三维纺织预制件的制造-毕业论文.docx

摘 要 随着三维纺织增强复合材料愈来愈多地应用到各个领域，使得三维纺织预制件的制造与改良也成为了纺织行业的新一课题本文采用不同的织造方式——经向接结、纬向接结、缝合连接来织造三维织物，探讨不同织造方式引起的不同的纱线屈曲、纤维取向、纤维体积分数、织物密度等对三维纺织预制件的力学性能的影响，给今后三维纺织预制件的制造提供一定的参考关键词：经向接结； 纬向接结； 缝合连接； 复合材料； 强度试验 ABSTRACTWith the three-dimensional textile reinforced composites increasingly applied to various fields, making three-dimensional textile manufacturing and improved preform textile industry has become a new topic. In this paper, using different weaving methods-binder warp, weft stitching, weaving three-dimensional fabric sewn connections, explore different yarns woven in different ways due to buckling, fiber orientation, fiber volume fraction, three-dimensional textile fabric density affect the mechanical properties of the preform to the future three-dimensional textile preform manufacture to provide a reference.Keywords: warp binder; zonal stitching; stitched connection; composite materials; strength test目 录0 前言 11 三维复合材料概述 21.1 几种常见的三维纺织增强复合材料 21.1.1 三维正交机织物 21.1.2 缝合连接三维纺织复合材料预制件 31.1.3 角连锁三维机织物 31.1.4 三维蜂窝状织物 41.1.5 三维编织复合材料 41.2 三维编织增强复合材料的应用 51.2.1 航空航天领域的应用 51.2.2 船舰领域的应用 61.2.3 土工建筑领域的应用 61.2.4 军事领域的应用 61.2.5 医学领域的应用 71.2.6 机动车辆领域的应用 72 实验材料及装置设备 82.1 实验原料的选择 82.1.1 几种常用的三维纺织品原料 82.1.2 材料性能及可织造性的分析 82.1.3 本次实验选用的纱线原料 92.2 主要实验设备及用具 102.2.1 实验装置 102.2.2 实验用具 123 实验试样的织造及力学性能测试 133.1 经向接结的三维正交织物的织造 133.1.1 织造前准备 133.1.2 穿综 133.1.3 穿筘 153.1.4 织造 153.2 纬向接结的三维正交织物的织造 173.2.1 穿综穿筘 173.2.2 织造 173.3 平纹布的织造及缝合 183.3.1 平纹布上机图 183.3.2 平纹布的缝合 183.3.3 缝合层数的选择 193.4 三种试样力学性能测试 203.4.1 实验参数 203.4.2 实验过程 203.4.3 实验数据 214 实验结果与讨论 224.1 三维织物强度理论公式 224.2 本次实验结果与理论公式得出结果之比较 235 总结 25 0 前言在航空航天领域对高性能复合材料新需求的推动下，从20世纪80年代起，三维纺织技术得到了迅速发展。

采用三维纺织预成型体增强的复合材料，具有优异的综合力学性能、更高的损伤容限以及卓越的抗烧蚀性能，为复合材料应用于主承力结构件和多功能结构件提供了广阔的前景纺织结构复合材料除保持有层板复合材料的优点外，还在很大程度上改善了层板复合材料长期存在而无法解决的问题其有着高效的分层抑制，更高的容损和卓越的冲击、弹道以及超过二维织物层压板的爆炸性能特点同时，这种类型的复合材料在几乎连续的平直纤维中，比各自“传统”类型的三维联锁编织复合材料显示出更好的面内刚度和强度性能[15]因此从其产生以来，得到了广泛的重视及发展，正逐渐在航空航天、国防军事、风能发电、土木工程等领域展现其优异的性能及广阔的发展前景国外有学者对三维编织复合材料的弹性性能提出过一些分析模型，但是在公开发表的学术论文中，对三维编织复合材料的强度性能的计算模型及相应的实验数据并不多在此，本文将在北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系燕瑛教授的已发表的论文[14]基础上对其提出的三维编织复合材料强度性能的计算模型进行验证和探讨本文首先简要介绍了三维复合材料特性以及发展状况，以及试验所需的三维正交织物的制备过程，然后描述了试验试样拉伸强力的测试，最后引出燕瑛教授的理论模型并探讨了不同织造方式制造的织物，在所含纤维体积分数相容的条件下，其强度与织物结构参数-纤维取向的关系，并将实验所测数据与燕瑛教授提出的强度理论公式的计算结果作了比较，验证其理论公式的可适用性。

1 三维复合材料概述三维纺织复合材料是以三维立体织物作为增强相，树脂、陶瓷等为基体复合而成，它所具有的整体化纤维增强结构，赋予复合材料极佳的层间剪切强度、极好的抗冲击损伤性、适宜的韧性，同时它还具有重量轻、刚度好、强度高、耐腐蚀、抗高温等特点用于纺织复合材料的三维纺织品主要有机织物、针织物、编织物和非织造织物[3]其中，机织三维立体织物在三维纺织复合材料中占有相当的比重这是由于三维机织物的可设计性，通过制定合适的生产工艺及对传统的机织设备加以改造，即可获得多种截面形状、各种纱线走向、力学性能各异的纺织预制件，满足各种实际工程要求1.1 几种常见的三维纺织增强复合材料1.1.1 三维正交机织物常见的三维机织物结构如图1-1所示，图1-1为四层纬纱的三维正交织物，，其有三个系统纱线，即经纱（D1~D3）、垂纱（F1~F2）和纬纱（1~8等），经纱和纬纱之间没有交织关系，只是靠垂纱把经纱、纬纱缝合在一起[4]图1-1 四层纬纱的三维正交织物示意图三维正交机织物由于在平面内的两组纱线不参加交织，因此在经纬向都没有纱线的屈曲，使得材料的强度和刚度都很高最重要的是该结构有一组厚度方向的捆扎纱，克服了一般层压板复合材料的分层问题，受冲击后不易损伤，机械连接孔和几何形状突变处的强度无显著下降，由于具有整体性能好，力学结构合理，高的损伤容限和显著的抵抗裂纹扩展的能力及可设计性等优点，在对结构重量及结构强度要求高的航空航天领域里和对整体性、抗冲击性要求较高的海军舰船壳体上有良好的应用前景。

同时，经向和纬向纤维不交叉，内部易滑动，材料成型性好，易于铺附，不易皱折，减少了材料铺层中间的开剪、缝合的时间节约了制造成本由于三维正交织物内部纱线的伸直排列，更易于树脂的浸润，在RTM工艺中，比二维织物浸润速度快好几倍[12]特别适合采用树脂扩散技术的应用三维正交织物的纤维含量高，利用渗透法可达65-70%，减少了树脂用量和应用对象的总重1.1.2 缝合连接三维纺织复合材料预制件三维织物具有整体性好、力学结构合理等特点，克服了在传统层合复合材料中经常出现的层间破坏的致命弱点，同时具有显著的损伤容限和抵抗裂纹扩展能力，因此被应用于许多领域但实际应用中，由于成型和加工的复杂性，导致三维织物的制造成本很昂贵，因此使用范围仅限于某些特殊构件而缝合连接三维纺织复合材料技术将缝合和编织两种工艺结合起来，有效地解决了这个问题，从而进一步拓展了三维编织复合材料的应用领域缝合连接三维编织复合材料技术是在三维整体纺织工艺的基础上将异型形状部分用缝合线按照一定的缝合工艺参数连接起来形成预制件，最后采用RTM或RFI工艺方法成型[16]只用增加一个生产工序——对二维织物穿过厚度缝合，即可制成三维缝合复合材料。

其对制造二维织物的传统材料体系和工艺无需大范围的修改，即可制造处成本较低的三维缝合结构并且织物裁剪和缝合都能自动化和连续操作缝合改善了层间断裂韧性，对一直分层扩展有显著作用传统复合材料层合结构对低速冲击引起的损伤很敏感，但缝合提高了冲击损伤容限1.1.3 角连锁三维机织物角连锁结构织物多用于板材，由于纱线有屈曲，所以其预制件有较好的柔曲性能，变形能力较强，较适合用来加工柔性复合材料或用于形成具有复杂曲面形状的刚性复合材料等[10]由于采用两个系统的纱线构成，显然，该类三维织物可以在普通织机上织制[2]图1-2 角连锁分层接结1.1.4 三维蜂窝状织物蜂窝板材织物可由多层二维织物用经纱联接而成，为了获得均匀的结构，各层拟采用相同的组织；为了减少综框片数，一般均采用平纹组织这类织物的耐压性好、结构稳定、隔热性好、可设计性好，同时克服了层状结构符合材料层间强度低，易冲击损伤等缺点[10]在蜂窝状织物的孔隙内填入泡沫塑料，可以制成隔热材料，蜂窝板材可以用作通风装置飞机上的某些部位，需用蜂窝板填充，以利于减轻重量，增加结构强度图1-3 蜂窝结构图1-4 蜂窝织物经向结构图[1]1.1.5 三维编织复合材料编织是第一个用于制造三维复合材料预形件的纺织工艺。

三维编织复合材料预形件的制造受编织机尺寸的限制目前大多数工业编织机仅能生产小截面（宽度小于100mm）的预形件三维编织复合材料还可用于汽车车体和底盘梁、驱动轴，这些复合材料构件比具有类似冲击损伤容限和防震性能的钢材减少50%的重量[20]三维编织复合材料在生物医学上也有使用三维编织复合材料有多方面适应性，特别以减轻重量为关键问题的航天用的细长构件、异性截面构件的整体结构，有很大的应用价值1.2 三维编织增强复合材料的应用30年前，研制成碳-碳三维机织复合材料，替代飞机上制动装置的高温金属合金,达到了高比强度、高比刚度和抵抗损伤的能力[20]总的看来，三维机织复合材料在20世纪八十年代以前研究进展缓慢但随着二维层合板结构在飞机应用上，制造复杂几何形状构件造价很高，维修中对不慎落下重物引起的冲击损伤非常敏感这两个问题推动了三维机织复合材料的发展通过10~15年的研究，看到三维机织复合材料优于二维层合板之处，也认识到妨碍它进一步应用的因素三维纺织增强预制件的发展在于它的制造问题和力学性能优于传统的二维层合板结构纺织预制件有良好的适应性、成形性、扭转稳定性和结构的整体性，能制成各种复杂几何形状的构件，且不需大量机械加工和连接，因此边角料和加工过程中的搬运都大量减少，制造费用显著降低。

三维编织复合材料有很高的抵抗分层的能力和冲击损伤容限，对刻痕亦不敏感[20]近年来，三维纺织复合材料在汽车工业中也受到广泛的重视，并得到了应用可以预料，随着它的成本的下降，该种材料在汽车工业中也将具有广阔的应用前景此外，三维编织增强复合材料还应用于运动器械、机械系统、电器、造船及民用建筑等众多领域1.2.1 航空航天领域的应用轻质、高性能、高损伤容限材料，是航空航天部门一直关注的材料由于三向正交织物复合材料的低成本，更宜于制作大型结构件如飞机的机翼和机门，飞机涡轮发动机的止推转向器、转子和叶片结构机身框架的“。