解錫明 吳 寧 王 玉

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

纖維立體織物增強(qiáng)復(fù)合材料因具有更強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性能和優(yōu)異的整體力學(xué)性能，被廣泛用作航天航空、汽車、能源等領(lǐng)域的承力結(jié)構(gòu)件[1-3]。在纖維立體織物的織造過程中，多層紗線間會由于頻繁地接觸而極易引起紗線的損傷，這種損傷不僅會導(dǎo)致紗線力學(xué)性能的降低，還會造成織造過程的中斷，甚至影響復(fù)合材料的整體力學(xué)性能[4-6]。因此，摩擦和磨損一直是纖維材料應(yīng)用中不容忽視的問題。

早在20世紀(jì)三四十年代，國外學(xué)者就對纖維材料的摩擦和磨損行為進(jìn)行了一系列研究[7-9]，并在此基礎(chǔ)上，針對紗線織造過程中的摩擦磨損問題展開了大量的研究。

Lee等[10]研究表明，碳纖維三維編織立體織物中經(jīng)紗的拉伸斷裂強(qiáng)度最大值相比未織造前的減小了12%。Cornelissen等[11]采用絞盤法研究了碳纖維束與金屬，以及碳纖維束之間的摩擦機(jī)理，結(jié)果表明，接觸面的表面粗糙度是影響碳纖維束與金屬間摩擦磨損行為的主要因素，而碳纖維束的相對運(yùn)動方向是影響碳纖維束之間摩擦磨損行為的主要因素。Archer等[12]對比分析了立體織造過程中不同種類的碳纖維紗線的織造損傷程度，結(jié)果表明碳纖維紗線的拉伸斷裂強(qiáng)度整體減小了9%～10%，且12K、6K和3K碳纖維紗線之間的拉伸強(qiáng)度偏差小于3%。Chakladar等[13]就碳纖維束的彎折角度對纖維束之間和纖維束內(nèi)部長絲的摩擦機(jī)理的影響進(jìn)行了探討，并建立了數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明彎折角度對纖維摩擦損傷狀況影響顯著，且纖維束內(nèi)部長絲的摩擦系數(shù)隨著反復(fù)拉伸次數(shù)的增加而減小。Brown 等[14]用絞盤法測試了芳綸織物在低速、大載荷條件下的摩擦磨損性能，結(jié)果表明在一定的循環(huán)次數(shù)下，織物的磨損率和施加的載荷成正比。Marcicano等[15]基于紗線在圓形捻線機(jī)上的橫向滑移，實(shí)現(xiàn)了紗線橫向摩擦系數(shù)的測量，并通過約束紗線在旋轉(zhuǎn)時靠近約束裝置的高度，實(shí)現(xiàn)了橫向摩擦角度的變換，該方法被證實(shí)測量紗線橫向摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確度極高。

李錦元[16]研究了開口及打緯運(yùn)動過程中經(jīng)紗在綜眼內(nèi)的移動摩擦問題，提出降低梭口高度、加大其對稱比和盡可能延遲開口時間等，都有利于減少經(jīng)紗移動量。王鴻博[17]通過自制的紗線耐磨裝置，分析了織造工藝參數(shù)對經(jīng)紗耐磨性能的影響，發(fā)現(xiàn)速度、張力、梭口參數(shù)等與經(jīng)紗的耐磨性能密切相關(guān)，實(shí)際生產(chǎn)過程中可通過優(yōu)化織造工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)漿紗耐磨性能的提高。朱譜新等[18]分析了經(jīng)紗的摩擦磨損機(jī)理及其影響因素，提出經(jīng)紗主要因摩擦、切割和拔脫等作用而發(fā)生直接、間接磨損。直接磨損主要與接觸面間的法向壓力、速度和接觸面積有關(guān)；間接磨損則取決于纖維自身的性質(zhì)，實(shí)際生產(chǎn)中可通過正確的上漿或給油來改善紗線的耐磨性能。

雖然上述學(xué)者對纖維束在織造過程中的摩擦磨損行為進(jìn)行了大量的研究，但是其研究的對象多為碳纖維、玻璃纖維和芳綸等，有關(guān)氧化鋁纖維束的織造特性鮮有報(bào)道。因此，本研究自定義了一種往復(fù)線性摩擦試驗(yàn)方法，搭配自制的摩擦試驗(yàn)夾具，模擬織造過程中作為經(jīng)紗的氧化鋁纖維束與筘齒的摩擦磨損行為，探究加載力、預(yù)加張力和摩擦頻率對懸空氧化鋁纖維束摩擦磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

氧化鋁纖維束(三合股)，天津市中天俊達(dá)玻璃纖維制品有限公司生產(chǎn)，線密度為190.66 tex，拉伸強(qiáng)力為38.43 N。

筘齒，430不銹鋼制成，表面粗糙度為0.26 μm，彈性模量為210 GPa。

1.2 設(shè)備

為模擬實(shí)際織造過程中經(jīng)紗和筘齒間的摩擦磨損行為，設(shè)計(jì)了一種張力可控的纖維摩擦試驗(yàn)裝置，即采用美國布魯克·道爾頓有限公司制造的UMT-TriboLab摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，以及低速線性往復(fù)運(yùn)動模塊和電磁傳感器，進(jìn)行氧化鋁纖維束-筘齒的往復(fù)線性摩擦試驗(yàn)。根據(jù)氧化鋁纖維束的特點(diǎn)，采用3D打印技術(shù)制造出可安裝于UMT-TriboLab摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上的上下夾具，實(shí)現(xiàn)氧化鋁纖維束與筘齒的固定，以便模擬出實(shí)際織造過程中氧化鋁纖維束與筘齒間的摩擦特性及磨損狀況。試驗(yàn)時，先用螺釘將氧化鋁纖維束的一端固定，另一端懸掛一定質(zhì)量的重物以控制氧化鋁纖維束的預(yù)加張力，靜置30 s后固定絲束。下夾具固定在儀器底座上，上夾具連接電磁傳感器，并在上夾具的中間位置鑲嵌10 mm×2 mm的筘齒。上夾具通過筘齒對試樣施加加載力。試樣安裝過程中需特別注意不要彎折或扭曲試樣。圖1即為往復(fù)線性摩擦試驗(yàn)?zāi)M裝置。

a) 整體照片

此外，采用日本Vixen公司生產(chǎn)的PC-230數(shù)碼顯微鏡觀察往復(fù)線性摩擦試驗(yàn)后氧化鋁纖維束表面的毛羽。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)的確定

試驗(yàn)過程中，上夾具固定不動，下夾具做往復(fù)運(yùn)動，以模擬氧化鋁纖維束與筘齒之間的往復(fù)線性摩擦。電磁傳感器記錄試驗(yàn)過程中氧化鋁纖維束所受摩擦力(Ff)及摩擦系數(shù)(μ)的變化，探究與分析試驗(yàn)參數(shù)即加載力、預(yù)加張力和摩擦頻率對懸空狀態(tài)下氧化鋁纖維束摩擦磨損性能的影響。

為模擬織造過程中紗線毛羽對紗線摩擦性能的影響，預(yù)先進(jìn)行了一些探索性試驗(yàn)，結(jié)果顯示在0.75～0.90 N的加載力作用下，紗線會出現(xiàn)斷絲，故本試驗(yàn)確定加載力的范圍在0.23～0.65 N。

通常，對于24K的氧化鋁纖維束，上機(jī)張力在2.00～4.00 N，即每根長絲受力約為0.08～0.17 mN。本試驗(yàn)用試樣為三合股，線密度為190.66 tex，故確定氧化鋁纖維束預(yù)加張力范圍為0.10～0.70 N。

在實(shí)際織造過程中，織機(jī)筘齒往返頻率為3～5 Hz，故本試驗(yàn)確定摩擦頻率為1、3和5 Hz。

表1對往復(fù)線性摩擦試驗(yàn)的具體條件參數(shù)進(jìn)行了歸納。

表1 往復(fù)線性摩擦試驗(yàn)的具體條件參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 加載力對摩擦磨損性能的影響

在預(yù)加張力為0.40 N和摩擦頻率為3 Hz的條件下，分別設(shè)定加載力為0.23、0.40和0.65 N進(jìn)行往復(fù)線性摩擦試驗(yàn)，所得加載力對氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數(shù)的影響曲線分別如圖2和圖3所示，橫坐標(biāo)為試驗(yàn)時間(T)。

圖2 加載力對氧化鋁纖維束所受摩擦力的影響

圖3 加載力對氧化鋁纖維束摩擦系數(shù)的影響

由圖2可知，氧化鋁纖維束所受摩擦力隨加載力的增加而增大。這是因?yàn)榧虞d力的增大會造成筘齒與氧化鋁纖維束實(shí)際接觸面積增大，進(jìn)而使筘齒與氧化鋁纖維束之間的黏附力增加，故而摩擦力增大。此外，加載力的增大還會造成氧化鋁纖維束中斷裂纖維數(shù)量增加，而斷裂的纖維在摩擦過程中易發(fā)生相互纏結(jié)，形成毛羽。毛羽量越多，則氧化鋁纖維束的磨損程度越大，氧化鋁纖維束結(jié)構(gòu)受到的影響就越大。

由圖3可知：摩擦系數(shù)隨著測試時間的延長，均先急劇增加，達(dá)到峰值后逐漸下降，并最終趨于平穩(wěn)；達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)的摩擦系數(shù)值隨加載力的增加而減小，摩擦系數(shù)值在0.19～0.21范圍內(nèi)。

圖4為加載力對摩擦磨損性能影響測試結(jié)束后，所得氧化鋁纖維束的表面形貌照片。

a) 0.23 N

從圖4可以看出：當(dāng)加載力為0.23 N時，氧化鋁纖維束中僅有少量的長絲發(fā)生斷裂；隨著加載力的增大，氧化鋁纖維束中斷裂的長絲根數(shù)增加，毛羽量增加。這主要是由于加載力的增大導(dǎo)致了氧化鋁纖維束所受摩擦力的增大，進(jìn)而導(dǎo)致了纖維束中的長絲在循環(huán)應(yīng)力的作用下發(fā)生疲勞斷裂。此外，磨損的累積作用已導(dǎo)致長絲抵抗斷裂的能力隨循環(huán)應(yīng)力次數(shù)的增加而減小，加載力的增大又加劇了磨損的累積作用。

2.2 預(yù)加張力對摩擦磨損性能的影響

在加載力為0.40 N和摩擦頻率為3 Hz的條件下，分別設(shè)定預(yù)加張力為0.10、0.40和0.70 N進(jìn)行往復(fù)線性摩擦試驗(yàn)，所得預(yù)加張力對氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數(shù)的影響曲線如圖5和圖6所示，橫坐標(biāo)為試驗(yàn)時間。

圖5 預(yù)加張力對氧化鋁纖維束所受摩擦力的影響

圖6 預(yù)加張力對氧化鋁纖維束摩擦系數(shù)的影響

由圖5和圖6可知：氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數(shù)均隨著時間的推移而逐漸趨于穩(wěn)定；在預(yù)加張力為0.40 N時，氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數(shù)均較小。

圖7為預(yù)加張力對摩擦磨損性能影響測試結(jié)束后，所得氧化鋁纖維束的表面形貌照片。

a) 0.10 N b) 0.40 N c) 0.70 N圖7 預(yù)加張力對氧化鋁纖維束表面形貌的影響

由圖7可以看出：當(dāng)預(yù)加張力為0.40 N時，氧化鋁纖維束的毛羽量最少。預(yù)加張力越大，氧化鋁纖維束及其內(nèi)部長絲伸直平行度越高，摩擦過程中筘齒的往復(fù)運(yùn)動對纖維束造成的剪切損傷也越大；當(dāng)預(yù)加張力較小時，筘齒運(yùn)動到兩端調(diào)轉(zhuǎn)方向時會造成氧化鋁纖維束的急彈性形變越大，剪切損傷也就越大；只有當(dāng)預(yù)加張力適中時，氧化鋁纖維束的伸直平行度及筘齒調(diào)轉(zhuǎn)方向時引起的急彈性形變均適中，此時的氧化鋁纖維束的毛羽量最少。

2.3 摩擦頻率對摩擦磨損性能的影響

在加載力為0.40 N和預(yù)加張力為0.40 N的條件下，分別設(shè)定摩擦頻率為1、3和5 Hz進(jìn)行往復(fù)線性摩擦試驗(yàn)，所得摩擦頻率對氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數(shù)的影響曲線如圖8和圖9所示，橫坐標(biāo)為試驗(yàn)時間。

圖8 摩擦頻率對氧化鋁纖維束所受摩擦力的影響

圖9 摩擦頻率對氧化鋁纖維束摩擦系數(shù)的影響

由圖8可知：在摩擦的初始階段，所受摩擦力都突然升高，達(dá)至峰值后逐漸下降并趨于穩(wěn)定。在摩擦的穩(wěn)定階段(即試驗(yàn)時間在10～80 s時)，摩擦頻率為1 Hz時的氧化鋁纖維束所受摩擦力最大，3 Hz時最小，5 Hz時居中。

根據(jù)式(1)可計(jì)算出圖9中當(dāng)摩擦頻率從1 Hz增加至5 Hz時，摩擦系數(shù)的增長率G：

(1)

式中：C1(T)——摩擦頻率為1 Hz時摩擦系數(shù)與試驗(yàn)時間的函數(shù)；

C2(T)——摩擦頻率為5 Hz時摩擦系數(shù)與試驗(yàn)時間的函數(shù)。

經(jīng)計(jì)算得出：當(dāng)摩擦頻率從1 Hz增加至5 Hz時，氧化鋁纖維束的摩擦系數(shù)增加了18.7%。摩擦頻率越高，單位時間內(nèi)受到的摩擦次數(shù)越多，纖維束損傷就越大，表面粗糙度就越高。

圖10為摩擦頻率對摩擦磨損性能影響測試結(jié)束后，所得氧化鋁纖維束的表面形貌照片。

a) 1 Hz b) 3 Hz c) 5 Hz圖10 摩擦頻率對氧化鋁纖維束表面形貌的影響

由圖10可以看出：摩擦頻率為5 Hz時，氧化鋁纖維束的損傷非常嚴(yán)重。這主要是因?yàn)槟Σ令l率的增加使得氧化鋁纖維束拉伸、屈曲的周期變短，纖維所承受的張力增加，筘齒對纖維束的摩擦作用增強(qiáng)，且纖維束在承受一次拉伸、屈曲或其他作用后，纖維束及其內(nèi)部纖維不能得到及時回復(fù)，易產(chǎn)生疲勞和塑性形變累積，使得纖維因承受高度集中的應(yīng)力作用而斷裂, 氧化鋁纖維束的磨損程度增大。

3 結(jié)論

本文采用往復(fù)線性摩擦試驗(yàn)方法，搭配自制摩擦試驗(yàn)夾具，模擬織造過程中氧化鋁纖維束作為經(jīng)紗與筘齒的摩擦磨損行為，研究了加載力、預(yù)加張力和摩擦頻率對懸空氧化鋁纖維束摩擦磨損性能的影響，并在本試驗(yàn)測試條件范圍內(nèi)得到以下結(jié)論。

(1)氧化鋁纖維束所受摩擦力及長絲斷裂根數(shù)隨加載力的增加而增大；摩擦系數(shù)隨加載力的增加而減小。

(2)在預(yù)加張力為0.40 N時，氧化鋁纖維束所受摩擦力和摩擦系數(shù)出現(xiàn)了最小值，磨損程度也最小。

(3)在摩擦的穩(wěn)定階段，摩擦頻率增加，氧化鋁纖維束所受摩擦力先下降，后略有上升；當(dāng)摩擦頻率從1 Hz增加至5 Hz時，氧化鋁纖維束的摩擦系數(shù)增加了18.7%；當(dāng)摩擦頻率為5 Hz時，氧化鋁纖維束損傷程度最為嚴(yán)重。