承载力pf与纤维束断裂承载力pyi之间的关系：(4-3)4.2 本次实验结果与理论公式得出结果之比较测得得到三种织物及其内经纱长度见表4-1。表4-1 三种织物及其内经纱长度单位：（cm）类别/项目经纱长度平均值织物长度12345678910经向接结25.625.826.026.125.826.726.125.626.326.026.025.0纬向接结27.026.826.927.026.927.127.027.527.527.427.1126.2缝合平纹26.826.826.827.026.726.927.026.926.827.026.8725.5将单纱拉伸断裂强力py、纤维屈曲系数c取向角的余弦cos（保留三位小数）等参数见表4-2和表4-3。表4-2 部分织物强度计算所需参数项目/数值py/cn屈曲系数ccos经向接结1370.50.0400.962纬向接结1370.50.0350.966缝合平纹1370.50.0540.949计算出各个试样的横截面积、理论拉伸断裂强力值以及与实测织物拉伸断裂强力值的误差（保留两位小数）见表4-3。表4-3 织物理论强度和实测强度对比名称/项目织物纱线根数（根）理论织物强度（n）实测织物强度（n）误差（%）经向接结11662188.51907.621682215.01910.831662188.51886.0平均值1672201.71901.515.78纬向接结11421880.01617.421481959.41680.931451919.81650.2平均值1471946.31649.517.99平纹缝合11602080.51780.421602080.51810.631602080.51808.7平均值1602080.51799.915.58根据表4-3中的理论强度与实测强度作出图4-1，以更加直观的比较理论与实际的误差大小：（a）经向接结（b）纬向接结（c）缝合平纹图4-1 理论与实际强度对比图由图4-1和表4-3中不难看出，理论值和实测值还是有一定误差的，其原因一方面是由于织物内的纱线不像理想状态那样是完全伸直的，另一方面则是公式本身也是一种理想状态下的计算，不能完全计算出真实的织物拉伸断裂强力。结合公式4-3和表4-3不难看出，纤维取向角会在一定程度上影响织物的拉伸断裂强力。同时，织物密度大的相应的强力也更大。纤维体积分数也会影响三维纺织复合材料的力学性能。在实际的应用当中，我们应该根据所设计的三维纺织复合材料对层间剪切强度、抗冲击强度和面内强度的要求来合理的设计三维纺织预制件。5 总结在织造时由于织机的原因，极大的影响了织造效率。人工提综开口效率极低，若采用图5-1中的装置进行打纬织造，可以从很大程度上提高打纬效率。图5-1 三维织物分层打纬装置示意图每次打纬只需控制相邻两层纱线之间的两根抬纱条分开即可对经纱进行分层开口。在织造过程中由于织造方式比较原始和落后，损失了很多的纱线强力，对实验的结果造成了一定的影响。同时，由于实验样品需求不大，也没有相关条件，没有采用筒子架分开送经，而是采用比较原始的胶带固定的方式固定经纱，造成很大程度的经纱张力不匀，同样影响实验结果。由于纺织复合材料结构具有多样化与复杂化的特点，所以影响力学性能的因素也多。通过调节织物结构参数，如：纤维取向、纤维体积分数、织物密度等，可以改变纺织复合材料的力学性能。目前复合材料结构设计者所面临的问题就是，如何根据实际应用情况，使所涉及的纺织结构复合材料既能满足层间剪切强度、抗冲击强度的要求，而又不损失太多的面内强度。目前三维纺织复合材料尚不能广泛大量应用的原因来自经济、制造、力学性能和耐久性诸问题的综合。此外，在二维层合板结构使用的基础上，逐步研究和推广使用三维纺织复合材料应看成是一种新技术、新工艺发展的必然趋势，应引起足够的重视。只有这样才能使我国复合材料的发展走在世界的前列。27参考文献：1 王元昌.三维织物的设计与织制j.上海纺织科技，2000,28（6）：43-44.2 顾 平.多重纬角联锁三维机织物结构设计j.上海纺织科技，2002,30（4）：24-27.3 聂建斌,何奕中.多层机织物的组织设计j.纺织学报，2010,31,(2):50-53.4 黄晓梅.三维机织物的结构设计与织造j. 南通工学院学报,2004,3,(1):49-50.5 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