1、 1 毕业设计文献综述 纺织工程 多轴向经编织物的研究与开发 一、前言部分 我研究的课题是“多轴向经编玻纤织物的研究与开发”。多轴向经编技术是一种新型的多头纬编织技术。由于现代纺织技术的发展和对纺织品要求不断提高，该技术在 90 年代得到广泛的研究和推广应用。近年来，我国调整产业发展方向，鼓励企业开发新能源，风能最为一种可再生的清洁能源，越来越受到政府和高新企业的重视。而制造风力发电叶片对材料具有严格的要求吗，传统的材料已不能满足其生产要求。我研究的课题是以玻纤为原材料，利用多轴向经编技术，开发出能满足现在风力发电需 求的叶片材料 ;另外课题也会涉及对工艺流程探讨和产品性能的测试研究。 二、主
2、题部分 经过阅读的文献资料，对所要研究的课题有了进一步深刻的了解。可以从这几方面做一下概括分析： 1.经编复合材料的现状与发展 由于经编织物具有力学性能优异、织造成本低、工艺性好等优点现已广泛地应用于各种高性能复合材料中，如航空、航天、造船业、汽车工业、体育用品、建筑、能源及医疗等领域中。在风力发电领域经编复合材料是制造风力发电机叶片及其他重要结构部件的主要材料叶片质量的 90 以上为复合材料 我国幅员辽阔风力资源丰 富是世界潜在的最大风力发电市场 我国风力发电市场已经连续 3年增长超过 100 2008年我国风电总装机量约为 1 000万 kW增长了116预计到 2010年能达到 2 000
3、万 kW复合材料用量将近 10万 t如果以碳纤维经编织物为增强体其预计用量将达到 7万 t左右 风力发电的迅速发展将给经编复合材料产业带来广阔的市场空间 图 8是采用碳纤维多轴向经编织物制备的复合材料风机叶片，具有质量轻、强度高、刚性好的优点能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求 4。目前，风力发电是最具成本优势的可 再生能源，我国幅员辽阔，地理位置优越，开发和利用风能这种绿色可再生能源具有很大的潜力，而多轴向经编织物是风力发电中不可或缺的重要组成部分。多轴向基布是制造风力发电机叶片及其他重要结构部件的主要材料，使用多轴向织物制造风力发电机的叶片，2 具有质量轻、强度高、刚
4、性好等优点，能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求 12。 2.多轴向经编织物所用的纤维 多轴向织物的可以使用的原料有玻璃纤维、碳纤维、 Kevlar。纤维、涤纶、锦纶、粘胶纤维、聚乙烯扁丝等，而其中最常使用的有玻璃纤维、碳纤维和高强涤 纶等。高性能的碳纤维在复合材料中充分体现了其优良的性能，但是由于碳纤维的价格较高，因而在一定程度上限制了其应用，大部分是和玻璃纤维一起使用来增加织物的强度。随着材料科学的发展，碳纤维的价格一定会有所下降，更多的应用于产业用纺织品上。目前，高性能的连续玄武岩纤维也被用于经编多轴向织物。连续玄武岩纤维的密度、硬度较高，具有优异的耐磨、抗拉增强性
5、能，其力学强度远远超过天然纤维和合成纤维，价格也要比碳纤维便宜得多，因此它是一种非常理想的增强材料，但是由于玄武岩纤维的涂层技术的限制，在一定程度上也限制了多轴向经编织物 的发展，如果这一问题能得以解决，那么多轴向经编织物的发展又会上一新的台阶 12。玻璃纤维复合材料叶片玻璃纤维增强聚酯树脂和玻璃纤维增强环氧树脂是目前制造风机叶片的主要材料，从性能来讲碳纤维增强环氧树脂较好。美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆 E一玻纤，其耐拉伸疲劳强度就可以达到碳纤维的水平。但是， E一玻纤密度较大，随着叶片长度的增加，叶片也越来越重，完全依靠玻璃纤维复合材料作为叶片的材料已逐渐不能满足叶片发展的
6、需要。目前大多数人认为60 m长的叶片是单纯使用玻璃纤维增强体临界尺度，因此，需要寻找 更好材料以适应大型叶片发展的要求 1 。 3.复合材料的加工工艺 3.1 针织结构的选择多重针织结构复合材料增强体选用双罗纹组织和双轴向经编组织复合 双罗纹组织由德国 Stoll公司的 CMS3O3TC型电脑横机编织的机器机号为 l2针 25 4 mm双罗纹组织比罗纹组织延伸性和弹性小尺寸比较稳定同时边缘横列只可逆编织方向脱散不易发生梯脱情况 其力学性能优于纬平针和罗纹，具有更好的应用价值。双轴向经编织物是由德国卡尔。迈耶公司研制开发的 RS2DS型经编机编织，织物中的经、纬衬纱呈伸直状态不屈曲因此它 比传
7、统的梭织物更能够充分利用高性能纱线的力学潜能 在结构稳定性、力学性能、经济性上，双轴向经编结构都具有无可比拟的优势织物工艺参数及所用纱线参数如表 1、表 2所示 3。 3.2 多层针织物的组合本试验制作了两种增强体 一种是不缝合的 4层增强体增强体上下两层为双轴向经编织物中间两层为纬编双罗纹织物树脂浇注以后就形成了多层三维结构 第二种是在第一种组合方式的基础上，用有一定捻度的 CBF纱线缝合。试验采用的是改进式锁式缝合方3 法这种缝合方法纱线弯曲少。利于缝合的顺利进行和层问强度的提高：另外缝合方式对 面内纤维损伤少由缝合引起的应力集中也较小，复合材料具有更高的损伤容限 3。 3.3 复合工艺多
8、层针织结构复合材料制作的具体试验步骤如图 1所示。试验制作复合材料采用真空辅助树脂传递模塑的复合工艺。树脂传递模塑是将树脂注入到闭合模具中浸润增强材料并固化的工艺方法。真空辅助是指在注射树脂的同时，在排气口接真空泵一边注射一边抽真空这样可以改善模塑过程中纤维的浸润效果 3 。 4.多轴向经编织物的生产设备与编织原理 4.1 多轴向经编针织物的生产设备主要是使用了多轴向的铺纬机构，该机构铺设的纱线各自 平行，且纱线层能根据不同用途的需要以各种不同密度排列。纱线从纬纱架上引出后经过铺纬机构，由伺服电机驱动的铺纬机构将纱线垫放到位于左右两侧的衬纬纱传送链的钩子里，再通过传送链将纱线传送到编织区，与衬
9、经纱、捆绑纱线等形成所需要的多轴向经编织物。目前国内的多轴向经编机主要有 Liba(1巴 )公司的 CopcentraMAX 3 CNC系列机型以及 Karl Mayer(卡尔迈耶 )公司的 Malimo Multiaxial、 RS2(3)MUSU、 RS2(3)MSUS-V等机型 12。 4.2 多轴向经编 (Multi axial Warp Knitted，简称为 MWK)织物由经纱 (0。 )纬纱 (90。 )和轴向纱 (0)组成，衬纱角度 (0在 -200 +200之间变化 )可按织物的用途进行变化。在编织过程中，用于编织的纱线在成圈机构的作用下，穿过整个织物，在厚度方向将所有预先铺
10、设好的承载纱精确地束缚在一起，在编织过程中，可以把纤网和 MWK织物有效结合起来，纤网的加入能够控制织物的很多物理性能，如强度和伸长，同时也可以改变织物的覆盖系数、密度、透气率、透水率、刚度、厚度和初始抗撕裂阻力，提高了织物的抗撕裂性能，减少了织物中纱线的 滑移，使得 MWK织物和纤网的优点都能体现出来。此外，在 MWK织物的生产过程中，通过束缚纱和承载纱将纤网连结起来，而不是刚性地胶合在一起，这就允许 MWK纤网结构有许多形式，使设计者拥有更大的设计空间 3 。 5.多轴向经编织物的编织工艺 经编多轴向织物的原料范围十分广，衬纱通常采用力学性能良好的高性能纤维，如玻璃纤维 (GF)，碳纤维
11、(CF)、 Kevlar纤维、超高分子量聚乙烯纤维 (UHMW PE)等 J，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。同时，单根纱线的密度以及它们的取向角可随载荷的类型而发生变化。在多轴4 向织物中，通常使用的衬纱角度为一 45。、 90。、 +45。和 0。，如衬纱角度为一 45。、 0。和 +45。；一 45。、 90。和 +45。
12、，则可以形成三轴向经编织物。编织纱 (及绑缚系统 )的组织通常采用编链、经平或变化经平 (编链 +经平 )。具体采用何种组织结构， 需根据增强纱线的铺设情况而定。当有 0。衬经纱时，若采用编链结构，由于编链组织无针背横移，将无法有效地把 0。衬经纱固结起来，此时的绑缚组织则需用到经平组织或变化经平组织。在实际生产中，变化经平组织是一种最佳组合，此种组织结构对衬经纱束缚小，当织物作为复合材料基布进行树脂渗透时，树脂渗透较快，有利于复合制品性能的提高。编织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，将分层的可能性降低到最低，使第三方向也就是 z方向得到了增强。但是编织纱并不是越多越好，编
13、织纱过多时，将影响复合成型时树脂的渗入，使最终产品 易出现分层现象 2。 6.多轴向经编织物的结构与性能 多轴向经编织物是一种由编链、经平或变化经平组织将多层衬纱绑缚在一起的多层织物，最多可达 8层纱线 (7层纬纱， 1层经纱 )，再加纤网 J。图 6所示为一种典型的多轴向经编织物三维结构展示图，图中绑缚组织为经平组织，四组衬纱的衬人次序和方向为： 9O。 0。 +45。一 45。多轴向经编织物的结构特点主要有以下几个方面： 在相同的生产设备上，衬纱角度、织物密度可进行调整；纱线完全平行伸直排列，各层取向度很高，具有较好的机械性能；增强纱线层最多可以达到 8层， 织物的整体性较好；织物结构较疏
14、松，可以与纤维网和短切毡结合，提高了织物结构设计的灵活性；每个增强纱线层可使用不同的纱线种类，扩大了织物结构的复合性能 3。由于经编多轴向织物可以在织物的纵向、横向或是斜向按照使用要求以一定角度平行伸直地衬人纱线，再用编织纱将其编织成一个整体，从而克服了铺层结构层间无联系、剪切强度差、易分层的缺陷，同时也克服了传统机织物纱线屈曲、强力利用率低、纤维损伤大的缺点，使增强纱线的力学性能得到充分利用 1 。此外，多轴向经编织物还具有较低的生产成本、较高的生产效率，设计灵活性、 铺设性和预成型性好等优点，在产业用领域拥有广阔的市场。多轴向经编织物作为骨架材料与高性能树脂复合后制得的纤维增强复合材料在许
15、多行业中有着非常广泛的应用。早在 1992年，这种碳纤维增强复合材料就已经用于空客 A320上，与以往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 。近年来，除了在航天航空领域，多轴向经编增强材料还大量应用于造船业中的游艇、舰艇，沿海或草原中风能发电机组的叶片，运输业中的火车机车壳体，车用夹芯板，建筑业中的雷达天线罩、增强混凝土，军用工程中的防弹衣和防弹头盔等 3。 三、总结部分 5 随着纺织产业的战略转移与产业升级，产业用纺织品的开发和应用已成为世界各国关注的热点。多轴向经编技术在产业用领域，特别是在复合材料领域还是一个相对较新的课题，在发达国家，此技术的应用已比较广泛
16、，在我国则起步较晚，但是该技术在国内外已引起广泛的重视，表现出巨大的发展潜力。因此，对多轴向经编技术，尤其是对该技术的关键一多轴向经编织物编织工艺的研究，具有深远的意义。它能在很大程度上提高多轴向经编织物的经济效益，扩大多轴向经编织物的应用领域，表现出重要的学术价值和广阔的商业前景。 四、参考文献 1 肖学良 , 缪旭红 .多轴向织物在风力发电机叶片中的应用 J.针织工业， 2007，（ 10）： 8-10. 2 司昭群 李俊 胡红 . 张明星多重针织结构复合材料力学性能研究 J.针织工业， 2010，（ 1）： 15-18. 3 顾璐英 , 蒋高明 . 多轴向经编织物编织工艺探讨 J.玻璃钢
17、 /复合材料， 2010，（ 3）： 76-80. 4 谈亚飞 . 经编复合材料的市场现状与发展趋势 J.针织工业， 2010，（ 2）： 17-20. 5 顾宏梅 , 徐建如 , 冯李 军 . 复合材料用经编织物的研制与应用 J.纤维复合材料， 2003，（ 3）： 21-23. 6 蒋高明 .现代经编产品设计与工艺 M.北京 中国纺织出版社 ,2002.235-237. 7 尤彩萍 ,胡红 .交织双轴向纬编针织结构及增强复合材料的拉伸性能 J. 东华大学学报 (自然科学版 )， 2009,35(1).27-29. 8 姜亚明，刘良森，叶雪康 .建筑物补强材料用经编单轴向碳纤维织物 J.针织工业，2004,(3).25-28. 9 马悦 ,李炜 , 梁子青 ,经 编多轴向织物的压缩性能研究 J.材料工程， 2007，（ 11）： 28-32. 10 刘日华 , 周荣星 , 胡红 .涂层工艺对经编多轴向膜结构复合材料性能的影响 J.上海纺织科技， 2005， 33（ 1）： 61-64. 11 刘梁森 , 邱冠雄 .针织轴向织物在产业用纺织领域的开发应用 J.针织工业， 2009,（ 12）：1-4.
