碳纖維二維編織管狀織物的編織工藝

馬曉紅， 檀江濤， 秦志剛

(河北科技大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 河北 石家莊 050018)

碳纖維是一種應(yīng)用于軍工航天等高技術(shù)領(lǐng)域的新型增強材料，其力學(xué)性能突出，又具備類似普通纖維的柔軟可編織性，因此，通常被用來作為編織復(fù)合材料增強體[1-2]。在復(fù)合材料增強體的各種編織工藝中，二維編織工藝在編織纖維過程中對纖維的力學(xué)性能損傷較小，同時可與不同截面形狀的芯模進(jìn)行緊密貼合，使得增強體的整體性較好。由于二維編織物組織結(jié)構(gòu)變化較少，因此，目前主要是通過改變編織過程中芯軸形狀、紗錠數(shù)量以及底盤軌跡對二維編織管狀織物進(jìn)行設(shè)計[3]。其中碳纖維二維編織管狀織物可通過平壓方式制成層合板結(jié)構(gòu)復(fù)合材料或直接制成管件復(fù)合材料[4]。但由于碳纖維復(fù)絲屬于脆性材料，耐彎折性差，受磨損后易起毛斷裂，同時碳纖維本身具有導(dǎo)電性，使得二維編織過程難度增加[5-6]。

1 碳纖維的可編織性

1.1 拉伸斷裂性能

采用日本東麗公司生產(chǎn)的T300B-3000-40B型碳纖維復(fù)絲，線密度為198 tex，密度為1.76 g/cm3。為考察所用碳纖維復(fù)絲原料在編織過程中的特性，首先參照GB/T 3362—2005《碳纖維復(fù)絲拉伸性能實驗方法》對其進(jìn)行拉伸性能測試。由于碳纖維復(fù)絲在實際編織過程中未進(jìn)行二次上漿，因此，本文試驗在測試碳纖維拉伸強度時未對整個紗線進(jìn)行浸膠，僅對夾頭所夾持的紗線進(jìn)行了樹脂固化。采用深圳郎博萬公司所生產(chǎn)的 NO.1-691型環(huán)氧樹脂和所對應(yīng)的固化劑，按樹脂與固化劑質(zhì)量比為3∶1對紗線進(jìn)行常溫固化，然后參照上述國標(biāo)中加強片的要求，對試樣黏貼加強片。本文試驗選用1.2 mm厚的紙板作為加強片，將碳纖維兩端夾在2片紙板中間，并利用室溫固化的502黏膠劑黏貼紙板，試樣形狀及尺寸如圖1所示。測試設(shè)備采用深圳三思縱橫科技有限公司UTM5105型電子萬能強力機，上下夾頭距離為150 mm，夾頭加載速度為2 mm/min，試樣斷裂處距兩頭夾緊處距離大于10 mm判定為有效試樣，取6組有效試驗結(jié)果平均值進(jìn)行記錄。同時選用75 tex的玻璃纖維、18.3 tex的棉纖維以及33 tex的滌綸長絲進(jìn)行拉伸性能測試，與碳纖維測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表1。

圖1 碳纖維復(fù)絲拉伸性能測試樣Fig.1 Schematic of tension strength measurement of carbon fiber bundles

紗線種類線密度/tex斷裂強力/cN斷裂伸長率/%斷裂強度/(cN·tex-1)碳纖維198.017 106.001.1286.39玻璃纖維75.03 743.502.2049.91棉纖維18.3188.103.8310.28滌綸長絲33.01 094.3825.5833.16

本文試驗所使用的碳纖維標(biāo)準(zhǔn)斷裂強度為200.5 cN/tex，斷裂伸長率為1.5%，斷裂強力為 39 700 cN。由于試驗未對碳纖維復(fù)絲浸膠，相關(guān)力學(xué)參數(shù)與其標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)有所差異，但并不影響對碳纖維復(fù)絲實際編織過程中的力學(xué)性能分析。

對比表1中測試數(shù)據(jù)可知，碳纖維斷裂強度高于玻璃纖維、棉纖維以及滌綸長絲，但其斷裂伸長率低，延伸性較差。

1.2 折角磨損性能

1.2.1折角磨損測試儀

在二維編織機編織過程中，碳纖維復(fù)絲穿過紗管上端瓷眼到達(dá)編織點，使紗線瓷眼所在中心軸線呈一定角度θ，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 紗線與瓷眼所成夾角Fig.2 Angle between of yarn and porcelain eye

為模擬二維編織機編織過程中紗線穿過導(dǎo)紗瓷眼的受力磨損情況，設(shè)計了紗線折角磨損實驗裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—與電動機連接的圓盤；2—搖桿；3—滑塊；4—角度盤；5—角度指針；6—中空管；7—瓷眼；8—碳纖維復(fù)絲；9—砝碼。圖3 折角磨損測試儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of corner wear test machine

搖桿一端固定在與電動機連接的圓盤一端，另一端與滑塊相連，電動機一端連接有電動機控制器，可調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速以及電動機轉(zhuǎn)數(shù)，角度指針?biāo)缚潭葹榧喚€與瓷眼的中心軸線所成夾角θ。碳纖維復(fù)絲一端固定于滑塊上，通過裝有導(dǎo)紗瓷眼的中空管件后另一端與砝碼連接。

1.2.2正交試驗方案設(shè)計

式中，Bi為多時相近紅外最小值合成圖像上第i個像元的灰度值；Bmax和Bmin分別表示在多時相全色圖像上提取的積雪范圍內(nèi)，通過近紅外波段多時相最小值合成后圖像上的最大像元值和最小像元值.當(dāng)上式成立時，像元值賦為1，表示為積雪，否則為0，表示為非積雪區(qū).

選擇編織過程中常見的工藝參數(shù)轉(zhuǎn)速(40、80、120 r/min)、砝碼質(zhì)量(20、60、100 g)和夾角θ(30°、45°、60°)3個因素進(jìn)行研究，為了得出3個因素對紗線折角磨損影響的顯著程度，運用L9(34)正交試驗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1.2.3試驗結(jié)果及分析

利用上述自制試驗設(shè)備進(jìn)行碳纖維瓷眼處折角磨損試驗，以100次摩擦為準(zhǔn)，即滑塊往復(fù)運行次數(shù)。摩擦后紗線外觀狀況如圖4所示，因子參數(shù)條件和正交設(shè)計方法如表2所示，正交設(shè)計試驗方差分析如表3所示。

圖4 不同試驗條件下碳纖維復(fù)絲摩擦后外觀狀態(tài)Fig.4 Appearance status of carbon fiber after different friction experiment

試驗編號A轉(zhuǎn)速/(r·min-1)B砝碼質(zhì)量/gC夾角θ/(°)斷裂強力/N損傷率/%1#4020301635.852#4060451592.923#40100601559.364#8020451662.925#8060601612.346#801003013819.307#12020601681.758#12060301568.199#1201004515310.53斷裂強力K1477497457K2465476478K3477446484R125127

表2中極差R值可反映相應(yīng)因子對試驗結(jié)果的影響程度，數(shù)值越大影響越大，反之影響越小。 由表2可知，第2列的極差R最大，則說明碳纖維復(fù)絲瓷眼處折角磨損過程中牽引力對紗線的磨損影響最大，比較表2中的極差R值，可得到3個因子對碳纖維復(fù)絲瓷眼處折角磨損的影響大小排序：砝碼質(zhì)量>夾角θ>轉(zhuǎn)速，即牽引力>折角>編織速度。最適水平是A1B1C3。

表3 正交試驗方差分析表Tab.3 Orthogonal design experimental variance analysis table

注：F0.05(2,2)=19.0，F(xiàn)0.1(2,2)=9.0，F(xiàn)0.2(2,2)=4.0；*為因素對試驗結(jié)果的影響顯著性，數(shù)量越多影響越顯著。

比較表3中F值的大小可知，砝碼質(zhì)量對磨損后的斷裂強力影響最為顯著，其次為夾角θ，轉(zhuǎn)速影響最小。

表3中的統(tǒng)計分析結(jié)果與表2一致，因此可知，磨損程度最小的因素組合為A1B1C3，即選擇轉(zhuǎn)速為40 r/min，砝碼質(zhì)量為20 g，夾角θ為60°，此時碳纖維復(fù)絲瓷眼處磨損后的斷裂強力為170 N，與未磨損的碳纖維復(fù)絲斷裂強力接近，試驗結(jié)果良好。

2 碳纖維二維編織管狀織物編織

2.1 碳纖維復(fù)絲紗管纏繞

二維編織過程中，碳纖維復(fù)絲需纏繞到紗管上再進(jìn)行編織，因此，紗管纏繞參數(shù)對碳纖維復(fù)絲的編織影響較大。在編織過程中應(yīng)注意以下幾個問題。

1)碳纖維復(fù)絲具有優(yōu)異的耐高溫性，當(dāng)溫度高于1 800 ℃時強力才開始有下降趨勢[7]，因此，在纏繞紗管時不宜選用高溫斷絲的自動纏繞機，可選用半自動紗管纏繞機進(jìn)行纏繞，每個紗管纏繞完畢后，利用剪刀將紗線剪斷再更換紗管。

2)碳纖維斷裂伸長率小，屬于脆性材料，彎曲纏繞過程中易產(chǎn)生飛花，因此，纏繞機要保持低速纏繞，減少碳纖維復(fù)絲在纏繞過程中的損傷[8]。同時，纏繞過程中向紗線上噴灑適量的水，可降低短纖飛花的產(chǎn)生，從而進(jìn)一步降低碳纖維復(fù)絲的損傷。

3)紗線張力的大小是纏繞紗管質(zhì)量良好的關(guān)鍵因素。纏繞紗管過程中提高紗線的張力有利于碳纖維復(fù)絲在紗管上的均勻分布，但會加大紗線與導(dǎo)紗部件之間的摩擦，使紗線受到磨損，產(chǎn)生短纖飛花。同時紗線纏繞張力過大，易造成紗管上的紗線相互擠壓，編織時紗管兩端邊緣處的紗線與紗管摩擦力較大，易出現(xiàn)斷紗現(xiàn)象；因此，適當(dāng)控制纏繞過程中的張力，易于編織過程中紗管上的紗線順利退繞。

4)紗管橫向纏繞范圍越小，編織時紗線退繞張力越小，易于碳纖維復(fù)絲無損退繞；但是橫向范圍過小使得紗管上纏繞紗線較少，增加了紗管更換次數(shù)，不利于連續(xù)編織，因此，選擇適合的紗線橫向纏繞范圍有利于碳纖維復(fù)絲的編織工藝。

2.2 管狀織物編織工藝

設(shè)計了編織結(jié)構(gòu)為1×1和2×2的圓形截面管狀織物，其中：1×1編織結(jié)構(gòu)即相互交織的紗線每隔1束交叉1次，組織結(jié)構(gòu)類似于機織物中的平紋組織；2×2編織結(jié)構(gòu)即相互交織的紗線每隔2束交叉1次，組織結(jié)構(gòu)類似于機織物中的方平組織[9]。編織機選用江蘇徐州恒輝編織機械有限公司生產(chǎn)的KBL 24-2-90型24錠編織機，示意圖如圖5所示。

圖5 24錠編織機Fig.5 Braiding machine with 24 spindles

將芯模直徑為8 mm的塑料軟管預(yù)先安裝在編織機上，在編織機控制臺上輸入編織節(jié)距及編織速度來進(jìn)行管狀織物的編織。編織物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。編織節(jié)距為同根紗線編織到原位置時軸向方向的直線距離；編織角α為編織紗線與編織方向的夾角[10]。所制備的不同編織工藝的管狀編織物如圖6所示。

參照GB/T 8834—2016《纖維繩索有關(guān)物理和機械性能的測試》，在UTM5105型電子萬能強力機上對編織好的二維編織管狀織物進(jìn)行拉伸性能測試。試樣夾持距離為400 mm，拉伸速度為20 mm/min。試驗前對編織物施加一定的預(yù)張力，使管狀織物處于自然伸直狀態(tài)[11]。編織物力學(xué)性能如表4所示。

表4 編織物基本參數(shù)及力學(xué)性能Tab.4 Basic parameters and mechanical properties of 2-D braided fabrics

圖6 二維編織管狀織物Fig.6 Two-dimensional braided tubular fabric

由表4可知，相同編織紗線根數(shù)下，隨著編織節(jié)距的減小，二維編織物的面密度逐漸增加，編織角α逐漸增大，二維編織物的斷裂強力逐漸減小。由圖6可看出，隨著編織節(jié)距減小，編織紗線越緊密，織物表面起毛現(xiàn)象越嚴(yán)重。原因是在編織過程中，編織節(jié)距的減小使得紗線交織點逐漸靠近編織圓盤，紗線與瓷眼中心軸線所成夾角增大，致使紗線與瓷眼的滑動摩擦增強，使得紗線起毛嚴(yán)重，易出現(xiàn)斷紗現(xiàn)象。

對比圖6中的1#和5#、2#和6#、3#和7#、4#和8#織物，同時由表4可知，隨著編織紗線根數(shù)的增加，編織物的面密度增加明顯，同時織物表面起毛越嚴(yán)重，原因是紗線根數(shù)的增加使得紗線之間的摩擦次數(shù)增加。同時在相同的編織節(jié)距條件下，隨著編織紗線根數(shù)的增加，二維編織管狀織物的斷裂強力也逐漸增加，雖然編織紗線根數(shù)的增加使得紗線之間的磨損有所增加，但對編織物的整體斷裂強力影響并不顯著。

另外，利用碳纖維復(fù)絲編織二維編織物時，由于紗線產(chǎn)生的飛花比較嚴(yán)重，且碳纖維為導(dǎo)電材料，為減少對碳纖維復(fù)絲的破壞以及避免設(shè)備中電子元件的損傷，應(yīng)利用較低的編織速度進(jìn)行碳纖維復(fù)絲的編織。在長期進(jìn)行碳纖維編織生產(chǎn)的試驗室以及車間里，應(yīng)利用塑料袋等非導(dǎo)電材料對周邊電器設(shè)備采取保護(hù)措施。

3 結(jié) 論

1)二維編織過程中碳纖維復(fù)絲瓷眼處折角磨損的影響因素大小排序為：牽引力>折角>編織速度。

2)碳纖維二維編織過程中，紗線牽引力越大、紗線與瓷眼中心軸線所成夾角越大、編織速度越快，紗線起毛越嚴(yán)重，致使紗線斷裂強力下降，易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

3)編織節(jié)距的減小和編織紗線根數(shù)的增加，都會使得紗線排列越緊密，管狀織物的面密度增加，同時也加重因紗線磨損出現(xiàn)的織物表面的起毛現(xiàn)象。二維編織管狀織物整體斷裂強力隨編織紗線根數(shù)的增加而增加。

4)碳纖維為脆性材料，紗管纏繞過程應(yīng)控制采用低速纏繞以減少紗線飛花的產(chǎn)生，從而降低對紗線的損傷。同時適當(dāng)縮小紗管纏繞寬度，可達(dá)到降低編織過程中紗線退繞張力的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賀福,王茂章. 碳纖維及其復(fù)合材料[M].北京:科學(xué)出版社,1995:306-309.

HE Fu, WANG Maozhang. Carbon Fiber and Composite Materials[M]. Beijing: Science Press,1995:306-309.

[2] OKANO M，NAKAI A，HAMADA H．Axial cruhing performance of braided composite tubes[J]. International Journal of Crashworthiness, 2005,10(3):287-294.

[3] 唐夢云. 碳-芳綸混雜二維編織復(fù)合材料沖擊性能實驗研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué),2017:2.

TANG Mengyun. Experimental study on impact properties of carbon aramid hybrid two dimensional braided composites [D]. Tianjin: Tianjin Polytechnic University,2017:2.

[4] 王文莎,閻建華,顧海麟. 二維三軸向編織混雜層合復(fù)合材料的沖擊性能[J]. 紡織學(xué)報,2015,36(10):54-61.

WANG Wensha, YAN Jianhua, GU Hailin. Investigation on impact properties of 2-D triaxial braided-hybrid laminated composites[J]. Journal of Textile Research, 2015,36(10):54-61.

[5] 馬曉紅,檀江濤,秦志剛. 二維編織復(fù)合材料管件力學(xué)性能研究進(jìn)展[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料,2017(6):100-103.

MA Xiaohong, TAN Jiangtao, QIN Zhigang. Development of investigation on mechanical properties of 2-D braided composites tubes[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites,2017(6):100-103.

[6] OKANO M, SUGIMOTO K, SAITO H, et al. Effect of the braiding angle on the energy absorption properties of a hybrid braided FRP tube[J]. Journal of Materials Design and Applications,2005,219(1):59-66.

[7] 馮志海,李同起,楊云華,等. 碳纖維在高溫下的結(jié)構(gòu)、性能演變研究[J].中國材料進(jìn)展,2012(8):7-14.

FENG Zhihai, LI Tongqi, YANG Yunhua,et al. Evolution of the structure and performance of carbon fibers at high temperatures[J]. Materials China, 2012(8):7-14.

[8] 趙敏,楊坤,劉松.碳纖維編織性能的研究[J].針織工業(yè),2012(1):11-13.

ZHAO Min, YANG Kun, LIU Song. Knitting property of carbon fiber yarn[J]. Knitting Industries, 2012(1):11-13.

[9] 尚自杰,吳曉青,諸利明. 二維編織在復(fù)合材料中的應(yīng)用研究[J]. 天津紡織科技,2016(2):6-7.

SHANG Zijie, WU Xiaoqing, ZHU Liming. Research on the application of 2D braided composites[J]. Tianjin Textile Science & Technology,2016(2):6-7.

[10] 夏燕茂. 二維編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能研究[D].石家莊：河北科技大學(xué),2015:15.

XIA Yanmao. Study on the structure and mechanical properties of 2D braided composites[D]. Shijiazhang: Hebei University of Science and Technology, 2015:15.

[11] 趙倩娟,焦亞男. 二維編織包芯繩索的結(jié)構(gòu)與拉伸性能[J]. 紡織學(xué)報, 2012,33(3):53-57.

ZHAO Qianjuan, JIAO Ya′nan. Structure and tensile properties of 2-D braided cored rope[J]. Journal of Textile Research, 2012,33(3):53-57.