鄧金海，陳利，孫緋，呂燕

（天津工業(yè)大學(xué)先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津300387）

石英纖維緞紋織物的剪切變形實驗研究

鄧金海，陳利，孫緋，呂燕

（天津工業(yè)大學(xué)先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津300387）

在改進像框?qū)嶒灥幕A(chǔ)上，對5枚緞紋和8枚緞紋石英纖維機織物的剪切性能進行實驗觀察，分析不同組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯紗密度對織物剪切性能的影響.研究發(fā)現(xiàn)：在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，8枚緞紋織物比5枚緞紋織物更容易發(fā)生剪切變形；織物組織結(jié)構(gòu)相同時，經(jīng)緯紗密度越大，織物越不容易產(chǎn)生剪切變形.基于緞紋織物的單胞模型預(yù)測了5枚緞紋和8枚緞紋石英纖維機織物的鎖緊角，預(yù)測結(jié)果與實驗值基本一致.

像框?qū)嶒灒皇⒗w維；剪切變形；鎖緊角；織物組織

二維機織物作為層合復(fù)合材料的增強體，由于其良好的面內(nèi)性能和一體化的機械織造技術(shù)，在航空航天、軍事工業(yè)、交通等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.剪切變形是復(fù)合材料增強體在成型過程中最容易發(fā)生的一種變形，不僅有纖維束繞交織點轉(zhuǎn)動，還有紗線交織點之間的摩擦，紗線的滑移、擠壓等.像框?qū)嶒炇悄壳氨碚骺椢锛羟凶冃蔚闹饕椒╗1-5].像框?qū)嶒炇荕cGuinness等[6]為研究復(fù)合材料層間剪切性能的流變行為而首先使用的.像框是由4根剛性連桿構(gòu)成的一個正方形框，在對角線方向受拉力后，以恒定速度向相反方向運動，使織物產(chǎn)生剪切變形.不少研究機構(gòu)都對像框做了改進，如：Chen等[7]在像框底部增加了由連桿機構(gòu)組成的擴大框，可以放大載荷力；Hivet等[8]在像框下面安置一個攝像機，方便拍攝試樣的剪切過程；張一帆等[9]在像框2個相鄰臂上增加定位條，保證相鄰臂垂直.同樣在試樣方面也有一些改進，比如Zhu等[10]移除了試樣所有的邊緣松散紗線，以消除試樣邊緣紗線產(chǎn)生的剪切力的影響；Akkerman等[5]移除了臨近試樣中心區(qū)域的一些紗線，防止測試時發(fā)生起皺.本文在像框測試方法的基礎(chǔ)上，改進實驗裝置，完善實驗方法，測試不同結(jié)構(gòu)的石英纖維織物的剪切性能，以分析影響其剪切性能的因素，為石英纖維緞紋織物的成型性能提供理論依據(jù).

1 實驗部分

1.1 試樣制備

采用石英纖維以多臂二維織機織造了經(jīng)緯紗細度58 tex、2種經(jīng)紗密度、2種緯紗密度、2種組織結(jié)構(gòu)的緞紋織物.在VHX-1000顯微鏡下拍攝了每種織物試樣的表面圖像，如圖1所示.并利用該顯微鏡自帶的VHX-1000 software軟件測量出每個試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示.

圖1 織物表面形態(tài)Fig.1 Fabric surface morphology

表1 織物參數(shù)規(guī)格Tab.1Fabric parameters

1.2 像框?qū)嶒灨倪M

像框剪切實驗在日本島津公司的AG-250KNE型萬能材料試驗機上進行.像框夾具下端固定，上端拉伸，拉伸速率為5 mm/min，載荷傳感器量程為5 kN.改進的像框?qū)嶒炄鐖D2所示.

圖2 改進的像框?qū)嶒濬ig.2 Modified picture-frame experiment

像框?qū)嶒炛饕獜囊韵聨讉€方面進行改進：

（1）4個連桿鉸接處采用滾動軸承代替原來的軸承連接，這樣可以大大減少實驗過程中的摩擦影響；

（2）將原來以多個螺栓穿過壓片夾緊試樣的方式改為兩端各兩個螺栓夾緊壓片，保證試樣受力均勻，裝卸方便；

（3）每個相框連桿上相同的位置各開一個長度140 mm、寬度40 mm、深30 mm的槽，以這種方式夾持織物，保證織物的經(jīng)緯紗方向與相框連桿平行.

2 結(jié)果與討論

2.1 織物組織對剪切性能的影響

圖3所示為經(jīng)緯紗密度為360根/（10 cm）×200根/（10 cm）的8枚緞紋、5枚緞紋的剪切曲線，明顯可以看出，在相同的剪切角下8枚緞紋更容易發(fā)生剪切變形.

圖3 同種密度不同組織的剪切性能曲線Fig.3 Shear performance curves of different fabricstructures with same density

Liu[11]等建立模型分析了機織物中纖維束交織處正壓力的分布狀態(tài)，得出正壓力在纖維束交織彎曲部分分布大，在平緩的地方分布很小，甚至可以忽略.8枚緞紋與5枚緞紋相比，紗線交織數(shù)較少，因此，8枚緞紋在剪切過程中紗線旋轉(zhuǎn)受到的摩擦力就小.織物的單細胞模型如圖4所示.

圖4 緞紋織物單胞Fig.4 Satin fabric unit cell

從織物結(jié)構(gòu)看，織物中的浮長線越長，紗線的屈曲率越小，浮長線處直接接觸并擠壓的紗線根數(shù)越多，直接接觸紗線間的擠壓要比交織處紗線的擠壓更容易.如圖4（a）所示，在經(jīng)紗和緯紗相交處，2個相鄰的緯紗（圖中1和2）通過經(jīng)紗相互擠壓，還需要克服經(jīng)紗彎曲變形所需的力；在非交織區(qū)域，相鄰紗線（圖中2和3）可以直接接觸并互相擠壓，變形過程中承受的剪切載荷較小.紗線的屈曲率越小，織物結(jié)構(gòu)就越松散，擠壓時就會有更多的空間來滿足剪切變形.由圖4可以明顯看出，8枚緞紋的浮長線比5枚緞紋長，紗線的屈曲率更小，因此，8枚緞紋織物更容易發(fā)生剪切變形.

2.2 織物經(jīng)緯紗排列密度對織物剪切性能的影響

同種組織條件下，相同經(jīng)密（緯密）不同緯密（經(jīng)密）織物的剪切性能曲線分別如圖5、圖6所示.

圖5 同種組織相同經(jīng)密不同緯密的剪切性能曲線Fig.5 Shear performance curves of different weft densitieswith same warp density and fabric structure

由圖5可以看出，在織物組織和經(jīng)紗密度相同時，緯紗密度越大，織物越不容易發(fā)生剪切變形；同樣，由圖6可以看出，緯紗密度相同時，經(jīng)紗密度越大，織物越不容易發(fā)生剪切變形.

首先，從織物剪切變形的過程來講，織物在發(fā)生剪切變形時，先是纖維束的滑移和繞著交織點的轉(zhuǎn)動，這時織物只需克服紗線間的摩擦力；隨著剪切變形的增加，纖維束間的間距減小，直至發(fā)生擠壓變形，此時除克服纖維束間摩擦力外還需克服纖維束變形所產(chǎn)生的彈力.所以當(dāng)織物經(jīng)緯紗密度越大，織物紗線就越多，纖維束間的間距就越小，所需的載荷就越大，故織物越不容易發(fā)生剪切變形.

圖6 同種組織相同緯密不同經(jīng)密的剪切性能曲線Fig.6 Shear performance curves of different warp densities with same weft density and fabric structure

其次，在織物尺寸及其他結(jié)構(gòu)相同的條件下，織物紗線越多，其經(jīng)緯紗交織的次數(shù)就越多，在變形的過程中，紗線要發(fā)生旋轉(zhuǎn)就會產(chǎn)生摩擦力，經(jīng)緯紗交織的次數(shù)越多，其旋轉(zhuǎn)時需要克服的摩擦力就越多.所以織物中紗線密度越大，所需載荷就越大，紗線變形的空間就越少，到達鎖緊角的時間就越短.

2.3 緞紋織物鎖緊角的預(yù)測

織物的剪切變形是有一定范圍限制的.隨著剪切變形的增加，織物中經(jīng)緯紗線的夾角變小，纖維束間的間距也逐漸減少，當(dāng)?shù)竭_一定限度后織物就會發(fā)生“鎖定”現(xiàn)象，即此時纖維束間間隙為零，此時織物中經(jīng)紗和緯紗的夾角定義為織物的鎖緊角θL.通常，織物緊密程度越高，則鎖緊角越大，織物越容易起皺.

織物的剪切角γ和紗線間夾角θ的關(guān)系為

織物的鎖緊角是擠壓階段開始的判斷標(biāo)志，因此，這個角度的預(yù)測對緞紋織物剪切性能的研究具有重要意義.

圖7所示為8枚緞紋織物單胞在剪切過程中的變化.

圖7 緞紋織物單胞結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Satin fabric unit cell

從圖7所給的織物單胞變化的幾何關(guān)系可知：

式中：θL為鎖緊角；S為織物單胞長度；w0為纖維束的初始寬度；g0為纖維束間的初始間距.則緞紋織物的單胞長度S為：

S=nw0+ng0（5）式中：n為織物組織單胞循環(huán)數(shù)，8枚緞紋n=8，5枚緞紋n=5.表2給出了緞紋織物的預(yù)測值，可以看出，實測值和預(yù)測值吻合較好.

表2 緞紋織物鎖緊角預(yù)測值和實驗值比較Tab.2Comparison between predict and experiment values of satin fabrics lock angle （°）

3 結(jié)論

（1）石英纖維緞紋織物的剪切性能與織物組織、經(jīng)緯紗密度密切相關(guān)；其他條件相同時，8枚緞紋織物比5枚緞紋織物更容易發(fā)生剪切變形；在織物組織相同的情況下，經(jīng)緯紗密度越大，織物越不容易發(fā)生剪切變形.

（2）織物交織點數(shù)越密集，織物越不容易發(fā)生剪切變形；織物中纖維束間距越大，紗線屈曲率越低，織物越容易產(chǎn)生剪切變形.

（3）基于緞紋織物的單胞結(jié)構(gòu)，預(yù)測了5枚緞紋和8枚緞紋的鎖緊角，所得結(jié)果與實測值基本一致.

[1]LIULu，CHENJulie，LIXiang，etal.Two-dimensional macromechanics shear models of woven fabrics[J].Composites：Part A，2005，36：105-114.

[2]SUN Huiyu，PAN Ning.Shear deformation analysis for woven fabrics[J].Composite Structures，2005，67：317-322.

[3]林國昌，萬志敏，杜星文.機織物剪切行為研究[J].航空學(xué)報，2007，28（4）：1005-1008.

[4]JEAN Launay A，GILLER Hivet A，AHN V Duong.Experimental analysis of the influence of tensions in plane shear behaviour ofwoven compositereinforcements[J].Composites Science and Technology，2008，68：506-515.

[5]CAO J，AKKERMAN R，BOISSE B P.Characterization of mechanical behavior of woven fabrics：Experimental methods and benchmark results[J].Composites：Part A，2008，39：1037-1053.

[6]MCGUINNESS G B，CMó Brádaigh.Development of rheological models for forming flows and picture-farme shear testing of fabric reinforced thermoplastic sheets[J].J Non-Newtonian Fluid Mech，1997，73：1-28.

[7]LIU L，CHEN J.A solid mechanics shear model of commingled glass/polypropylene woven fabrics[C]//Third MIT Conference on Computational Fluid and Solid Mechanics.Massachusetts：[s.n.]，2005：237-241.

[8]DUMONT F，HIVET G，ROTINAT R，et al.Field measurements for shear tests on woven reinforcements[J].Mécanique Ind，2003（4）：627-635.

[9]張一帆，陳利，孫緋.預(yù)定型機織物剪切變形實驗研究[J].復(fù)合材料學(xué)報，2009，26（3）：29-34.

[10]ZHU B，YU T X，TAO X M.An experimental study of inplane large shear deformation of woven fabric composite[J]. Composite Science and Technology，2007，67：252-261.

[11]LIU Lu，CHEN J，JENNIFER L.Modeling of fiction and shear in thermostamping of composites partII[J].Journal of Composite Materials，2004，38（21）：1931-1947.

Experimental research on shear deformation of quartz fiber satin fabrics

DENG Jin-hai，CHEN Li，SUN Fei，Lü Yan
（Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Based on the modified experiments for picture-frame，the in-plain shear properties of the 5 h-satin and 8 hsatin of quartz fiber fabrics are studied.The effects of fabric architecture and yarn density on shear properties of fabrics are analyzed.The results show that 8 h-satin fabrics are easier to form shear deformation than 5 h-satin when other conditions are the same.The fabrics are not easier to form shear deformation when the yarn density increases with the same fabric structure.Based on the satin fabric unit cell model，the locking angles of the 5 hsatin and 8 h-satin fabrics are predicted，the predicted values show good agreement with the experimental ones.

picture-frame experiment；quartz fiber；shear deformation；locking angle；fabric structure

TS101.923.1；TB332

A

1671-024X（2013）06-0019-04

2013-07-04

國家自然科學(xué)基金資助項目（11072175）

鄧金海（1988—），男，碩士研究生

陳利（1968—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師.E-mail：chenli@tjpu.edu.cn