焦亞男， 楊 志， 張世浩

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

在立體織物織造過(guò)程中，連續(xù)纖維束會(huì)發(fā)生變形，由此纖維束間產(chǎn)生摩擦損傷，從而影響立體織物的力學(xué)性能。纖維束的變形程度與其在立體織物中的取向和分布有很大的關(guān)系，研究纖維束在立體織物中的取向和變形對(duì)于研究織物中纖維束間的摩擦行為至關(guān)重要。從制造高性能纖維束到立體織物織造過(guò)程中，纖維束被處理并且必須經(jīng)歷多個(gè)機(jī)械應(yīng)力，除張力、扭轉(zhuǎn)和剪切外，還會(huì)發(fā)生摩擦作用，這些過(guò)程對(duì)高性能纖維束會(huì)造成損傷，甚至導(dǎo)致纖維斷裂。纖維束在紡絲和織造[1]過(guò)程中的摩擦損傷通常發(fā)生在纖維束內(nèi)部纖維間、纖維束間和纖維束與金屬之間。在正交三向織物織造過(guò)程中，因摩擦損傷造成的玻璃纖維經(jīng)紗強(qiáng)力下降30%，法向紗的強(qiáng)力下降50%[2]，因此，研究纖維束的摩擦磨損現(xiàn)象對(duì)改善織造工藝條件具有重要意義。

有關(guān)纖維束摩擦理論[3-4]的研究大都在20世紀(jì)提出，很大一部分源于紡織工業(yè)纖維生產(chǎn)過(guò)程中單根纖維之間的摩擦、織造過(guò)程中纖維束和纖維束以及纖維束和鋼筘間的摩擦。早期的研究工作主要集中在聚合物材料和天然材料，如錦綸[5]、粘膠[6]和羊毛[7]?？蒲腥藛T已對(duì)纖維表面摩擦行為和摩擦測(cè)量方法作了一些具有重要意義的總結(jié)[8]。文獻(xiàn)[9]中提出了2種測(cè)量纖維束或纖維摩擦的方法：一是用纖維束與纖維束摩擦；二是用纖維束與其他材料摩擦。研究纖維與纖維或纖維束與纖維束之間的摩擦行為，發(fā)現(xiàn)其存在2種接觸[10]：一是點(diǎn)接觸，即纖維束或纖維交叉在一起；二是線性接觸，即纖維束或纖維纏繞在一起。目前單根纖維或纖維束與另一種材料之間的摩擦所用的方法多為絞盤法[11]。Cornelissen等[12-13]利用絞盤法研究了溫濕度、摩擦方向和法向載荷對(duì)芳綸、碳纖維、無(wú)堿玻璃纖維摩擦性能的影響，并提出一種接觸力學(xué)建模方法，為纖維束之間相互接觸的摩擦行為提供了理論依據(jù)。Allaoui等[14]設(shè)計(jì)了一種用于分析織物與織物摩擦的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了2個(gè)織物層間相對(duì)角度、織物成形方式等參數(shù)對(duì)織物摩擦性能的影響，并提出該設(shè)備也可用于研究纖維束與纖維束之間的摩擦性能。Montero等[15]利用設(shè)計(jì)的一種特殊的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)玻璃纖維平紋織物及其經(jīng)緯紗之間進(jìn)行了摩擦實(shí)驗(yàn)，研究了載荷和摩擦速度對(duì)織物與織物、纖維束與纖維束之間摩擦性能的影響。Michel等[16]通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程研究了碳纖維(經(jīng)紗)在織造過(guò)程中的摩擦損傷現(xiàn)象，分析了摩擦速度、正常載荷和碳纖維類型對(duì)纖維束摩擦性能的影響。

立體織物中纖維束的取向?qū)w維束的變形具有重要影響，而上述文獻(xiàn)并未針對(duì)纖維束間夾角和纖維束摩擦性能之間的關(guān)聯(lián)性展開(kāi)研究。為此，本文設(shè)計(jì)了一種新的測(cè)量纖維束或纖維相互之間摩擦性能的方法。該方法利用在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上安裝設(shè)計(jì)好的夾具，通過(guò)改變纖維束或纖維在夾具上的相對(duì)位置，使纖維束或單根纖維能夠以相互正交或一定角度相互接觸，從而實(shí)現(xiàn)模擬織造過(guò)程中經(jīng)緯紗之間相互交織的狀態(tài)。本文旨在纖維尺度上研究摩擦角度、摩擦頻率和法向載荷對(duì)纖維束與纖維束間摩擦性能的影響，討論并分析實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)纖維束間摩擦行為影響或不影響的原因。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

石英纖維(線密度為190 tex)，湖北菲利華石英纖維有限公司生產(chǎn)；502瞬間強(qiáng)力膠，深圳市泰順膠粘劑有限公司。

UMT型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)布魯克公司；夾具，實(shí)驗(yàn)室自制；PC-230型數(shù)碼顯微鏡，日本Vixen 公司。

1.2 試樣制備

實(shí)驗(yàn)夾具凹槽及其編號(hào)如圖1所示。首先，將石英纖維剪成長(zhǎng)度為5 cm(上夾具用)和10 cm(下夾具用)的試樣，然后讓纖維束通過(guò)上夾具兩端的凹槽，保證凹槽兩端纖維束長(zhǎng)度相同后，用502瞬間強(qiáng)力膠將纖維束一端黏在上夾具任一測(cè)邊。最后利用夾子夾住纖維另一端，在保證纖維束在上夾具兩側(cè)凹槽內(nèi)處于伸直的情況下將纖維束另一端黏到夾具上。

圖1 自制夾具外形尺寸圖

Fig.1 Dimensions of self-made fixtures. (a) Fixture; (b) Schematic diagram of key dimensions of lower fixture

下夾具制作樣品過(guò)程與上夾具大致相同，在制備90°角摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)，將纖維束通過(guò)下夾具Z(0)槽與Y(0)槽；在制備80°角摩擦?xí)r，將纖維束通過(guò)Z(-1)(或Z(1))槽與Y(1)(或Y(-1))槽；在制備75°角摩擦?xí)r，將纖維束通過(guò)Z(-2)(或Z(2))槽與Y(2)(或Y(-2))槽；在制備70°角摩擦?xí)r，將纖維束通過(guò)Z(-3)(或Z(3))槽與Y(3)(或Y(-3))槽。每組實(shí)驗(yàn)制樣5件。

1.3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

摩擦磨損的測(cè)試方法有很多，材料的摩擦性能可隨著摩擦頻率、載荷、摩擦速度、溫度以及材料屬性等因素的變化而變化。實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)為法向載荷(0.3、0.6、0.9、1.2 N)、摩擦頻率(0.5、1、1.5、2 Hz)和摩擦角度(70°、75°、80°、90°，纖維束間所夾的銳角)，上下纖維束間摩擦接觸距離為20 mm，摩擦?xí)r間為5 min。測(cè)定不同法向載荷、摩擦頻率和摩擦角度對(duì)石英纖維表面形貌及摩擦因數(shù)的影響。圖2示出摩擦?xí)r夾具上機(jī)的狀態(tài)。其中左邊顯示了上下夾具在試驗(yàn)機(jī)中的具體位置以及力傳感器可移動(dòng)和探測(cè)方向，右邊顯示了不同摩擦角度下上下纖維束之間接觸的真實(shí)情況。首先在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上安裝好自制夾具，然后在電腦軟件上設(shè)置好實(shí)驗(yàn)參數(shù)(摩擦頻率、法向載荷、摩擦?xí)r間、摩擦方式和摩擦動(dòng)程)，對(duì)纖維束與纖維束進(jìn)行往復(fù)式摩擦測(cè)試。

圖2 夾具上機(jī)狀態(tài)

Fig.2 Fixture on machine

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

測(cè)試結(jié)束后，保存并處理所采集到的不同測(cè)試參數(shù)下摩擦因數(shù)和法向載荷隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。采用數(shù)碼顯微鏡拍攝摩擦后石英纖維束的表面毛羽，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)和圖片分析得出測(cè)試參數(shù)對(duì)石英纖維摩擦性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦角度對(duì)石英纖維摩擦性能的影響

設(shè)定摩擦頻率為1 Hz，法向載荷為0.6 N，研究不同的摩擦角度(70°、75°、80°、90°)對(duì)石英纖維摩擦性能的影響。在摩擦實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可明顯發(fā)現(xiàn)，隨著摩擦角度的逐漸減小，摩擦接觸長(zhǎng)度增加，石英纖維磨損程度增加。

圖3示出在不同摩擦角度的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后石英纖維的摩擦磨損對(duì)比。可以看出，不同摩擦角度下材料的表面特征均不相同，石英纖維在90°和80°摩擦?xí)r，摩擦區(qū)域中間處相比于摩擦邊緣較扁平。這是由于在摩擦過(guò)程中施加了法向載荷，使得纖維間相互擠壓，從而導(dǎo)致纖維束發(fā)生擠壓變形。隨著摩擦角度的減小，石英纖維束的表面越來(lái)越粗糙，纖維磨損程度逐漸增加。從微觀分析可得，隨著摩擦角度的減小，纖維束與纖維束之間的接觸面積逐漸增大[17]，由于纖維屬于黏彈性體，隨著纖維束間接觸面積的增加，纖維束間的摩擦阻力增大，從而導(dǎo)致摩擦后纖維束表面斷頭纖維較多，即纖維磨損程度大，因此，摩擦角度對(duì)纖維束與纖維束摩擦中纖維束外觀形貌有重要影響。

圖3 不同摩擦角度下石英纖維的磨損圖

Fig.3 Worn surfaces of quartz fiber at different friction angles

圖4示出當(dāng)摩擦角度分別為70°、75°、80°和90°時(shí)石英纖維的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯觯涸谇€開(kāi)始階段，摩擦因數(shù)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)上下波動(dòng)，波動(dòng)時(shí)長(zhǎng)大約為6 s，6 s后隨著時(shí)間的推移最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。產(chǎn)生波動(dòng)的原因?yàn)椋涸谀Σ脸跏茧A段，由于石英纖維束之間存在法向載荷，且纖維束中纖維之間存在一定孔隙，這些孔隙在載荷的作用下隨著試樣的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)而逐漸減小，從而出現(xiàn)圖3中摩擦中間處成扁平狀的現(xiàn)象。

圖4 不同摩擦角度下石英纖維的摩擦因數(shù)

Fig.4 Friction coefficient of quartz fibers at different friction angles

在纖維束中的纖維發(fā)生重排并最終達(dá)到穩(wěn)定后，摩擦因數(shù)會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間逐漸減小的過(guò)程，這是因?yàn)槌鰪S的纖維束均會(huì)上漿處理，在纖維重排穩(wěn)定后的一段時(shí)間內(nèi)，纖維束與纖維束以一定角度進(jìn)行摩擦，此時(shí)，由于纖維上的漿料在摩擦開(kāi)始時(shí)會(huì)起到潤(rùn)滑作用[18]，減小了纖維束之間的摩擦阻力，使得摩擦因數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)降低。最終，當(dāng)摩擦角度為70°時(shí)，摩擦因數(shù)最高；75°和80°時(shí)摩擦因數(shù)次之；當(dāng)摩擦角度為90°時(shí)，摩擦因數(shù)最低。為保證數(shù)據(jù)的精確，取圖4中各條曲線上100～300 s之間的數(shù)據(jù)，求其平均值并將其作為在法向載荷為0.6 N，摩擦頻率為1 Hz條件下該摩擦角度的摩擦因數(shù)。最終得出當(dāng)摩擦角度為70°、75°、80°和90°時(shí)，摩擦因數(shù)分別為0.187 5、0.176 7、0.168 0和0.160 2，其中摩擦角度為70°時(shí)的摩擦因數(shù)約為90°時(shí)的1.2倍，因此，摩擦角度對(duì)纖維束間摩擦因數(shù)有影響。

圖5示出不同摩擦角度下法向載荷隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯觯Σ两嵌葹?0°和90°時(shí)，由于石英纖維束間夾角較大，法向載荷在剛開(kāi)始摩擦的1 s內(nèi)發(fā)生較小幅度的降低；而摩擦角度為70°與75°時(shí)，法向載荷則發(fā)生大幅度的降低。在摩擦開(kāi)始大約1 s后，法向載荷的大小會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)上下波動(dòng)且逐漸減小趨勢(shì)，該波動(dòng)產(chǎn)生的主要原因是石英纖維束在摩擦過(guò)程中其內(nèi)部纖維相互擠壓重排，從而纖維束在相互接觸的地方由類似圓形變?yōu)楸馄?；?dāng)纖維束中纖維重排達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，法向載荷下降到最底端，此時(shí)隨著摩擦運(yùn)動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定，法向載荷迅速上升并恢復(fù)到初始狀態(tài)(即0.6 N)，因此，摩擦角度的變化會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)前期法向載荷的波動(dòng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響摩擦因數(shù)。

圖5 不同摩擦角度下纖維束之間的法向載荷

Fig.5 Load between tows at different friction angles

2.2 摩擦頻率對(duì)石英纖維摩擦性能的影響

設(shè)定摩擦角度為90°，法向載荷為0.6 N，研究不同摩擦頻率(0.5、1.0、1.5、2.0 Hz)對(duì)石英纖維摩擦性能的影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在改變摩擦頻率的條件下，石英纖維的磨損噪聲無(wú)明顯增加，磨損程度有所增加，其摩擦磨損對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同摩擦頻率下石英纖維磨損圖

Fig.6 Worn surfaces of quartz fiber at different friction frequencies

從圖6(a)可見(jiàn)，在0.5 Hz的摩擦頻率下，石英纖維的磨損程度很小，只有少量的斷纖維圍繞在纖維束周圍；由圖6(b)、(c)可以看出，隨著摩擦頻率的增加，石英纖維在摩擦區(qū)域變得逐漸稀薄，纖維的磨損程度逐漸變大，磨斷的單根纖維聚集在摩擦區(qū)域兩端；有圖6(d)可知，在2.0 Hz的摩擦頻率下，摩擦區(qū)域的纖維束磨損成扁平狀，此外還觀察到有大量磨斷的單根纖維松散地沿軸向圍繞在纖維束周圍。由此發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩擦頻率為2.0 Hz時(shí)，石英纖維的磨損程度最大。經(jīng)分析可知，隨著摩擦頻率的增大，纖維單位時(shí)間內(nèi)接觸的次數(shù)增多，又因?yàn)槔w維微觀表面是凹凸不平的[16]，因此，纖維間的摩擦阻力和纖維磨損程度會(huì)隨著摩擦頻率的增大而增加。因?yàn)楦鲉胃w維的強(qiáng)力不同，從而導(dǎo)致處于纖維束外表面的纖維發(fā)生斷裂且斷裂的位置各不相同，這就是圖6中看到不同長(zhǎng)度的斷頭纖維圍繞在纖維束周圍的原因，因此，摩擦頻率對(duì)纖維束與纖維束摩擦中纖維束表面形貌有影響。

圖7示出當(dāng)摩擦頻率分別為0.5、1.0、1.5和2.0 Hz時(shí)石英纖維的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的曲線?？梢钥闯觯涸谇€開(kāi)始階段，摩擦因數(shù)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后減小，且處于波動(dòng)狀態(tài)，波動(dòng)時(shí)長(zhǎng)大約為6 s；6 s后隨著時(shí)間的推移，摩擦因數(shù)先逐漸減小，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。隨著摩擦頻率的增加，單位時(shí)間內(nèi)摩擦次數(shù)增多，纖維的重排達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間更短。隨著時(shí)間的變化，不同摩擦頻率下的摩擦因數(shù)曲線最終達(dá)到穩(wěn)定且穩(wěn)定階段的曲線相互交叉，保持在同一水平。為保證數(shù)據(jù)精確度，取100～300 s之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到該階段4種頻率的摩擦因數(shù)平均值約為0.169 9，最大值為0.176 2，最小值為0.163 4，差值為0.012 8，可忽略不計(jì)，因此，摩擦頻率對(duì)摩擦因數(shù)沒(méi)有影響。

圖7 不同摩擦頻率下石英纖維的摩擦因數(shù)

Fig.7 Friction coefficient of quartz fibers at different friction frequencies

圖8示出不同摩擦頻率下法向載荷隨時(shí)間變化的曲線。可以看出：在6 s前不同摩擦頻率條件下法向載荷的波動(dòng)曲線變化基本一致；在6 s后，纖維重排達(dá)到穩(wěn)定，法向載荷經(jīng)過(guò)大約4 s的穩(wěn)定后轉(zhuǎn)而急速上升到預(yù)設(shè)的0.6 N；100 s后不同摩擦頻率對(duì)應(yīng)的法向載荷曲線在0.6 N左右相互交叉。曲線相互交叉的現(xiàn)象是由于在纖維束摩擦過(guò)程中伴隨有纖維斷裂，一旦纖維發(fā)生斷裂，上夾具黏的纖維束持續(xù)附加給下夾具上黏的纖維束的法向載荷就會(huì)發(fā)生變動(dòng)，法向力傳感器所接收到的數(shù)據(jù)也就會(huì)變動(dòng)，法向載荷曲線就會(huì)發(fā)生上下交叉的現(xiàn)象，因此，摩擦頻率對(duì)前期法向載荷沒(méi)有影響，進(jìn)而也不影響摩擦因數(shù)。

圖8 不同摩擦頻率下纖維束間的法向載荷

Fig.8 Load between tows at different friction frequencies

2.3 法向載荷對(duì)纖維摩擦性能的影響

設(shè)定摩擦角度為90°，摩擦頻率為1 Hz，研究0.3、0.6、0.9、1.2 N不同法向載荷對(duì)石英纖維摩擦性能的影響。在摩擦實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在摩擦過(guò)程中，隨著法向載荷的增加，摩擦劇烈，石英纖維磨損程度增加，石英纖維材料的表面摩擦磨損對(duì)比如圖9所示。

圖9 不同法向載荷下石英纖維磨損圖

Fig.9 Worn surfaces of quartz fiber at different load

由纖維束表面斷裂毛羽可知，不同法向載荷下纖維束的表面特征均不相同，且圖9(a)～(d)所示纖維束磨損程度逐漸增大，當(dāng)法向載荷為1.2 N時(shí)，石英纖維磨損程度最大。在法向載荷增加的過(guò)程中，纖維束磨損程度逐漸增加，纖維束磨損程度與圖6相似且比較明顯，但相比于圖3，纖維束磨損程度相對(duì)較小。通過(guò)觀察分析，隨著法向載荷的增加，纖維束磨損程度增加的機(jī)制是：增加法向載荷的同時(shí)，石英纖維束與纖維束之間的接觸面積增加，摩擦界面上纖維與纖維之間的接觸力增大，在進(jìn)行往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)時(shí)，纖維間接觸力較大就會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦阻力，進(jìn)而產(chǎn)生更多的纖維斷裂，因此，法向載荷對(duì)纖維束摩擦的表觀形貌有影響。

圖10示出當(dāng)法向載荷分別為0.3、0.6、0.9和1.2 N時(shí)石英纖維的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯觯谇€開(kāi)始階段，摩擦因數(shù)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)短暫增加，然后發(fā)生6 s的波動(dòng)，緊接著出現(xiàn)一定程度的下降，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在初始階段大約1 s時(shí)，法向載荷越小，摩擦因數(shù)值越大。這說(shuō)明隨著法向載荷的增加，纖維重排達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間更短，因此，該曲線符合實(shí)際情況。為保證數(shù)據(jù)精確度，取100 ～300 s之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出該階段4種頻率的摩擦因數(shù)平均值，約為0.175 0，其中最大值為0.179 9，最小值為0.170 0，最大值與最小值之間的差值為0.009 9，可忽略不計(jì)，因此，法向載荷對(duì)摩擦因數(shù)沒(méi)有影響。

圖10 不同法向載荷下石英纖維的摩擦因數(shù)

Fig.10 Friction coefficient of quartz fiber under different normal loads

3 結(jié) 論

1)石英纖維束之間摩擦角度在70°時(shí)，纖維束磨損程度最大，90°時(shí)磨損程度最小，摩擦角度對(duì)石英纖維束表面形貌有影響；摩擦角度為70°時(shí)的摩擦因數(shù)為90°時(shí)的1.2倍，摩擦角度對(duì)摩擦因數(shù)有影響，隨著摩擦角度的減少，摩擦因數(shù)增大。

2)摩擦頻率為2.0 Hz時(shí)，石英纖維束磨損程度最大，摩擦頻率對(duì)纖維束表面形貌有影響；不同摩擦頻率下纖維束與纖維束之間的摩擦因數(shù)值相差0.012 8，摩擦頻率對(duì)摩擦因數(shù)無(wú)影響。

3)法向載荷為1.2 N時(shí)，石英纖維束磨損程度最大，法向載荷對(duì)纖維束表面形貌有影響；不同法向載荷下纖維束與纖維束之間的摩擦因數(shù)相差0.009 9，法向載荷對(duì)摩擦因數(shù)無(wú)影響。

綜上所述，在一定范圍內(nèi)，摩擦角度、摩擦頻率和法向載荷對(duì)石英纖維束的表面磨損均有影響，但僅摩擦角度對(duì)纖維束與纖維束間的摩擦因數(shù)有影響，且隨著摩擦角度的減少，摩擦因數(shù)增大。在實(shí)際織造過(guò)程中，應(yīng)以解決由纖維束的取向在織造過(guò)程中發(fā)生變形造成的摩擦損傷為主，再考慮減緩織造頻率和減小外部載荷來(lái)減小立體織物中的摩擦損傷，從而降低立體織物織造過(guò)程中造成的力學(xué)性能和使用壽命的損失。