变厚度三维机织物的制备与结构分析

摘要

三维机织物作为纺织结构复合材料的预制件，织物中经、纬纱线不仅沿面内分布，而且纱线沿厚度方向分布，形成空间网状结构，这种结构在保留了传统层合复合材料高比刚度、高比强度、耐腐蚀、抗疲劳等优点的同时，克服了层合复合材料层间强度低的致命缺点，显著提高了层间性能和损伤容限。另外，其整体成型性和可设计性使得其有其他材料无法比拟的优点。在航空、航天、船舶、汽车和建筑等防护工程领域具有不可替代的作用。
　　 随着对三维机织增强复合材料各项性能研究的深入，各种异型截面三维机织物的结构设计和成型成为该领域研究的焦点，变厚度三维机织物亦属异型截面织物的范畴，其有广泛的实际应用价值，如飞机的螺旋浆、风叶叶片等。传统中对于叶片的制作主要采用铺层的方式，层间性能低成为其使用的瓶颈。另外，叶片在使用中会承受巨大的应力作用，建立较为准确的力学模型预测材料的力学性能是很有意义的，而力学模型的建立需要对织物的几何结构进行客观、合理的表征，目前已有的几何模型过于笼统和理想。因此，本论文首先设计与制备几种基本结构的三维机织物，然后基于真实的织物结构对其几何结构进行表征，并在此基础上选择合理的基本结构，进一步设计一种厚度均匀连续变化的三维机织物。
　　 本论文首先以多层接结组织(包括自身接结和接结纬接结)、角联锁组织和正交组织为基础，进行结构设计、织机改造、工艺设计和上机织造，完成了三维机织物的设计和制备，得到结构稳定、外观均匀的三维等厚度机织物。
　　 对所制得三维机织物采用火棉胶将织物结构固定，分别沿经向和纬向切片，采集切面图片并结合图像处理技术观测真实结构中纱线纵向形态和截面形状等分布状态，发现在多层接结组织中，经纱结构方面，自身接结组织经纱纵向呈正弦曲线状分布，横向截面为跑道形，接结纬接结组织纵向呈正弦曲线状分布，横向截面为凸透镜形，纬纱结构方面，自身接结组织纬纱纵向呈直线状分布，横向截面为月牙形，接结纬接结组织纵向呈直线状分布，横向截面为半圆和月牙形，垫纱结构方面，两种组织纵向均呈直线状，横向截面均为凸透镜形；角联锁组织中，经纱结构方面，角联锁组织为弧线和直线段相连接的形状，横向截面为凸透镜形，纬纱结构方面，角联锁组织为直线状分布，横向截面为平行四边形和扇形；正交组织中，经纱结构方面，正交组织为直线状分布，横向截面为矩形，垂纱结构方面，正交组织为圆弧线和直线段相连接的形状，横向截面为跑道形，纬纱结构方面，正交组织为直线状分布，横向截面为矩形和弓形。以上规律的发现为变厚度织物的结构设计及后续几何模型乃至力学模型的建立提供了客观可靠的基础。
　　 鉴于上述发现，在变厚度三维机织物的设计和制作中，选择了纬向更有可设计性的接结纬接结组织做为基础组织，并从变厚度织物的渐变结构、组织结构变化方案、厚度、纬纱排列密度和织物外观等方面进行了设计，进一步探索了适宜的织机机构、工艺参数和上机织造。得到一套全新且合理可行的厚度均匀连续变化的三维机织物上机工艺和技术。
　　 将下机后变厚度三维机织物的结构固定后，测试不同断面织物厚度和织物结构，结果表明：变厚度三维机织物的结构设计是合理的，制定的各项工艺参数是可行的，采取的操作技术是有效的，为以后采用高性能纤维进行结构更为复杂的设计与制作提供了一定的指导作用。