多轴向经编玻纤织物的研究与开发【开题报告】.doc

1、 1 毕业设计 开题报告 纺织工程 多轴向经编玻纤织物的研究与开发 一、 选题的背景、意义 （一）多轴向技术发展的历史背景 多轴向技术是一种于 20世纪 70年代后期在国外迅速发展起来的新型制造技术， 2O世纪 80年代中期开始成熟，到 20世纪 90年代多轴向技术得到了广泛研究和推广应用。目前多轴向经编技术研究开发较先进的国家有美国、德国、法国、英国、挪威等发达国家，而我国尚处于起步阶段。多轴向经编织物以其优良的成型性、固有的悬垂性、良好的抗冲击性和能量吸收特性，以及相对其它纺织增强结构低廉的生产成本和简单的工艺流程，作为一种理想 的三维结构增强材料，是目前最有效、较经济的预设计增强织物 l

2、2 J，其产品已应用于航空航天、风力发电叶片、交通运输、建筑等领域。 （二） 多轴向技术的研究现状 20世纪 80年代，美国 Owens C0rning公司、 Hexcel公司和 Milliken公司开发了航空、航天用经编产品美国国家航空航天局对 Hexeel公司和 Millikm 公司的产品进行了鉴定证明经编复合材料是适合于航空、航天领域使用的高性能材料 应用轻质、高强的多轴向经编复合材料能使飞行器的质量降低 20 25并可节约燃料 增加有效载荷 1o 多轴向经编材料主要用来制造翼盒、翼梁、升降舵、方向舵、发动机罩等部件。经编复合材料稳固性好质轻、高强，也可用来制造船艇的船身、舱壁、甲板、桅

3、杆、船帆等，造船业是目前经编复合材料应用最大的市场。美国已将玻璃纤维多轴向经编织物广泛用于摩托艇和游艇的制造上瑞典使用碳纤维多轴向经编复合材料制造了军用隐形轻巡洋舰 土耳其的 Abemdar Per_formance玻璃钢船厂用玻璃纤维与芳纶纤维多轴向经编织物生产了双体赛艇远远超过其他双体赛艇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。 （三）课题研究的意义 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，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。今年，国家制

4、定十二五规划，鼓励企业开发新能源 。而风能作为一种可2 再生的清洁能源，必将在国内得到进一步的研究与发展，市场潜力相当巨大。所以，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。 二、相关研究的最新成果及动态 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

5、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

6、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，具有质量轻、强度高、刚性好等优点，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，

7、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3 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

8、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 1 2 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

9、 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。 1 2 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

10、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 1 2 3 复合工艺多层 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 多轴向经编针织物的生产

11、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4 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 多轴向经编 (Multi axial Warp K

12、nitted，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

13、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 (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

14、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。，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

15、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5 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： 9

16、O。 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

17、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，

18、军用工程中的防弹衣和防弹头盔等 3。 （三） 总结 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，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。今年，国家制定十二五规划，鼓励企业开发新能源 。而风能作为一种可再生的清洁能源，必将在国内得到进一步的研究与发展，市场潜力相当巨大。所以，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。 三、课题的研究内容及拟

19、采取的研究方法、技术路线及研究难点，预期达到的目标 （ 1）课题的研究 内容 多轴向织物（ Multiaxial Warp knitting，简称为 MWK）在 0o 、 90o和 方向都衬有增强纱线，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。因此多轴向织物是一6 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。主要研究多轴向玻纤织物的生产工艺（原料、组织）及产品的以下内容： 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

20、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 =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

21、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。 (2) 研究方法 本 课题 的研究主要采用 实验法 、 观察法 、 比对法 方法。 对于不同原材料及组织所制成的产品，将采用比对法。 对于工艺设备及工艺流程的研究

22、，将采用观察法。 对于 产品性能的 研究，将采用 实验法 。 (3) 技术路线 1、 系统查阅多轴向织物技术研究相关的国内外文献和标准，进行搜集、整理、加工，撰写文献综述。 2、 进行毕业实习，通过实习，了解和熟悉多轴向玻纤织物技术参数和生产工艺，对不同用途的7 玻纤制品的性能进行测试和分析，主要开展风机叶片用产 品的性能测试和研究，优化生产工艺参数，使生产的玻纤织物能满足后道叶片生产的需要。 3、 执笔撰写毕业论文，通过拟写提纲、写成初稿、检查修改、撰写定稿四个步骤，写出一篇 10000字左右 的高质量毕业论文。 (4)研究难点 该课题的研究在国内尚处于起步阶段，可参考的文献资料不是很多，而

23、搜索的外文文献资料更是少之又少。学校也没有必要的设备来完成一些实验数据的测试，实验的原材料很难小量购买到。另外由于自己即将工作，没有很多时间去研究论文。当然，我都会尽力去克服这些困难，抓紧时间，争取尽快完成这篇论文，并且做到保 质保量。 (5) 预期达到的目标 对经编多轴向织物的结构和性能进行分析，介绍经编多轴向织物的生产技术，并对不同产品性能分析比较。进行毕业实习，通过实习，了解和熟悉多轴向玻纤织物技术参数和生产工艺，对不同用途的玻纤制品的性能进行测试和分析，主要开展风机叶片用产品的性能测试和研究，优化生产工艺参数，使生产的玻纤织物能满足后道叶片生产的需要。 四、论文详细工作进度和安排 20

24、11-1-11-2-20 完成相关实验和调查 2011-2-21-3-11 进行毕业论文 的撰写，学生完成毕业论文初稿交指导老师。 2011-3-12-4-12 毕业实习 2011-4-13-5-12 实习总结及调查报告、论文修改、定稿 2011-5-13-5-23 论文评阅 2011-5-24 -6-3 论文第一次答辩 2011-6-5 -6-10 论文第二次答辩 2011-6-7-6-12 校级答辩 五、主要参考文献 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

25、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 /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. 8 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.