芳纶纤维纬编立体针织结构复合材料的编织与成型

陈加敏　孟家光　薛　涛　姬文香

西安工程大学 纺织与材料学院(中国)



芳纶纤维纬编立体针织结构复合材料的编织与成型

陈加敏孟家光薛涛姬文香

西安工程大学 纺织与材料学院(中国)

设计立体成型芳纶纤维针织物的编织模型和工艺，并在手摇横机上进行多次试织，确定了最佳编织工艺。采用芳纶纤维编织用于航空、航天及民用等领域的立体针织物模型，用手糊法制作立体成型芳纶纤维针织结构复合材料，介绍了制备方法及工艺，并进行了产品展示。

芳纶；针织物；立体成型；复合材料

目前，玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维等高性能纤维及织物，已被作为增强体应用于纺织结构复合材料[1]，而以针织物为增强结构的复合材料受材料界关注较晚。近年来，高科技发展对复合材料性能的更高需求为针织物增强复合材料提供了发展平台[2-3]。刚性较大的玻璃纤维和碳纤维需在成圈较易的横机或单面圆机上编织，而刚性较小的芳纶纤维则可在一般的横机或圆机上编织，可编织纬平针、罗纹、畦编和衬垫等组织，其中，研究较多的是纬平针组织和罗纹组织[4]。

立体编织复合材料以立体编织物为增强体，并涂覆树脂后固化而成。立体编织复合材料因其质轻，被广泛应用于火箭、卫星、飞机、船艇和汽车等结构中，既节省了燃料，又降低了成本；因其耐高温，应用于飞机、火箭及各种喷管等结构中，可有效提高产品寿命；因其抗冲击性能好，可作为防护材料，如防弹服、防弹背心和装甲等，起到安全保护作用；因其耐磨、耐化学腐蚀等性能，可用作生物医学材料，如假体、假肢等，具有结实耐用、舒适美观的特点。立体编织复合材料还可用于羽毛球拍杆、钓鱼竿、自行车车架、各类球棒、球拍等其他应用中[5-6]。

1　立体芳纶针织物的编织工艺设计

1.1编织工艺参数

立体芳纶针织物的最佳编织工艺参数如表1所示。

表1　编织工艺参数

1.2编织工艺设计

根据在手摇横机上试织芳纶纤维纬平针织物的密度，按一定比例设计了潜艇、羽毛球拍杆、火箭几种实物的模型图及编织工艺，运用CAD做出相应的设计图。

1.2.1潜艇艇体设计

横机上编织的潜艇艇体尺寸与实际尺寸的比例约为1∶256，艇体长约29.00 cm，潜艇头部长约4.00 cm，中部长约22.00 cm，尾部长约5.00 cm。艇体头部最小直径约1.50 cm，中部直径约6.25 cm，尾部最大直径约5.00 cm，图1为对应的编织设计图。

图1　潜艇艇体模型编织设计图

1.2.2火箭箭体的设计

横机上编织的火箭箭体尺寸与实际尺寸的比例约为1∶165，箭体长约30.0 cm，火箭头部长约6.0 cm，最大直径约5.0 cm，中间长约16.5cm，尾部长约6.0 cm，最小直径约3.5 cm，图2为对应的编织设计图。

1.2.3羽毛球拍杆的设计

横机上编织的羽毛球拍杆尺寸与实际尺寸的比例约为1.0∶1.3，羽毛球拍杆长约33.5 cm，球拍柄长约10.5 cm，最大直径约3.5 cm，球拍杆长约23.0 cm，直径约2.0 cm，图3为对应的编织设计图。

图2　火箭箭体模型编织设计图

图3　羽毛球拍杆模型编织设计图

1.2.4编织

根据各设计图上起口针数和编织转数，在手摇横机上通过加、减针等方法，编织各种模型的实物，作为立体成型芳纶针织物复合材料的增强体。

2　芳纶纤维立体针织结构的编织

2.1潜艇艇体模型的编织

在编织过程中，前后针床的织针相对配置。开始编织时，在针床0号针位向右6针处，前后针床各排列织针6枚。将横机机头1号位和3号位三角打起，即让它们休止编织，仅让2号位和4号位三角工作，这样即可编织管状织物。待前后针床各编织10个横列后开始放针，放针时采用两头暗放针，机头每转1转放1针，转10转后放至20针。连续编织20个横列后再开始一头暗放针，1转放1针，放5次后达25针，连续编织14个横列后再进行暗收针，同样1次收1针，收5次为20针后，继续编织40个横列，再暗收针，转1转收1针，直到收针完毕，前后针床线圈闭合，潜艇艇体织物模型即编织完成(图4)。

图4　潜艇艇体编织模型

2.2火箭箭体模型的编织

在编织过程中，前后针床的织针相对配置。开始编织时，在针床0号针位向右10针处，前后针床各排列织针10枚。将横机机头1号位和3号位三角打起，即让它们休止编织，仅让2号位和4号位三角工作，即可编织管状织物。待前后针床各编织25个横列后开始放针，放针时采用两头暗放针，机头每转1转放2针，转5转后放至20针。连续编织70个横列后再开始两头暗收针，同样1次收2针，直到收针完毕，前后针床线圈闭合，火箭织物模型即编织完成(图5)。

图5　火箭箭体编织模型

2.3羽毛球拍杆模型的编织

在编织过程中，前后针床的织针相对配置。开始编织时，在针床0号针位左右各6针处，前后针床各排列织针12枚。将横机机头1号位和3号位三角打起，即让它们休止编织，只让2号位和4号位三角工作，即可编织管状织物。待前后针床各编织25个横列后开始收针，收针时采用两头暗收针，机头每转1转收1针，每次收1针后连续编织3个横列，再进行下一次收针，连续编织10个横列后收至6针。继续编织76个横列后手动收针，先收前针床线圈，再收后针床线圈，使织物收针部分开口，羽毛球拍杆编织模型即编织完成(图6)。

图6　羽毛球拍杆编织模型

3　芳纶纤维立体针织结构复合材料的制备

3.1试验材料和仪器

复合材料制备所需材料和仪器为芳纶纤维立体编织物模型、E44环氧树脂、聚酰胺树脂、凡士林、水浴锅、刮板、玻璃板、烧杯等。

3.2试验方法

由于试验设备和试验条件的限制，本试验采用手糊成型法制备芳纶纤维立体编织针织结构复合材料。手糊成型是一种最原始、最简单的制备热固性树脂基体复合材料的成型方法，其通过手工将树脂均匀地刷在增强体预制件上，反复操作，直至所需厚度，并在常温下固化成型[7]。

3.3制备过程

首先，打开水浴锅，将树脂和固化剂加热至60 ℃。用量杯量取150 mL的E44环氧树脂和60 mL的聚酰胺固化剂，在不锈钢容器中混合后，用玻璃棒搅拌均匀。将树脂反复、均匀地涂抹于立体编织物上，达到一定厚度后，在常温下固化24 h以上，即得到芳纶纤维立体编织针织结构复合材料，制得的成品还需进行打磨等后处理。成型工艺过程如图7所示。

图7　手糊成型法制备立体编织物增强复合材料的工艺流程

3.4立体成型产品

图8～图10所示分别为试验所制芳纶纤维立体成型针织结构复合材料(潜艇艇体、火箭箭体和羽毛球拍杆)模型及实物照。

(a)潜艇艇体复合材料模型

(b)实物

(a)火箭箭体复合材料模型　　　　(b)实物　　

(a)羽毛球拍杆复合材料模型　　　　(b)实物

4　立体编织物及其复合材料的特点和应用

立体编织物具有非常强的可设计性。它可以采用各种高性能纤维进行编织，且纤维的排列方向、分布密度和单纤维含量均可设计和控制，还可以编织多种多样的组织，如纬平针、罗纹、罗纹空气层、罗纹半空层、畦编、半畦编等。因此，立体编织物可满足多功能复合材料的各种要求，可以直接编织成任意形状、截面的整体件，如三通、四通、Y型、T型、π型等各种形状[8-12]。

目前立体编织工艺已成功应用于火箭、飞机、舰船、生物材料等结构的零部件的制造，随着立体编织技术的不断应用和推广，其增强复合材料的发展将越来越快，产品也将向绿色化、多功能化、智能化方向发展，并将进一步拓展至其他领域。

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Weaving and molding of aramid fiber weft knitted three-dimensional knitted structural composite

Chen Jiamin,Meng Jiaguang,Xue Tao,Ji Wengxiang

Institute of Tentiles and Material,Xi’an Polytechnic University,Xi’an/China

Weaving molds and technology of the three-dimensional molding aramid fiber knitted fabric were designed,and the fiber knitted fabric was repeatedly tested in a hand knitting machine according to the technology to determine the optimal weaving process.The three-dimensional knitted fabric models were weaved in the fields of aviation,aerospace,and civil use with aramid fibers.Three-dimensional molding knitted fiber composites were made by hand.The preparation method and process were introduced,and the products were displayed.

aramid fiber; knitted fabric; three-dimensional molding; composite material