二维三轴编织扁带及其织物的力学性能分析*

梁双强 陈 革 万德军 张春燕 陈 利

1. 东华大学机械工程学院，上海201620；2. 扬州远睿精密机械有限公司, 江苏扬州225235；3. 天津工业大学复合材料研究所，天津300160

二维三轴编织扁带及其织物的力学性能分析*

梁双强1陈 革1万德军2张春燕3陈 利3

1. 东华大学机械工程学院，上海201620；2. 扬州远睿精密机械有限公司, 江苏扬州225235；3. 天津工业大学复合材料研究所，天津300160

采用二维三轴编织扁带替代合股纱线制备增强用织物，并通过试验的方法研究二维三轴编织扁带及其织物的力学性能。结果表明：组织结构对扁带织物拉伸断裂强力有很大影响，平纹扁带织物的拉伸断裂强力最大，斜纹和缎纹扁带织物的拉伸断裂强力较小；不同编织结构的二维三轴编织扁带的纤维强力利用率均大于0.800，而合股纱线的纤维强力利用率均小于0.800，故相较于合股纱线增强用织物，扁带织物的拉伸断裂强力明显提高。

石英纤维，二维三轴编织扁带，合股纱线，纤维强力利用率，拉伸断裂强力，扁带织物，增强用织物

“高性能化”技术已经成为21世纪先进复合材料研究的热点。典型的“高性能化”技术包括：进一步提高增强用纤维材料的力学性能，提高复合材料耐温、耐烧烛级别的新技术等，同时要求这些技术兼顾材料制备与加工的低成本问题[1]。

石英纤维是一种纯度很高(所含SiO2质量分数≥99.9%)的高性能无机纤维[2]，非常适合作为透波复合材料的增强纤维，也是国内外透波复合材料中应用最多的一种增强纤维[3-4]。随着透波复合材料的发展及广泛应用，其高效、低成本的制造技术已成为亟待解决的关键问题[5-6]。

2012年，中材科技股份有限公司公开了一种截锥体织物的编织方法[7]，具体实施例中织物的经纱和纬纱均采用了合股纱线。2015年，中材科技股份有限公司公开了一种变厚度层连结构织物的制备方法[8]，具体实施例中锥管状变厚度织物的经纱和纬纱分别采用了不同合股数的合股纱线。研究发现：采用合股纱线替代普通纱线可以显著提高织造效率、缩短制造周期，是复合材料高效、低成本的制造方法之一。但是合股纱线直径增加会造成交织点处纤维弯曲增大、单层厚度增加，进而导致树脂基体对纱线内部浸润性差，加之合股纱线的纤维强力利用率低，故使得复合材料的力学性能降低。

近年，国内外研究人员针对大丝束碳纤维的薄层化开展了大量的研究工作[9-11]。通过展纱技术将大丝束碳纤维薄层化，发现薄层化后制成的碳纤维织物具有低的纤维弯曲、高的覆盖率和超薄的厚度，所得最终复合材料的力学性能显著提高。碳纤维薄层化也适用于石英纤维。

本文采用二维编织技术制备二维三轴编织扁带，具体是通过在编织预成型过程中沿编织成型方向引入伸直不动的第三向纱线，形成一个具有一定宽度及厚度的扁带；接着，将二维三轴编织扁带替代合股纱线制备增强用织物，并通过试验的方法测试、分析二维三轴编织扁带及其织物的力学性能。

1 二维三轴编织扁带及其织物的制备

1.1 试验材料

本研究中二维三轴编织扁带及其织物所采用的石英纤维，由中国航天科技集团公司第七零三研究所提供。经测试，所用190 tex石英纤维纱的断裂强力、断裂伸长率等指标如表1所示。

表1 190 tex石英纤维纱性能参数

由表1可知，190 tex石英纤维纱的强伸性能较差，这导致其可纺性差；断裂强力偏低，这会进而影响织物的力学性能。

1.2 二维三轴编织扁带的制备

典型的二维编织机上有 2 组携纱器。2组携纱器相交错形成8字形运动轨迹。同一组携纱器中的所有纱线都沿相同方向运动(顺时针或逆时针)，另一组携纱器中的所有纱线的运动方向相反。因此，为保证2组纱线相互交织，二维编织机提供了这样的一种运动，即在每1组携纱器中，一部分纱线朝着圆管的中心运动，另一部分纱线则朝着圆管的外缘运动。这样同一时刻，纱线不但沿着圆管的半径方向向里、向外运动，还会沿着圆管的圆周方向运动。于是，纱线互相交织形成了管状或片状结构。本试验所采用的小样编织机有13个编织纱纱锭、6个轴纱纱锭，所得二维三轴编织扁带结构如图1所示。

图1 二维三轴编织扁带结构示意

二维编织机可批量化生产编织扁带，并具有低成本、高效率的优势，其为高效、低成本制备天线罩奠定了基础。本文试验采用190 tex的石英纤维纱作为轴纱、27 tex的石英纤维纱作为编织纱，并在型号为KBL-13-4-80的编织机上进行编织。编织参数为编织纱单股、轴纱双合股，所编织的二维三轴编织扁带如图2所示，工艺参数如表2所示。

1.3 扁带织物的制备

利用所得的二维三轴编织扁带替代合股纱线制备增强用织物——扁带织物。

图2 二维三轴编织扁带

表2 二维三轴扁带工艺参数

表3为3种组织结构的扁带织物的工艺参数。图3为3种组织结构的扁带织物的照片。

表3 3种组织结构的扁带织物工艺参数

(a) 平纹组织

(b) 斜纹组织

(c) 缎纹组织

2 测试及结果

扁带织物拉伸性能的测试仪器为日本AG-250KNE型万能材料试验机，测试参考GB/T 3923.1— 2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》进行，测试结果归纳于表4。

表4 扁带织物的拉伸性能

合股纱线与二维三轴编织扁带拉伸性能的测试仪器为日本AG-1KNE型万能材料试验机，测试参考GB/T 7690.3—2013《玻璃纤维断裂强力与断裂伸长率的测定》进行，测试结果归纳于表5。

表5 合股纱线及二维三轴编织扁带的拉伸性能

注： H表示合股纱线，B表示扁带，Z6表示轴纱6根，b13表示编织纱13根，其他以此类推

3 扁带织物力学性能分析

3.1 组织结构对扁带织物拉伸性能的影响

图4反映了扁带织物的组织结构与拉伸断裂强力之间的关系。

图4 扁带织物组织结构与拉伸断裂强力的关系

从图4可知，组织结构对扁带织物拉伸断裂强力有很大的影响：平纹扁带织物的拉伸断裂强力最大，为6 700 N，斜纹、缎纹扁带织物的拉伸断裂强力与之相比分别减小了20.90%、 26.87%。分析结果认为，织物内经纬纱交织点越多、浮长线越短，则拉伸时织物中受拉系统纱线受到非受拉系统纱线的挤压力越大，经纬纱间切向滑动阻力越大，越有助于织物强力的提高。三原组织中，平纹组织的交织点最多、浮长线最短、纱线屈曲最多，且平纹织物的结构最紧密，纱线间的握持力大，故平纹织物具有较好的结构稳定性，拉伸断裂强力最大；而缎纹组织的交织点最少、浮长线最长，故缎纹织物的拉伸断裂强力最小。

图5为平纹扁带织物的横截面，其中横截面为圆形的轴纱1根挨着1根整齐地排列在扁带的同一平面内，受作用力时截面近似长方形的扁带能够充分利用纱线的强力。开始施加作用力时，承力方向扁带中的轴纱伸直，横向纱线受到作用力开始屈曲，直至承力方向的纱线平行排列在同一平面内，此时，纤维强力利用率高。

图5 平纹扁带织物横截面

3.2 纤维强力利用率

纤维强力利用率是影响织物及其复合材料强度的重要因素。名义纤维强度是指商品标签上标注的单纤维强度。假设复丝在拉伸过程中每单根纤维同时达到断裂极限,则此时的断裂强力称为名义复丝强力，其值可通过名义纤维强度和横截面积计算出来[4-6]。

已知石英纤维的密度ρ=2.2g/cm3，并由测量得到190tex石英纤维纱的断裂强度P0=863.048 MPa。根据m=ρls可得

(1)

那么

F名=P0s

(2)

(3)

式中：m——合股纱线或扁带的质量，g；

l——合股纱线或扁带的长度，m；

s——合股纱线或扁带的横截面积，mm2；

F名——合股纱线或扁带的名义断裂强力，N；

γ——合股纱线或扁带中纤维强力利用率；

F实——合股纱线或扁带的实测断裂强力，N。

γ反映了测试样在承受拉伸作用时，纤维发生同时断裂的程度。γ值越大，则同时断裂的单纤维根数越多；γ值越小，则同时断裂的单纤维根数越少。其极限值为1.000。表6对合股纱线、扁带中纤维强力利用率的计算进行了归纳。

表6 合股纱线、扁带中纤维强力利用率

图6 合股纱线、扁带对石英纤维的强力利用率

图6形象地反映了合股纱线、扁带对石英纤维的强力利用率。从图6可以看出，扁带对石英纤维的强力利用率明显优于合股纱线；随着合股数的增多，合股纱线中纤维强力利用率迅速下降。再结合表6可以看出：扁带的纤维强力利用率均大于0.800， 而合股纱线的纤维强力利用率均小于0.800； 当合股数从3根增大到6根时，纤维强力利用率从0.791下降到0.766， 下降了3.2%，当合股数继续增大到12根时，纤维强力利用率继续下降到0.648，下降了15.4%，此为纤维强力利用率下降最大的阶段。

进一步分析发现合股纱线的拉伸断裂机理：合股纱线受拉伸载荷作用时，部分纤维先达到断裂强力而断裂，剩余纤维则承担全部载荷；随着拉伸载荷的增大，剩余纤维中的部分纤维又先达到断裂强力而发生断裂；如此下去直到全部纤维断裂。且随着合股纱线根数的增多，纤维断裂的不同性增大，而合股纱线的断裂强力增速很小，并小于合股纱线线密度的增速，故纤维强力利用率随合股纱线合股数的增多而减小。二维三轴编织扁带结构中，轴纱平行排列在同一平面内，这有利于纤维强力的发挥，是主要的承力部件，加之编织纱捆绑着轴纱，轴纱线密度又是编织纱的7.03倍，故二维三轴编织扁带的纤维强力利用率大于合股纱线。

4 结论

(1)组织结构对扁带织物的拉伸断裂强力有很大的影响。在本文的试验中，平纹扁带织物的拉伸断裂强力最大，为6 700 N，与之相比，斜纹、缎纹织物的拉伸断裂强力分别减小了20.90%、 26.87%。

(2)不同编织结构的二维三轴编织扁带的纤维强力利用率均大于0.800，而合股纱线的纤维强力利用率均小于0.800，前者的纤维强力利用率高于后者；而且，扁带的加工过程对纤维损伤较小，故可以减少纤维用量，提高经济效益。

[1] 易小苏.先进树脂基复合材料高性能化理论与实践[M].北京:国防工业出版社,2011:1-2.

[2] 张玉龙.高技术复合材料制备手册[M].北京:国防工业出版社,2003:447-449.

[3] 齐共金，张长瑞，胡海峰，等.三维石英织物增强氮化硅基复合材料的制备及其力学性能[J].硅酸盐学报, 2005, 33(12): 1527-1530.

[4] 周燕,郭卫红,罗进文，等.磷酸盐基复合材料的纤维涂膜与性能的研究[J].功能材料, 2004 (Z1): 2127-2129.

[5] 侯传礼.大丝束碳纤维应用及展纱设备研究进展[J].纤维复合材料,2015,51(1):51-53.

[6] 陈绍杰,朱珊.大丝束碳纤维应用研究[J].高科技纤维与应用, 2004, 29(4): 22-25.

[7] 朱建勋,戴尚芹,张立泉，等.一种截锥体织物的编织方法:ZL201210592506.7[P].2013-04-10.

[8] 朱建勋,赵敬,张立泉，等.一种变厚度层连结构织物的制备方法: ZL20151019579 2.7[P].2015-07-22.

[9] UMEKI R, TANAKA A, OKUBO K, et al. A new unidirectional carbon fiber prepreg using physically modified epoxy matrix with cellulose nano fibers and spread tows[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing, 2016, 90: 400-409.

[10] EL-DESSOUKY H M, LAWRENCE C A. Ultra-lightweight carbon fibre/thermoplastic composite material using spread tow technology[J]. Composites Part B: Engineering, 2013, 50: 91-97.

[11] SIHN S, KIM R Y, KAWABE K, et al. Experimental studies of thin-ply laminated composites[J]. Composites Science and Technology, 2007, 67(6): 996-1008.

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Study on the mechanical properties of two-dimensional triaxial braided flat tapes and their fabrics

LiangShuangqiang1，ChenGe1，WanDejun2，ZhangChunyan3，ChenLi3

1. College of Mechanical Engineering， Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. Yangzhou YuanRui Precision Machinery Limited Company, Yangzhou 225235, China; 3. Composite Materials Research Institute, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160, China

Two-dimensional triaxial braided flat tapes instead of ply yarns were used to fabricate the reinforced fabric. The mechanical properties of two-dimensional triaxial braided flat tapes and their fabrics were studied experimentally. The results showed that fabrics’ organization had a great influence on the tensile strength of flat tapes fabrics. The tensile strength of plain fabric was the greatest, and the tensile strength of twill fabric and satin fabric was lesser. Fiber strength utilization ratio of two-dimensional triaxial braided flat tapes with different structures was greater than 0.800, while the fiber strength utilization ratio of the ply yarn was less than 0.800, so comparing with the tensile strength of the reinforced fabrics made of the ply yarns, that of the flat tapes fabrics was obviously improved.

silica fiber, two-dimensional triaxial braided flat tape, ply yarn, fiber strength utilization ratio, tensile strength, flat tape, reinforced fabric

*扬州市绿扬金凤人才计划项目,江苏省“双创”人才计划项目

2016-01-15

梁双强，男，1991年生，在读博士研究生，研究方向为纺织工艺与装备

陈革，E-mail:chenge@dhu.edu.cn

TS156， TB332

A

1004-7093(2017)03-0007-05