多轴向经编织物 6页

取向经编织物(三)多轴向经编织物多轴向织物（MultiaxialWarpknitting，简称为MWK）在0o、90o和±θ方向都衬有增强纱线，θ可以在30o～90o之间变化，多层纱片由经平组织或编链组织绑缚在一起。因此多轴向织物是一种多层织物。纤维铺设在面内不同方向（衬纱系统）以及沿厚度方向（绑缚系统），形成由纤维束构成的三维网络整体结构。一、结构与性能现在这种具有工程技术特色的多轴向衬纱结构在全球范围内越来越引起人们的极大兴趣，其使用范围越来越广，尤其是在过去的三年内。但是多轴向织物的定义和描述还是最近刚刚提出来的。这种多轴向衬纱织物定义为：“一种由针织系统或化学粘合剂固定在一起的基布，由一层或多层平行伸直的纱线层组成，每层纱线可以排列在不同的方向。每层纱线的密度可以不同，并可以与纤维网、胶片、泡沫或其它材料结合在一起。衬纱（warps）可以与横向平行或交叉。这种多轴向衬纱织物可以在带有纬纱衬入系统（平行的或交叉的纬纱衬入）的经编机生产或由化学粘合剂粘结而成。”在实际过程中，在定义纱层的结构时经常出现一些误解。新标准规定：“一种纺织结构，由一层或多层平行伸直的纱线层组成，每层纱线可以排列在不同的方向。每层纱线的密度可以不同，并可以与纤维网、胶片、泡沫或其它材料结合在一起。各个纱层的取向方向由产品的方向决定。生产方向定义为0°，根据ISO/DIS1268-1使用正负方向角来定义纱层取向的方向（90°为最大角）。纱层的方向定义如下：介于0°和90°之间的纱层用该纱层的方向与0°之间的夹角并加上+或–来表示。如果纱层排列在系统坐标轴的正象限，则用“+”表示；如果纱层排列在系统坐标轴的负象限，则用“–”表示，如图10-3-1 。纱层可以与横向平行或与横向成一定角度衬入。“根据这个定义，描述纱层结构时只能有一种标准的统一的描述。描述参数包括结构中纱层的次序（第一层衬纱为层和结构中的第一层）和纱层取向的方向（+/–）。采用正号或负号定义衬纱的方向（如+45°/–45°）已经使用多年，这次制定标准时也就沿用了这种方法。（一）结构图10-3-2为一种典型的多轴向经编织物的结构图。它包含四个衬纱系统（分别为衬经纱、衬纬纱和两组斜向衬纱）和一个绑缚系统。和双轴向织物一样，四组衬纱平行伸直排列形成四个纱线层，由编织线圈绑缚在一起，图中地纱组织为编链组织。按照上述的规定，四组衬纱的衬入次序和方向为：0°/90°/+45°/–45°。（二）性能1．拉伸性能多轴向经编织物的特点在于整体性能好、设计灵活、拉伸性能和抗撕裂性能好，特别是沿厚度方向纱线的增强，大大提高了层间性能，克服了传统层合板层间性能差的弱点。织物面内任意方向上的拉伸强度和拉伸模量可以通过衬纱的强度和衬入方向进行计算。织物可以按需要设计成面内拉伸各向同性或各向异性。当θ=±45o时，织物可以近似认为面内拉伸各向同性。2．双斜向织物的成型性能对于图10-3-3的经编双斜向织物（±45o）来说，当+45o的衬纱顺时针旋转，而同时–45o的衬纱逆时针旋转时，经平绑缚组织沿纬向将受拉伸长，沿经向将缩短。经平组织沿纬向具有很大的延展性。这种双斜向织物在成型过程中衬纱沿纬向产生集束现象，这是这种织物变形的一个重要特点。另一种情况，当+45o的衬纱逆时针旋转，而同时–45o的衬纱顺时针旋转时，经平绑缚组织沿经向将受拉伸长，而沿纬向将缩短。但经平绑缚组织沿经向的延展性却很小，使这种双斜向织物（±45o）在成型过程中易于沿纬向集束。对这种织物进行半球冲压后，织物无起拱现象产生，说明这种双斜向织物（±45o）具有较好的成型性能。3．剪切性能双轴向经编织物和机织物在斜向外力（与织物经向呈45°）或平行剪切力的作用下是不稳定的。而在多轴向经编织物中由于引入了两组对角线纱线，这样织物的剪切变形便受到抑制，因此，多轴向经编织物具有良好的剪切性能。二、生产设备及工艺（一）生产设备卡尔迈耶公司生产的Multiaxial多轴向经编机，它是一种高技术经编机，带有几个系统的纱线衬入系统。（二）生产工艺1．原料衬纱通常采用力学性能良好的高性能纤维，如涤纶（PET），锦纶（PA），丙纶（PP），高压聚乙烯纤维（HD-PE），高强锦纶，玻璃纤维（GF），碳纤维（CF）和凯夫拉（Kevlar）纤维。可以是低捻度的柔性短纤纱，也可以是无捻的高性能长丝。用作增强纱线时，一般采用高性能无捻长丝，有时为了便于织造，纱线可以稍加捻。纱线一般较粗，最粗可达约2500tex。地纱通常采用价格低廉的普通纤维，纱支一般为160dtex左右。如产品沿厚度方向的性能要求较高，则使用便于成圈的高性能纤维，如高强涤纶等。单根纱线的密度以及它们的取向角可以随载荷的类型而变化。2．组织通常使用的衬纱角度为-45°、90°、+45°和0°，可以按织物的用途任意变化。如衬纱角度为-45°、0°和+45°、0°或-45°、90°和+45°，则可以形成三轴向经编织物；如果只在-45°和+45°方向上衬入纱线，则可形成双斜向经编织物。这就使得材料具有一定的各向异性，即材料只在受力点和受力方向上得到增强。编织纱（及绑缚系统）通常采用经平组织或编链组织。编制纱的存在提高了层间的剪切强度和各个方向上的尺寸稳定性，将分层的可能降低到最低程度，使第三方向也就是Z方向得到了增强。编织原理如图10-3-4。3．工艺举例多轴向经编织物（一）（1）机器参数机型：Multiaxial多轴向经编机；机号：F5；幅宽：50"；带有纬纱衬入系统和纤维网衬入装置（2）原料（基布）斜向衬纱+45：6000dtex玻璃纤维粗纱衬纬纱90°：6000dtex玻璃纤维粗纱斜向衬纱-45°：6000dtex玻璃纤维粗纱经编纱：140dtex涤纶710（3）组织地组织：编链织入顺序：纤维网/+45°/90°/-45°//（4）织物参数缝迹长度：2.5mm；织物克重：1130g /m2多轴向经编织物（二）（1）机器参数机型：Multiaxial多轴向经编机；机号：F5；幅宽：50"；带有纬纱衬入系统和纤维网衬入装置（2）原料（基布）斜向衬纱+45°：4000dtex碳纤纱斜向衬纱-45°：4000dtex碳纤纱经编纱：76dtex/24f涤纶变形纱（3）组织地组织：编链织入顺序：-45°/+45°//（4）织物参数缝迹长度：2.5mm，织物克重：550g/m2三、产品应用由于多轴向经编织物具有较低的生产成本、较高的生产效率、结构整体性、设计灵活性、抗撕裂性能好、层间剪切力强等优点而越来越引起人们的注意，在产业用领域具有很大的潜力，使用日趋广泛，尤其使用作树脂复合材料的骨架。利用高性能纤维，如碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维和高强涤纶等，制成多轴向衬纱经编织物，将该织物作为骨架材料与树脂复合后，制成纤维增强复合材料，可用于飞机、航天器、汽车、舰艇、装甲车等方面。通常使用的树脂有（1）热固性树脂，如环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂脲醛树脂等；（2）热塑性树脂，如聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺树脂（PI）、聚芳酶酮树脂（PEEK）等。另外，这种多轴向经编织物还可增强混凝土，用于旧的建筑物的修复。（一）航空航天航空航天工业是纤维增强复合材料最新进入的领域，也一直是多轴向经编织物重要的应用领域。将一千克的有效载荷带到太空中要花25000欧元，纤维增强复合材料因为具有很高的强质比，因此在航空航天工业中应用具有很大的优势。例如，为了将技术资料传输回地球，在卫星上要安装大型发射天线。德国MBB公司利用这种经编织物作为天线的反射面，整个天线就像一把巨型折叠伞，可以收拢和展开。在飞机上使用以多轴向经编织物为骨架的复合材料，可以大大减轻机身的重量、增加飞机的使用寿命，而且能够防火、耐腐蚀以及抗化学药品。最重要的是，构件的强度可以根据要求进行精确的设计。早在1992年，这种碳纤维增强复合材料就已经用于空中客车A320上，如图10-3-5。它可以携带555名乘客飞行16000千米，而不需要中途着落。与以前使用的金属材料相比较，使用这种纤维复合材料能使机身重量减轻约20%。另外，使用这种纤维复合材料还可以将具有不同形状的构件组合在一起，预制成有限的几个外形复杂的组合构件，而不需要先加工出许多单个构件，然后再进行大量的组装。在空中客车A320上，只需要组装96个这样的组合构件，而同样的铝制结构则需要2072个构件。二）车船制造该织物也广泛用于游艇、舰艇建造。用于游艇（图10-3-6 ）建造的经编织物以玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、高强聚酯纤维或它们的混纺纤维为原料。在织物生产过程中可同时喂入非织造织物或玻璃纤维絮片。用经编织物替代机织物能使游艇生产者获得相当明显的效益，用强度相同的经编织物替代机织物，可节省30%的玻璃纤维。上世纪80年代末、90年代初游艇每年的销售额为1.2亿美元，其中40%的游艇使用经编织物，而在高速赛艇中，经编织物已完全取代了传统的机织物。由于游艇要在极端恶劣的条件下工作，如大幅度的温度变化、浸泡在有腐蚀性的咸水中、贝类附着生长等，因此抗剥离性具有重要的意义。用拉舍尔织物替代机织物抗剥离性能提高204%。用拉舍尔织物替代机织物可使重量减少15～25%，这是由于这种玻璃纤维增强结构可以精确设计的结果。除了可减少纱线的使用量以及减轻游艇重量外，还能够减少合成树脂的用量、缩短浸渍时间等优点。如游艇、舰艇的艇身可以由碳纤维多轴向经编织物复合后制成，由于使用的是碳纤维，艇体很轻，且不易被雷达发现。舰艇行业对碳纤维的需求量很大，制作一条12m长的海岸用小艇，就需要约500kg的碳纤维多轴向织物。混凝土的船只一般采用玻璃纤维多轴向经编织物作为骨架材料，有的渔船用玻璃纤维夹芯骨架经复合制成，船体轻，而且容易清洗。利用这项技术，卡尔迈耶马莫利公司、德累斯顿大学以及开姆尼茨Saxon纺织研究所联合开发了一艘名为“蓝色奇迹”的独木舟。其尺寸为：4090mm×730mm×320mm，重量仅为27kg，因为其船体厚度只有2～3mm。高速火车的壳体现在也开始采用多轴向经编复合材料制作。挪威DEVOLD公司就已经用AMT（AdvancedMuhiaxialTechnology，先进多轴向技术）织物缠绕复合而成了这样的车箱。（三）风力发电近年来多轴向经编织物的发展也得益于风力发电机的发展。特别是在过去的四年内，风力发电站的建设迅速发展，全球已经投入使用的风力发电站的数目直线上升，图10-3-7为德国风力发电量的增长情况。多轴向经编织物因为具有优良的机械性能和很轻的重量而非常适用于风力发电机的叶片，如图10-3-8。中国和巴西这些国家幅员辽阔，地理位置优越，有大的草原和很长的海岸线，开发和利用风能的潜能很大。这也使得多轴向经编织物在这一领域的应用变得更加重要。如果风力发电机容量为1000千瓦，则需要有三支40m长的叶片，风力发电机的叶片传统上采用玻璃纤维机织物做骨架，目前多用多轴向经编织物制作。（四）建筑工程现在这种多轴向织物正在越来越多地用来增强混凝土，用于重建和修复建筑物。例如在海岛上和悬崖绝壁上的钢筋混凝土立柱要承受极其恶劣的气候条件。它们用来传送高架输电线，或是将气象测量仪器置于一定的高度。并且，在50-60年内不会出现大的破坏，使其值得适当地投资。然而，很多钢筋混凝土立柱在大约服务15年后便出现了损坏的迹象。通常这些损坏是可以消除的。通过适当的修复和加固方法，可以恢复其初始承载能力，甚至还能够提高。从而能使混凝土立柱的使用寿命加倍。这里，纵向裂纹不会引起任何问题，但是要排除扭转对立柱头的破坏，却对修复方法提出了很高的要求。Dresden技术大学提出了一个新的观念，其目的就在于使混凝土立柱在修复后承载能力能够得到提高。在混凝土立柱的整个长度方向上包覆上一层多轴向增强结构来增强混凝土，这样可以恢复其稳定性，还能够抗扭转应力和弯曲应力。使用的增强材料为日本NEG的AR620S-800耐碱玻璃纤维长丝纱，细度为620tex，也就相当于纱线的横截面积为0.23mm2，其应力/应变性能与ISO3341相一致。试验得出，纱线伸长为0.99%时，其抗拉强度为742N/mm2。为了评定这种玻璃纤维增强件必要的性能和结构，除了可以获得原材料物理性能的试验结果外，还可以得到纺织结构增强混凝土试样的拉伸/变形曲线上的数据。这些数据是由拉伸试验得到的。将拉伸力作用在尚未加工的纤维上，断裂伸长为0.79%时，其横截面上的拉伸应力617N/mm2。这种纺织增强结构由带有多轴向衬纬系统的马里莫14024缝编机生产。在所有可以使用的机号中，7F看来是最好的。它能够获得最满意的几何要求——相邻纱线轴之间的理论距离为14.4mm。缝迹只在经纱区域形成，这可以保证编织纱的比例在最终的结构中保持较低，并保证需要的网眼宽度与砂浆中的最大颗粒直径相一致。该结构选择的缝迹为3.5mm。图10-3-9所示为一种合适的增强结构，在其纵向、横向和斜向（+45°和- 45°）都有增强纱线。使用这种织物，可以增强圆形截面混凝土立柱各个方向上的拉伸力。贯穿于该结构长度方向上的增强纱线可以吸收由于弯曲而在立柱表面产生的拉伸应力。该织物中横向的纱线可以吸收立柱受力区域的横向应力，并避免长度方向上的增强纤维在横截面上的受压区域受压弯曲。当圆形横截面上出现扭转应力时，压应力和张应力与长度方向呈+45°或–45°处于结构的表面。这里，该织物可以直接吸收拉伸应力而不偏离受力方向。此外，还对一个三向结构织物（图10-3-10）在受到弯曲时受压区的增强效果进行了研究。该织物也使用同样的机械技术生产的。为了改变该织物中增强纤维必须的百分含量，+45°或-45°方向上相邻纱线轴之间的理论距离必须降到5.4mm。该结构改良的松弛性能和斜向衬纱的局部偏离可以带来额外的加强。因此，该结构不能完全达到必要的网眼角度。施工时采用湿法，使用几层这样的纺织增强结构以及可喷洒砂浆，其最大颗粒直径为1mm。可以采用两种方法：“包缠法”和分层“包覆法”。从技术角度上来讲，首先选择后者。表面的光滑处理相对简单。没有必要使用模板。通过对未损坏的、未增强的和增强的原始混凝土立柱以及碎裂的混凝土立柱的试验，研究和演示了所能获得的巨大的承载能力。方法是对水平放置的、8米长的混凝土立柱段进行受力控制弯曲试验。为了使试验更像混凝土立柱安装后遇到的情况，进行三点弯曲试验时，并不是将力作用在试样的中间，而是作用在离支点1米处的地方，跨度为7米。在扭转试验中，受力也是受到控制的，在试验混凝土立柱顶部2米处进行。扭转跨度为1米。弯曲试验结果显示其修复效果是良好的。使用三层上述的多轴向结构增强材料、用“包覆法”进行增强，如图10-3-11。总的增强层厚度为1cm，承载能力几乎提高30%。在扭转试验中，使用同样的增强方法，最大载荷增加约为60%。另外，一段碎裂的混凝土立柱用5层该三向结构进行包覆增强，并作了弯曲试验。通过使用纺织增强混凝土，几天后混凝土立柱的承载能力可以得到有效地提高。试验中所描述的增强结构是一种低成本的、具有革命性的材料，能长期保护已建的建筑。该方法可以很容易地应用于承受多向载荷的曲面建筑和直构件。（五）其它应用1．防弹衣、头盔防护服要求质地轻，给穿着者最佳的活动自由。同时，必须能提供必要的防护功能。在多轴向经编机上，可只采用±45°双向衬线编织出骨架材料，该材料可制作防弹衣和头盔（图10-3-12）。试验和实践都表明，这种双斜向经编织物具有很好的可成型性，衬线的这种配置方式十分有利于骨架的深冲成形。2．储气膜ConTiTech已经将多轴向经编结构加工成储气膜（图10-3-13）。将这个多轴向的经编织物涂层，形成直径为60m的圆柱形容器，就可以作为用于密封气体的衬里。在这样的高技术产品实现之前，为了获得最佳的结构，进行了大量的计算和试验，与纤维生产者、纺织机械生产者、技术大学以及从事成形工艺、涂层工艺的技术人员进行了广泛的接触。3．体育用品纤维复合材料在体育部门的使用已日趋广泛，尤其是在生产高档体育用品方面。由高性能纤维织成的多轴向织物可以用来生成滑雪板、冲浪板、滑道和帆布（图10-3-14）等体育用品和设施。4．模压织物由平面网孔经编织物模压而成的三向织物，在织物的上下两面覆盖复合材料板材后，可制成重量极轻的夹芯板材，在飞机、船舶方面有着广泛的用途。5．网孔救援管道为了便于高层建筑的火灾救援，挪威一家公司在管道形状的拉舍尔网孔织物的基础上，研制成功了一种新型滑道装置，可作为救援管道，管道由芳纶纱制成，由金属环握持，能耐400℃的高温。处于滑道内的人员下滑速度最大为1m /s，因此十分安全。该网孔管道亦可用于直升飞机的海上救援，或海上工程作业。作为一种新颖的结构材料，将来，进一步的使用和应用前景使这种多轴向经编织物具有很大的吸引力。