二维编织包芯绳索的结构与拉伸性能

二维编织包芯绳索的结构与拉伸性能赵倩娟;焦亚男【摘 要】针对空间网状可展开天线对高强高模绳索的需求,研制了二维编织包芯结 构绳索.采用岛津万能试验机对不同编织工艺参数的试样进行拉伸性能测试,分析包 芯绳索不同于其他结构绳索的拉伸断裂机制和破坏模式.结果表明:二维编织包芯结 构绳索,外观均匀,结构稳定,纤维强力利用率高,可以满足绳索高强高模,低延伸率和 轻质的要求；编织工艺参数对包芯绳索的强力和断裂伸长率影响较大,编织角大的 编织纱对芯纱包缠紧密,芯纱纤维比例大的绳索可以发挥包芯结构的优势；试样在 拉伸过程中，芯纱是主要的承力部分編织纱对芯纱起到束缚和保护作用.Two- dimensional (2-D) braided structure cored rope was studied to satisfy requirement of large net-shaped deployable antenna to high-strength and high-modulus rope. Shimadzu universal testing machine was used to test the tensile strength of the samples with different braiding parameters, and the tensile fracture mechanism and failure mode there of were analyzed. The results showed that the Z-D braided rope had uniform appearance, stable structure and high fiber strength utilization rate, and can satisfy requirment of high strength, high modulus and low elongation; braiding parameters had great impact on the rope strength and reaking elongation braiding yarn with large braiding angle wrapped the core yar tightly; the greater proportion of core yarn fibers has, the more obvious advantages of the core structure was; and in the tensile test process, the core yarn was the main load-bearing part, and braiding yarns played a role of binding and protection to the core yarn.期刊名称】纺织学报年(卷),期】2012(033)003【总页数】5页(P48-52)【关键词】二维编织;包芯绳索;Kevlar49;拉伸性能【作 者】 赵倩娟;焦亚男【作者单位】 天津工业大学复合材料研究所,天津300160;天津工业大学天津市和 教育部先进纺织复合材料重点实验室,天津300160;天津工业大学复合材料研究所, 天津300160;天津工业大学天津市和教育部先进纺织复合材料重点实验室,天津 300160【正文语种】 中 文【中图分类】 TB303随着科技的发展,空间可展开天线广泛应用于军事、航天和信息等领域，天线用绳 索要求轻质、高强高模、延伸率低、热膨胀系数小、不可伸缩、保形性好的柔性材 料制成1。为保证天线反射面的精度，绳索必须长时间处于张紧状态，不能发生 变形，最好是零变形。例如日本ISAS为HALCA卫星研制的tension truss可展 开天线，利用由许多小三角形平面组成的张紧索网去逼近抛物面2。多年来对可 展开天线应用的研究较多，但是对其材料的研究相对落后。芳纶纤维是一种高强高模、低密度、耐磨性好和热膨胀系数小的高性能纤维。芳纶 纤维常用来编织各种绳索及缝线，如在星载天线中用作天线反射面的固定拉绳3- 4。在民用方面，芳纶以优异的强度和柔软性取代了尼龙和聚脂纤维绳索、钢制缆 线 5，常用于固定外海钻油设备的缆索。 常规捻织和编织结构的绳索由于纱线交织结构的原因，当承受拉力时，绳索变形很 大6。加捻后纤维的轴向与外力的方向发生偏离7，不能有效地发挥纤维的强力。 二维编织包芯绳索由编织纱和芯纱组成，芯纱伸直平行不被加捻、不弯曲、不变形 不损伤，编织纱对芯纱的包缠紧密、牢固、均匀。芯纱纤维轴向与外力方向平行， 当纤维承受轴向的外力时可充分发挥纤维的强度。目前对二维编织包芯绳索力学性 能的研究较少，Sakaguchi M等8提出用二维编织包芯结构制作单向玻璃纤维热 塑性复合材料。Potluri P等9、王静等10利用二维编织包芯结构纱线制作三维 机织热塑复合材料。文献11-13对二维编织机的工作原理和二维编织的加工工艺进行了研究。本文采用二维编织技术制作了芳纶包芯绳索，研究编织角和纤维比例 对包芯绳索拉伸性能的影响，制作满足可展开天线保形性要求的高强高模柔性绳索1 试验部分1.1 Kevlar49纤维的拉伸试验芳纶纤维使用DuPont公司的Kevlar49，线密度为158 tex。纤维拉伸强度参照 GB/T 199752005高强化纤长丝拉伸性能试验方法，在岛津AGS-J试验机 上测得，试样夹持间距为500 mm，拉伸速度为250 mm/min，试验开始前对试 样施加预加张力3.00 N。试验结果测得，Kevlar49纤维的断裂强力平均值为212 N，断裂伸长率平均值为 2.3%。包芯绳索的编织纱和芯纱均使用Kevlar49纤维编织而成，根据Kevlar49 纤维拉伸试验的测试结果可以对包芯绳索的性能进行预测。1.2 试样制作 试样是在国产16锭立式二维编织机上完成。二维编织由2组编织纱组成，其中一 组所有纱线都在“8”字型轨道盘上同时沿同一个方向做S型运动；另一组所有纱 线的运动方向则与之相反，形成2组纱线的交织。芯纱不参与交织，在一定张力作用下沿成型方向伸直，编织纱相互交织，结构示意见图1图1(b)示出包芯绳索横截面的楔形几何模型，编织纱对芯纱有向心的压力，16 股编织纱试样直径较大， 编织纱对芯纱的束缚作用变弱。图 1 包芯绳索结构 Fig.1 Core rope structure.(a) Diagram of cored rope;(b) Rope cross-section二维编织包芯绳索由编织纱和芯纱2层相接触但不连接纤维构成，为了研究结构 变化对绳索轴向拉伸性能的影响，有必要比较不同结构试样的拉伸性能。在其他参 数一定的情况下，断裂载荷一般随绳索线密度增加而增大，为比较编织参数的影响， 本文编织包芯绳索线密度相同。编织不同编织角和纤维比例试样，工艺参数见表 1。 试样BObO为无编织的合股纤维束，作为包芯绳索对比试样。表 1 二维包芯绳索工艺参数 Tab.1 Two-dimensional cored rope parameters 试样编号编织角/(。)编织纱/芯纱纱线线密度/tex编织纱芯纱B0b00 316OB8b2O2O4O/6O12641896B8b3O3O4O/6O12641896B8b4O4O4O/6O12641 896B6b3O3O3O/7O9482212B16b3O3O8O/2O2528632注：B8表示编织纱为8锭；b20表示编织角为20，其他类推。1.3 包芯绳索拉伸性能测试包芯绳索拉伸性能试验参照GB/T 88342006绳索有关物理和机械性能的测 试，在岛津AG-250 KN试验机上完成。试样夹持间距为500 mm，拉伸速度 为30 mm/min。拉伸前预先在试样上加一定的预张力，使芯纱纤维伸直。 拉伸试验时绳索受到沿轴向的作用力，编织纱和芯纱纤维弯曲状态不同，纤维受力 情况不同，拉伸过程中编织纱和芯纱纤维之间会产生滑移，芯纱纤维受力伸直，编 织纱的编织角变小,但是芯纱和编织纱之间有摩擦力存在，所以二者之间又有联系， 编织纱和芯纱组成一个整体。空间可展开天线是由一定长度连续的绳索编制而成的 索网，每个单元的绳索受到拉伸作用，包芯绳索结构适合于空间天线绳索的使用方 法和沿轴向受力的特点。2 结果与分析2.1 编织角对拉伸强力的影响 试验得出编织角与断裂载荷的关系，见图2。无编织试样的编织角为0。图 2 编织角与断裂载荷的关系 Fig.2 Relationship between braiding angle and fracture load of samples从图2可看出，编织角对断裂载荷影响较大，无编织试样BObO的拉伸断裂载荷 高于编织试样，B8b30的断裂载荷略高于B8b20和B8b40。说明编织角30是二 维编织包芯绳索拉伸强力的拐点，此时包芯绳索的拉伸性能较好。分析结果认为：B0b0试样的纤维沿轴向伸直平行，纤维强力利用率最高，所以高强度绳索在选择 纱线交织结构的时候，在保证绳索结构稳定的基础上，尽量提高单向纤维所占比例。 若编织角较大，编织纱对芯纱包缠紧密，可以增大纤维之间的摩擦力从而提高绳索 的拉伸强力，但是编织纱与拉伸轴向夹角就会变大，编织纱的强力利用率变小，且 影响包芯绳索的柔软性；若编织角较小，编织纱与拉伸轴向夹角就小，但是编织纱 对芯纱的包缠不够紧密，芯纱在内部伸直状况不好，易出现露芯现象，结构不均匀， 易出现薄弱环节，影响包芯绳索的强力。综合考虑，编织角为30的试样拉伸强力 较好，结构均匀，编织纱对芯纱的包覆性较好，是比较理想的编织角。2.2 纤维比例对拉伸性能的影响 图3示出不同纤维比例试样位移与载荷的关系。图3不同纤维比例试样拉伸载荷-位移曲线Fig.3 Tensile load-displacement curves of different fiber proportions of samples 从图3可看出，编织纱和芯纱纤维比例对包芯绳索的拉伸性能影响较大。从载荷 与位移曲线可知：B6b30和B8b30试样载荷与位移曲线基本保持线性趋势，其中 B8b30试样断裂载荷较大。B16b30试样载荷与位移曲线初始阶段载荷增加缓慢， 曲线斜率较小且为非线性；随着位移的增加，曲线出现拐点。分析结果认为：以芳 纶为材料的包芯绳索断裂伸长率很小，载荷与位移曲线基本为一直线直至断裂，中 间没有屈服点，因此芳纶绳索在多次重复使用时不会有残余应变现象发生。B6b30试样编织纱比例小，编织纱对芯纱的包缠不紧密，纤维之间的摩擦力也较 小从而影响断裂强力，芯纱比例大的优势没有发挥。同时进行了2组对比试验， 632 tex纤维束的拉伸试验断裂载荷为0.83 kN，2 528 tex纤维束的拉伸试验断 裂载荷为3.17 kN。图3B16b30试样曲线第1个拐点约为1.5 kN，最大断裂载 荷约为3 kN，可以得出B16b30试样拉伸过程的分析，开始阶段芯纱和编织纱受 力伸直，编织纱比例较大所以出现载荷增加缓慢的现象；随着位移增加，部分芯纱 受力断裂，曲线出现拐点；位移继续增加，编织纱和芯纱共同受力断裂。通过比较 试验数据，发现编织纱根数越多，编织纱性能对纱线的贡献越突出，芯纱的作用就 弱化了，为了实现二维编织包芯结构的优势，充分利用纤维的强度，编织纱根数不 宜过多，满足芯纱完全被包覆即可。综合考虑，B8b30试样编织角30和编织纱 和芯纱纤维比例为40/60较合理，编织纱包覆芯纱紧密，芯纱平行伸直。2.3 编织参数对断裂伸长率的影响图4示出试样编织参数与其断裂伸长率的关系。从图4(a)可看出，编织角对断裂 伸长率影响也较大。B0b0试样断裂伸长率较小，编织角在20。40。之间变化时， 断裂伸长率变化很小。断裂伸长率和断裂强力有关，拉伸试验时载荷与位移曲线的 斜率相同，断裂强力越大，位移就越大，所以试样B8b30断裂伸长率较大。B8b20试样编织纱拉伸变形较小；B8b40试样纤维之间摩擦力较大，纤维伸长量 就减少了。图4编织参数与断裂伸长率的关系Fig.4 Relationship between braiding angle(a)， fiber ratio (b) and breaking elongation of sample由图4(b)可看出，芯纱纤维比例对断裂伸长率影响也较大，随着芯纱纤维比例的 增加，断裂伸长率降低。芯纱纤维比例越大，包芯绳索拉伸时延伸率越小，越接近 纤维的断裂伸长率。综合考虑，空间天线的关键技术就是保形性，所以在设计包芯 绳索结构时，编织纱根数不宜过多，满足芯纱完全被包覆即可，这与拉伸强力的选 择是一致的。2.4 拉伸破坏模式图5为部分试样经过轴向拉伸破坏的照片。从图可知，B8b20试样完全断裂， B8b30和B8b40试样从外观看只是芯纱破坏。当试样受到轴间拉伸时，芯纱平行 伸直，承受大部分载荷，编织纱受力伸长，没有受到严重损伤。因此，二维编织包 芯绳索的力学性能主要取决于纤维束的性能。编织角较小时，纤维之间挤压摩擦较 小，编织纱更易伸直，编织纱与芯纱同时受力。图 5 试样的拉伸破坏照片 Fig.5 Photos of failure pattern. Sample B8b20; (b) Sample B8b30; (c) Sample B8b40二维编织包芯结构具有很好的沿轴向拉伸性能，正确选择编织参数可以充分发挥纤 维的力学性能，从而使纱线沿轴向拉伸性能显著提高。从包芯绳索的破坏模式可以 看出，不同的纤维材料作为芯纱和编织纱，可满足不同的性能要求。编织纱可以选 择防辐射、耐摩擦、耐化学腐蚀等高功能纤维，芯纱纤维选择高强度但是在某些方 面有不足的高性能纤维。3结论1) 二维编织技术具有低成本、高效率的优势，用二维编织机制作包芯绳索可以批量 化生产，为编织高性能绳索奠定了基础。2) 二维编织结构制作的包芯绳索与其他绳索结构相比，包芯绳索的纤维强力利用率 高，加工过程对纤维损伤较小，可以减少纤维用量。3) 编织角和纤维比例对包芯绳索强力影响明显，合理选择编织参数可以提高包芯绳 索力学性能和表面结构。4) 包芯绳索的力学性能主要取决于纤维的性能，芳纶包芯绳索是一种质量轻，比强 度和比模量高，性能稳定的柔性绳索。FZXB参考文献：1 刘荣强，田大可,邓宗全空间可展开天线结构的研究现状与展望J.机械设 计,2010(27):1-9.LIU Rongqiang,TIAN Dake,DENG Zongquan.Space deployable antenna structure of the current situation and prospectJJournal of Machine Design,2010(27): 1-9.2 李小平，徐德红网状可展开天线两种网面成形方式分析J.电子机械工 程,2010(1):38-40.LI Xiaoping,XU Dehong.Analysis of two reflector shaping methods for deploying mesh antennaJ. Electro-Mechanical Engineering,2010(1):38-40.3 颜录科，寇开昌川合恩华开发高性能复合材料中使用的新型纤维材料J.材料导 报,2004(3):61-63.YAN Luke,KOU Kaichang,HA Enhua,et al.New fibre material used in advanced composite materialJ. 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