氧化鋁纖維束織造過程中摩擦磨損性能研究*

解錫明 吳 寧 王 玉

1. 天津工業大學紡織科學與工程學院，天津300387；2. 天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津300387

纖維立體織物增強復合材料因具有更強的可設計性能和優異的整體力學性能，被廣泛用作航天航空、汽車、能源等領域的承力結構件[1-3]。在纖維立體織物的織造過程中，多層紗線間會由于頻繁地接觸而極易引起紗線的損傷，這種損傷不僅會導致紗線力學性能的降低，還會造成織造過程的中斷，甚至影響復合材料的整體力學性能[4-6]。因此，摩擦和磨損一直是纖維材料應用中不容忽視的問題。

早在20世紀三四十年代，國外學者就對纖維材料的摩擦和磨損行為進行了一系列研究[7-9]，并在此基礎上，針對紗線織造過程中的摩擦磨損問題展開了大量的研究。

Lee等[10]研究表明，碳纖維三維編織立體織物中經紗的拉伸斷裂強度最大值相比未織造前的減小了12%。Cornelissen等[11]采用絞盤法研究了碳纖維束與金屬，以及碳纖維束之間的摩擦機理，結果表明，接觸面的表面粗糙度是影響碳纖維束與金屬間摩擦磨損行為的主要因素，而碳纖維束的相對運動方向是影響碳纖維束之間摩擦磨損行為的主要因素。Archer等[12]對比分析了立體織造過程中不同種類的碳纖維紗線的織造損傷程度，結果表明碳纖維紗線的拉伸斷裂強度整體減小了9%～10%，且12K、6K和3K碳纖維紗線之間的拉伸強度偏差小于3%。Chakladar等[13]就碳纖維束的彎折角度對纖維束之間和纖維束內部長絲的摩擦機理的影響進行了探討，并建立了數學模型，結果表明彎折角度對纖維摩擦損傷狀況影響顯著，且纖維束內部長絲的摩擦系數隨著反復拉伸次數的增加而減小。Brown 等[14]用絞盤法測試了芳綸織物在低速、大載荷條件下的摩擦磨損性能，結果表明在一定的循環次數下，織物的磨損率和施加的載荷成正比。Marcicano等[15]基于紗線在圓形捻線機上的橫向滑移，實現了紗線橫向摩擦系數的測量，并通過約束紗線在旋轉時靠近約束裝置的高度，實現了橫向摩擦角度的變換，該方法被證實測量紗線橫向摩擦系數的準確度極高。

李錦元[16]研究了開口及打緯運動過程中經紗在綜眼內的移動摩擦問題，提出降低梭口高度、加大其對稱比和盡可能延遲開口時間等，都有利于減少經紗移動量。王鴻博[17]通過自制的紗線耐磨裝置，分析了織造工藝參數對經紗耐磨性能的影響，發現速度、張力、梭口參數等與經紗的耐磨性能密切相關，實際生產過程中可通過優化織造工藝參數實現漿紗耐磨性能的提高。朱譜新等[18]分析了經紗的摩擦磨損機理及其影響因素，提出經紗主要因摩擦、切割和拔脫等作用而發生直接、間接磨損。直接磨損主要與接觸面間的法向壓力、速度和接觸面積有關；間接磨損則取決于纖維自身的性質，實際生產中可通過正確的上漿或給油來改善紗線的耐磨性能。

雖然上述學者對纖維束在織造過程中的摩擦磨損行為進行了大量的研究，但是其研究的對象多為碳纖維、玻璃纖維和芳綸等，有關氧化鋁纖維束的織造特性鮮有報道。因此，本研究自定義了一種往復線性摩擦試驗方法，搭配自制的摩擦試驗夾具，模擬織造過程中作為經紗的氧化鋁纖維束與筘齒的摩擦磨損行為，探究加載力、預加張力和摩擦頻率對懸空氧化鋁纖維束摩擦磨損性能的影響。

1 試驗部分

1.1 材料

氧化鋁纖維束(三合股)，天津市中天俊達玻璃纖維制品有限公司生產，線密度為190.66 tex，拉伸強力為38.43 N。

筘齒，430不銹鋼制成，表面粗糙度為0.26 μm，彈性模量為210 GPa。

1.2 設備

為模擬實際織造過程中經紗和筘齒間的摩擦磨損行為，設計了一種張力可控的纖維摩擦試驗裝置，即采用美國布魯克·道爾頓有限公司制造的UMT-TriboLab摩擦磨損試驗機，以及低速線性往復運動模塊和電磁傳感器，進行氧化鋁纖維束-筘齒的往復線性摩擦試驗。根據氧化鋁纖維束的特點，采用3D打印技術制造出可安裝于UMT-TriboLab摩擦磨損試驗機上的上下夾具，實現氧化鋁纖維束與筘齒的固定，以便模擬出實際織造過程中氧化鋁纖維束與筘齒間的摩擦特性及磨損狀況。試驗時，先用螺釘將氧化鋁纖維束的一端固定，另一端懸掛一定質量的重物以控制氧化鋁纖維束的預加張力，靜置30 s后固定絲束。下夾具固定在儀器底座上，上夾具連接電磁傳感器，并在上夾具的中間位置鑲嵌10 mm×2 mm的筘齒。上夾具通過筘齒對試樣施加加載力。試樣安裝過程中需特別注意不要彎折或扭曲試樣。圖1即為往復線性摩擦試驗模擬裝置。

a) 整體照片

此外，采用日本Vixen公司生產的PC-230數碼顯微鏡觀察往復線性摩擦試驗后氧化鋁纖維束表面的毛羽。

1.3 試驗參數的確定

試驗過程中，上夾具固定不動，下夾具做往復運動，以模擬氧化鋁纖維束與筘齒之間的往復線性摩擦。電磁傳感器記錄試驗過程中氧化鋁纖維束所受摩擦力(Ff)及摩擦系數(μ)的變化，探究與分析試驗參數即加載力、預加張力和摩擦頻率對懸空狀態下氧化鋁纖維束摩擦磨損性能的影響。

為模擬織造過程中紗線毛羽對紗線摩擦性能的影響，預先進行了一些探索性試驗，結果顯示在0.75～0.90 N的加載力作用下，紗線會出現斷絲，故本試驗確定加載力的范圍在0.23～0.65 N。

通常，對于24K的氧化鋁纖維束，上機張力在2.00～4.00 N，即每根長絲受力約為0.08～0.17 mN。本試驗用試樣為三合股，線密度為190.66 tex，故確定氧化鋁纖維束預加張力范圍為0.10～0.70 N。

在實際織造過程中，織機筘齒往返頻率為3～5 Hz，故本試驗確定摩擦頻率為1、3和5 Hz。

表1對往復線性摩擦試驗的具體條件參數進行了歸納。

表1 往復線性摩擦試驗的具體條件參數

2 結果與分析

2.1 加載力對摩擦磨損性能的影響

在預加張力為0.40 N和摩擦頻率為3 Hz的條件下，分別設定加載力為0.23、0.40和0.65 N進行往復線性摩擦試驗，所得加載力對氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數的影響曲線分別如圖2和圖3所示，橫坐標為試驗時間(T)。

圖2 加載力對氧化鋁纖維束所受摩擦力的影響

圖3 加載力對氧化鋁纖維束摩擦系數的影響

由圖2可知，氧化鋁纖維束所受摩擦力隨加載力的增加而增大。這是因為加載力的增大會造成筘齒與氧化鋁纖維束實際接觸面積增大，進而使筘齒與氧化鋁纖維束之間的黏附力增加，故而摩擦力增大。此外，加載力的增大還會造成氧化鋁纖維束中斷裂纖維數量增加，而斷裂的纖維在摩擦過程中易發生相互纏結，形成毛羽。毛羽量越多，則氧化鋁纖維束的磨損程度越大，氧化鋁纖維束結構受到的影響就越大。

由圖3可知：摩擦系數隨著測試時間的延長，均先急劇增加，達到峰值后逐漸下降，并最終趨于平穩；達到平穩狀態的摩擦系數值隨加載力的增加而減小，摩擦系數值在0.19～0.21范圍內。

圖4為加載力對摩擦磨損性能影響測試結束后，所得氧化鋁纖維束的表面形貌照片。

a) 0.23 N

從圖4可以看出：當加載力為0.23 N時，氧化鋁纖維束中僅有少量的長絲發生斷裂；隨著加載力的增大，氧化鋁纖維束中斷裂的長絲根數增加，毛羽量增加。這主要是由于加載力的增大導致了氧化鋁纖維束所受摩擦力的增大，進而導致了纖維束中的長絲在循環應力的作用下發生疲勞斷裂。此外，磨損的累積作用已導致長絲抵抗斷裂的能力隨循環應力次數的增加而減小，加載力的增大又加劇了磨損的累積作用。

2.2 預加張力對摩擦磨損性能的影響

在加載力為0.40 N和摩擦頻率為3 Hz的條件下，分別設定預加張力為0.10、0.40和0.70 N進行往復線性摩擦試驗，所得預加張力對氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數的影響曲線如圖5和圖6所示，橫坐標為試驗時間。

圖5 預加張力對氧化鋁纖維束所受摩擦力的影響

圖6 預加張力對氧化鋁纖維束摩擦系數的影響

由圖5和圖6可知：氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數均隨著時間的推移而逐漸趨于穩定；在預加張力為0.40 N時，氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數均較小。

圖7為預加張力對摩擦磨損性能影響測試結束后，所得氧化鋁纖維束的表面形貌照片。

a) 0.10 N b) 0.40 N c) 0.70 N圖7 預加張力對氧化鋁纖維束表面形貌的影響

由圖7可以看出：當預加張力為0.40 N時，氧化鋁纖維束的毛羽量最少。預加張力越大，氧化鋁纖維束及其內部長絲伸直平行度越高，摩擦過程中筘齒的往復運動對纖維束造成的剪切損傷也越大；當預加張力較小時，筘齒運動到兩端調轉方向時會造成氧化鋁纖維束的急彈性形變越大，剪切損傷也就越大；只有當預加張力適中時，氧化鋁纖維束的伸直平行度及筘齒調轉方向時引起的急彈性形變均適中，此時的氧化鋁纖維束的毛羽量最少。

2.3 摩擦頻率對摩擦磨損性能的影響

在加載力為0.40 N和預加張力為0.40 N的條件下，分別設定摩擦頻率為1、3和5 Hz進行往復線性摩擦試驗，所得摩擦頻率對氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數的影響曲線如圖8和圖9所示，橫坐標為試驗時間。

圖8 摩擦頻率對氧化鋁纖維束所受摩擦力的影響

圖9 摩擦頻率對氧化鋁纖維束摩擦系數的影響

由圖8可知：在摩擦的初始階段，所受摩擦力都突然升高，達至峰值后逐漸下降并趨于穩定。在摩擦的穩定階段(即試驗時間在10～80 s時)，摩擦頻率為1 Hz時的氧化鋁纖維束所受摩擦力最大，3 Hz時最小，5 Hz時居中。

根據式(1)可計算出圖9中當摩擦頻率從1 Hz增加至5 Hz時，摩擦系數的增長率G：

(1)

式中：C1(T)——摩擦頻率為1 Hz時摩擦系數與試驗時間的函數；

C2(T)——摩擦頻率為5 Hz時摩擦系數與試驗時間的函數。

經計算得出：當摩擦頻率從1 Hz增加至5 Hz時，氧化鋁纖維束的摩擦系數增加了18.7%。摩擦頻率越高，單位時間內受到的摩擦次數越多，纖維束損傷就越大，表面粗糙度就越高。

圖10為摩擦頻率對摩擦磨損性能影響測試結束后，所得氧化鋁纖維束的表面形貌照片。

a) 1 Hz b) 3 Hz c) 5 Hz圖10 摩擦頻率對氧化鋁纖維束表面形貌的影響

由圖10可以看出：摩擦頻率為5 Hz時，氧化鋁纖維束的損傷非常嚴重。這主要是因為摩擦頻率的增加使得氧化鋁纖維束拉伸、屈曲的周期變短，纖維所承受的張力增加，筘齒對纖維束的摩擦作用增強，且纖維束在承受一次拉伸、屈曲或其他作用后，纖維束及其內部纖維不能得到及時回復，易產生疲勞和塑性形變累積，使得纖維因承受高度集中的應力作用而斷裂, 氧化鋁纖維束的磨損程度增大。

3 結論

本文采用往復線性摩擦試驗方法，搭配自制摩擦試驗夾具，模擬織造過程中氧化鋁纖維束作為經紗與筘齒的摩擦磨損行為，研究了加載力、預加張力和摩擦頻率對懸空氧化鋁纖維束摩擦磨損性能的影響，并在本試驗測試條件范圍內得到以下結論。

(1)氧化鋁纖維束所受摩擦力及長絲斷裂根數隨加載力的增加而增大；摩擦系數隨加載力的增加而減小。

(2)在預加張力為0.40 N時，氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數出現了最小值，磨損程度也最小。

(3)在摩擦的穩定階段，摩擦頻率增加，氧化鋁纖維束所受摩擦力先下降，后略有上升；當摩擦頻率從1 Hz增加至5 Hz時，氧化鋁纖維束的摩擦系數增加了18.7%；當摩擦頻率為5 Hz時，氧化鋁纖維束損傷程度最為嚴重。