纺织结构复合材料中的纺织品刘洪玲 (东华大学纺织学院,上海,200051)摘　要:本文从结构的角度分别综述纺织结构复合材料中的几种纺织品:机织物、编织物、针织物和非织造布,分析各种织物的结构特点及性能,同时也指出了各种织物应用于复合材料时存在的不足。

关键词:纺织品,复合材料,结构,特性中图分类号:TS10616 文献标识码:A 文章编号:1004-7093(2001)10-0002-051　概述利用纺织品作为增强材料与基体相结合所形成的复合材料称为纺织结构复合材料。

应用于复合材料的纺织品,广义上包括纤维束、纱线、机织物、针织物、编织物及非织造布等。

由于纤维束和纱线并不是纺织所特有的,因此,一般只将机织物、针织物、编织物及非织造布等作为应用于复合材料的纺织品[1～3]。

以纺织品作为增强结构的纺织结构复合材料的应用由来已久。

早在一百多年前,就出现了用机织物与橡胶复合制造的轮胎,以后又陆续出现了充气筏、传送带、篷面材料、灯箱材料等柔性纺织结构复合材料。

20世纪50年代,刚性纺织结构复合材料诞生了,它具有比强度高、比模量大的优点,可作为金属和木材的替代物,能够显著减轻重量[4]。

但这类层压织物复合材料的层间剪切强度低,易分层,这主要是由于织物层间仅靠性能较低的基体粘结。

为了解决分层问题,人们采取了很多措施,主要包括基体改性、厚度方向缝纫和衬入纤维,但这些方法不仅成本较高,而且还不能从根本上解决分层问题[5]。

三维纺织结构复合材料能够从根本上解决分层问题,这类纺织品包括三收稿日期:2001-03-27作者简介:刘洪玲,女,1973年生,博士研究生。

从事纺织材料及纺织品的开发研究。

维机织物、三维编织物、多轴向缝编针织物等。

在这类结构中,纤维束在空间相互交错、交织形成一个整体结构,从而在厚度方向引入增强纤维,提高了复合材料的层间剪切强度和损伤容限,因此它不会分层。

这类结构的另一优点是可以加工各种不同形状的预型件,在浸渍前最终产品已经预成型,因而避免了由切割加工引起的性能下降[3,6]。

因此,近几年来三维纺织结构复合材料的发展极为迅速,各种新型织机及其相应的产品不断出现,其性能研究也逐步深入,从而大大推动了纺织结构复合材料的发展与应用[7,8]。

本文拟从结构的角度分析纺织结构复合材料中机织物、编织物、针织物和非织造布,分析各种织物的结构特点及性能(而不是从具体加工工艺的角度分析各种织物),同时也指出了各种织物存在的不足。

2　机织物机织物是应用于纺织结构复合材料中最常见的纺织品。

它既有平面二轴向结构,也有平面多轴向结构,还有空间三维结构。

2.1　平面机织物2.1.1　平面二轴向机织物根据织物组织结构,平面二轴向机织物可以分为以下几种:①平纹织物,它是机织物中最简单的组织,经纬纱交织次数最多。

当经纬纱号数、密度相同时,可织成经纬向各向同性的增强结构。

②斜纹织物,它较平纹织物有更好的变形能力。

③缎纹织物,经纬向有较长的浮长线,纱线交织次数少,屈曲次数少,便于基体浸渍。

④单向布,指在一个方向有大量粗股纱通过,而在另一方向只有较少的细股纱通过。

这种设计可根据经纬纱的号数、经纬向密度的差异满足不同方向的增强要求[2]。

在织造平面二维织物的基础上,将若干层织物用树脂固化成型,即可制造出重量轻、强度高的复合材料。

以上织物是由两个相互垂直的纱线系统交织而成,表现出各向异性。

在受到平面斜向拉伸时易发生剪切变形,为了解决这个问题,人们开发了平面多轴向织物。

2.1.2　平面多轴向机织物构,其基本结构为三组纱线两两交织呈60°。

该结构相对稳定,各向力学性能基本一致。

在其他条件相同的情况下,其撕裂强度是平面二轴向织物的四倍。

又由于三纱线系统是封闭交叉组织,具有良好的平面抗剪切能力[9]。

但该织物的织造较为复杂,生产效率低,现随着新型结构的发展而逐步被淘汰。

从上述分析可以看出,平面织物增强结构一般适宜制作管材和薄型板材等预型件,若要制作较厚的复合材料则需将多层织物叠合压制,但如此仍不能克服层间剪切强度低的缺点。

解决这个问题的一种方法是在多层织物叠合后利用缝纫机缝纫,形成一个整体。

这种方法加工简便,能够明显提高层间断裂韧性,因此在近几年受到人们广泛的注意[10]。

但针刺过程中引起了纤维损伤,从而降低了材料的面内拉伸、压缩和弯曲性能,可以说通过缝纫而使织物层间性能提高是以降低面内性能为代价的[11]。

2.2　三维机织物三维机织物是一种建立在平面机织物结构叠加的基础上,通过在厚度方向引入接结纱而一次成型的三维纤维集合体[12]。

三维机织复合材料首次应用出现于三十多年前,由Avco公司生产的三维机织碳/碳复合材料代替金属材料用作飞机制动闸,不仅具有比强度高、比模量大的特点,而且耐高温。

随后三维机织复合材料的研究进入相对低谷,直到20世纪80年代中期,由于传统的层压复合材料难以满足航天业生产复杂结构对成本和损伤容限的要求,三维机织复合材料的研究才再掀高潮[6]。

根据接结纱取向的不同,三维机织物可分为角联接结和正交接结;根据接结深度的不同,又可以分为分层接结和贯穿接结几种不同接结组织[12]。

与层压复合材料相比,三维机织复合材料具有以下优点[6]:①可以生产复杂形状的净型预型件,如T字型、H型、矩形、内三角形等。

②制作复杂结构的成本相对较低,工艺简便,一般只需对传统织机进行适当改造,即可加工三维机织物。

也可利用专业织机,可以实现高速织造。

③可以满足对厚度方向有特殊要求的应用。

④层间断裂韧性高,抗分层性能好,弹道冲击性能和冲击损伤容限高,因为接结纱阻止和延缓了分层裂纹的形成和扩展速度。

⑤拉伸失效应变高。

尽管三维机织复合材料具有诸多优点和潜在广阔的市场前景,但到目前为止它在民用领域的应用还不十分广泛,这是由多方面的原因造成的。

首先,目前大多数织机还不能加工三维各向同性的机织预型件,纱线在织物平面中只有0°和90°两个方向,导致材料剪切性能较低[6]。

其次,材料的面内性能比二维机织层压复合材料低,研究表明拉伸强度和压缩强度下降了15%～20%。

这主要是由于纱线在织物中呈屈曲状态,力学性能利用率低,加上在织造过程中纱线受到损伤。

所以如何合理设计结构及织造工艺,以减少纱线的屈曲程度和加工过程中的损伤成为研究内容之一。

另外,由于机织物结构复杂,加之织造和复合成型都会对材料性能产生影响,使得建模并准确预测材料的力学性能往往比较困难,结构参数对预型件及复合材料性能的影响也不十分清楚[6,7]。

三维机织复合材料的研究尚需进一步深入。

3　编织物编织技术的历史悠久,简单的草帽辫就是编织的一种。

近三十年来,由于复合材料发展的需要,才使这门古老的纺织技术得到了迅速发展。

编织的种类很多,按编织形状分有圆形编织和方型编织;按编织物厚度分有二维编织和三维编织[13]。

3.1　二维编织物二维编织是指编织物的厚度不大于编织纱直径三倍的编织方法,一般用于生产鞋带和衣服上的绳、带等,但也可用于加工异型薄壳预型件。

二维编织物中编织纱可分为两组,一组在轨道盘上沿一个方向运动,另一组则沿着相反方向运动,这样纱线相互交织,并与织物成型方向呈±θ角。

如果希望提高织物轴向性能,可以在轴向加入轴纱系统。

3.2　三维编织物三维编织物是指编织物厚度至少超过编织纱直径的三倍,并且在厚度方向有纱线或纤维束相互交织的编织方法。

它是最早应用于生产复合材料三维预型件的工艺,早在20世纪60年代,三维编织碳/碳复合材料就用作火箭发动机部件,可以减重30%～50%[6]。

三维编织方法有多种,如二步法、四步法、多步法、多层角锁编织等,但常用的主要是二步法和四步法。

3.2.1　四步法编织物四步法,又称纵横步进编织法,由于一个编织循环包括四个机器运动,故称此名。

四步法中,编织纱沿织物成型方向排列,在编织过程中每根编织纱按一定的规律同时运动,从而相互交织形成一个不分层的三维整体结构。

如果在编织过程中加入轴纱系统,则可以提高复合材料轴向的力学性能。

从四步法编织物的表面形状及内部的结构单元体可以看出,纱线在织物中呈空间取向的排列,结构整体性好。

3.2.2　二步法编织物二步法编织的历史较短,它由P opper于1987年首先提出。

在二步法编织中,纱线系统有轴向纱和编织纱两种。

轴向纱的排列决定了编织物的截面形状,它构成纱线的主体部分;编织纱位于主体纱的周围。

在编织过程中,编织纱按一定的规律在轴向纱之间运动,这样不仅它们之间相互交织,而且也将轴向纱捆绑成一个整体[4]。

由于二步法中轴向纱的比例较大,并且轴向纱在编织过程中保持伸直状态,因此二步法编织复合材料在该方向具有优良的力学性能。

另外,二步法编织中只有编织纱运动,而且编织纱所占比例较小,故运动的纱线较少,便于实现编织的自动化。

从二步法编织物的表面形状及内部的结构单元体可以看出编织纱的比例较少,轴向纱占主要部分。

3.2.3　多步法编织物多步法即指一个编织循环包括多步机器运动。

它可以编织混杂结构预型件,即在特定的位置编织特种纱线,它还可以在一定程度上解决编织物尺寸较小的问题。

如八步法在编织角较小时,其结构比四步法编织预型件更稳定,因为八步法的机器运动数是四步法的两倍,并且编织节长更长。

但从本质上讲,四步法和二步法都是多步法的特例,而通过改变纱线的排列,四步法也可以编织出二步法预型件[14]。

三维编织预型件独特的生产工艺和独特的空间结构决定了三维编织复合材料具有以下优点[6]:①可以加工形状复杂的净型预型件,只需改变纱线的排列即可编织出各种异型结构,并且加工复杂预型件的成本更低。

②抗分层性能好,冲击损伤容限高。

③可以实现自动化控制,从而提高生产效率及预型件质量。

④编织复合材料对缺口不敏感,这是由于在缺口处纱线是连续的。

尽管如此,三维编织复合材料的应用仍不是很广泛。

其主要的问题是预型件的尺寸问题,大多数工业编织机只能编织较窄的预型件,宽度最大也只有100mm[6]。

若要加工大尺寸的编织物,必须开发大型昂贵的编织机械。

另外,大多数的编织机的编织速度较低。

对编织复合材料性能的研究也不广泛,目前所研究的性能包括拉伸、压缩、弯曲、断裂韧性和疲劳性能,研究表明其模量和强度均低于层压复合材料,而层间剪切性能、层间断裂韧性、蠕变性能等尚无人研究。

4　针织物针织物的最大特点是存在相互串套的线圈,与机织物相比,针织物加工的工艺流程短、产量高、成本低。

由于线圈相互串套,因而针织物复合材料抗冲击性好,具有很高的弹性,适于复杂结构的成型。

针织物包括经编和纬编,它既可以是平面针织物,也可以是多层多轴向的针织物。

4.1　平面针织物平面针织物包括平面经编和平面纬编织物,它在各个方向上具有较大的伸缩性,适合于拉伸大的模压成型复合材料。