1、第7章 針織復(fù)合材料7.1 引言7.2 面內(nèi)力學性能 7.2.1拉伸性能 7.2.2壓縮性能 7.2.3無卷曲織物面內(nèi)性能7.3 層間斷裂韌性7.4 沖擊性能7.5 針織復(fù)合材料建模7.6 總結(jié) 7.1引言引言 如圖7.1所示，大多數(shù)傳統(tǒng)二維針織物在厚度方向也含有很多紗線。針織結(jié)構(gòu)的開放特性使之可以制造層間高度嵌套或機械互鎖的針織物。（a） 邊緣頂視圖（b） 平面視圖圖7.1 典型針織物的3D形態(tài)圖 如圖7.1所示，針織物與機織織物和編織織物最大的不同是其紗線結(jié)構(gòu)高度彎曲。這一結(jié)構(gòu)特征決定了針織復(fù)合材料理論強度較低，但卻很適合制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)件。 針織工藝可以制造各種各樣的針織結(jié)構(gòu)每種結(jié)構(gòu)

2、的針織圈尺寸和形狀都不一樣，這樣會明顯改變針織圈的每個紗線段的長度比例（見圖7.2）針偏弧沉降弧圓柱圖7.2 一個針織圈中的主要分段示意圖7.2 7.2 面內(nèi)力學性能面內(nèi)力學性能7.2.1 拉伸性能 1.Ramakrishna等人（1997），Huang等人（2001）和Hohfeld等人（1994）的平面緯編針織E玻璃/環(huán)氧拉伸試驗，表明纖維體積含量影響拉伸性能。 2.Wu等人（1993）和Huysmans等人（1996）對于不同經(jīng)編針織結(jié)構(gòu)性能的研究，證實了針織結(jié)構(gòu)類型對拉伸性能的影響，同時證實可以通過優(yōu)化纖維取向來提高拉伸性能。 3.Leong等人（2000）和Anwar等人（1997）

3、發(fā)表的數(shù)據(jù)顯示了不同針織圈長度和陣腳密度對E玻璃/乙烯酯緯編針織復(fù)合材料拉伸性能的影響，表明也受到特定針織結(jié)構(gòu)中工藝參數(shù)的影響。 4.Ha等人（1993），Verpoest等人(1992)，Leong等人（1999）和Khondker等人（2001a）都報道了織物伸展方向的拉伸性能的改善。 5.de Haan等人（1997）和Leong等人（1998）分別研究了具有針織成型孔的帶孔拉伸試件強度和擠壓性能。 6.Rudd等，1990；Ramakrishna等，1994；Wu等，1993測試了經(jīng)編針織和緯編針織兩種織物復(fù)合材料拉伸破壞的不同階段。圖7.3 E玻璃/環(huán)氧平面針織復(fù)合材料拉伸強度隨纖維

4、體積含量的變化圖圖7.4 E玻璃/環(huán)氧平面針織復(fù)合材料拉伸模量隨纖維體積含量的變化圖 1.Ramakrishna等人（1997），Huang等人（2001）和Hohfeld等人（1994）的平面緯編針織E玻璃/環(huán)氧拉伸試驗。可以看出： 1.平面緯編針織E玻璃/環(huán)氧材料拉伸性能隨纖維體積含量增加而增加。 2.拉伸性能與相同纖維體積含量的隨機取向E玻璃氈復(fù)合材料拉伸性能相似。原因： 因為平面針織結(jié)構(gòu)中幾乎沒有直紗，即使有其有效長度也很短。平面針織物的結(jié)構(gòu)與其他標準針織結(jié)構(gòu)一樣，會限制針織復(fù)合材料的力學性能，使其低于傳統(tǒng)2D機制復(fù)合材料。單繩環(huán)13單線索14單線索強度/Mpa緯向50.25543.7

5、經(jīng)向80.4154.8187.2剛度/GPa緯向3.443.693.41經(jīng)向3.935.165.48表7.1 不同針織結(jié)構(gòu)芳綸/聚酯經(jīng)編針織復(fù)合材料的拉伸性能。纖維體積含量為常量但無具體數(shù)值（Wu等，1993）經(jīng)編織物織物1織物2織物3緞紋織物強度/Mpa緯向100100120100230經(jīng)向195120230250170剛度/GPa緯向1011111016經(jīng)向1310151513表7.2 不同針織結(jié)構(gòu)E玻璃/環(huán)氧經(jīng)編針織復(fù)合材料的拉伸性能。纖維體積含量為40%（Huysmans等，1996）2.Wu等人（1993）和Huysmans等人（1996）對于不同經(jīng)編針織結(jié)構(gòu)性能的研究幻燈片 6 兩

6、組數(shù)據(jù)顯示：不僅針織工藝造成織物的性能不同，針織結(jié)構(gòu)的變化也會嚴重影響織物性能，它使織物性能可以從近似各向同性變?yōu)閺姼飨虍愋浴?另外拉伸性能還可以通過優(yōu)化纖維取向來提高，如圖7.5所示：從圖中可以看出：增加經(jīng)紗方向的纖維體積含量可提高拉伸性能，但緯紗方向的性能不變。（a）單繩環(huán)（b）13單線索（c）14單線索圖7.5 經(jīng)編針織結(jié)構(gòu)圖 3.Leong等人（2000）和Anwar等人（1997）發(fā)表的數(shù)據(jù)顯示了不同針織圈長度和陣腳密度對E玻璃/乙烯酯緯編針織復(fù)合材料拉伸性能的影響。圖7.4 E玻璃/乙烯酯緯編針織復(fù)合材料針織圈長度-拉伸強度圖（Leong等，2000）結(jié)果表明： 1.針織圈長度與針

7、腳密度是相關(guān)的，增加單位面積中針腳數(shù)（或針織圈數(shù)目）就會減少針織圈的長度。 2.不同針織參數(shù)對兩方向的拉伸模量影響都不大，在針織結(jié)構(gòu)不變時，拉伸模量主要受纖維體積含量控制。 3.圖中包括三種緯編針織復(fù)合材料的拉伸強度的變化。兩方向的拉伸強度和破壞應(yīng)變隨針織圈長度減少而降低（或隨陣腳密度增大而降低）。 4.Ha等人（1993），Verpoest等人(1992)，Leong等人（1999）和Khondker等人（2001a）都報道了織物伸展方向的拉伸性能的改善。 因為纖維取向本來是隨機分布在所有方向上的，因為織物的伸展 使纖維朝織物伸展方向排成一行，這樣增加了加載方向的纖維含量，進而提高了材料的拉

8、伸性能。5.de Haan等人（1997）和Leong等人（1998）分別研究了具有針織成型孔的帶孔拉伸試件強度和擠壓性能。（W/D=4）結(jié)構(gòu)類型帶孔拉伸擠壓材料芳綸/環(huán)氧 平紋針織E玻璃/環(huán)氧 米蘭絨織孔工藝織孔鉆孔織孔鉆孔強度/Mpa7558338275 針織物易于變形的能力和針織工藝可以直接織出孔洞的能力，使針織復(fù)合材料在開槽或螺栓孔周圍的纖維是連續(xù)的，不必在成型的復(fù)合材料上再開槽鉆孔造成纖維斷裂。 研究表明：針織結(jié)構(gòu)預(yù)成型孔試件的性能顯著高于鉆孔試件性能。這不僅是因為孔周圍纖維的連續(xù)性，也是因為針織成型提高了孔邊纖維體積含量。6.Rudd等，1990；Ramakrishna等，1994；Wu等，1993測試了經(jīng)編針織和緯編針織兩種織物復(fù)合材料拉伸破壞的不同階段。（圖7.7）紗線/基體脫落宏觀裂紋的合并和擴展圖7.7 針織復(fù)合材料破壞過程圖 試件包括各種纖維體積含量，各種不同鋪層。 一般認為，破壞的第一階段發(fā)生在應(yīng)變值相對較低的時候，原因是樹脂與針織圈之間垂直于加載方向的部分的脫粘。 隨載荷增加，脫粘形成的裂紋逐步擴展到紗線圈之間的富樹脂區(qū)。裂紋擴展，合并的時候，未斷裂的紗線起到了橋連作用。 此后的復(fù)合材料性能很大程度上依賴