韩国科学技术院《CST》：三轴编织中纱线交织对其图案和拉伸性能的影响

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  纺织复合材料因其高强度和轻量化特性，在工业领域得到普遍应用，逐渐取代金属材料。编织作为一种高效的预成型技术，通过纱线交织形成具有高结构稳定性的预成型体，在汽车、航空航天等行业非常关注。但现有的编织模型往往忽略了轴向纱线和编织纱线之间的干扰，导致对编织图案和力学性能的预测存在偏差。

  二维编织结构是通过在二维平面上交织纱线形成的，分为双轴编织图案和三轴编织图案。双轴编织图案由两个编织方向的编织纱线组成，而三轴编织结构则是在双轴编织结构的基础上增加了轴向纱线。在双轴编织图案中，可以观察到三种图案，如图1(a)所示。这三种图案分别是：

  （1）Diamond菱形编织图案（1/1）：这种结构中，一根纱线交替地在另一根相反方向的编织纱线的上方和下方编织。

  （2）Regular规则编织图案（2/2）：这种图案与菱形图案类似，但每根编织纱线在另一根编织纱线的上方和下方各通过两次。

  （3）Hercules赫拉克勒斯编织图案（3/3）：这种图案与菱形图案类似，但每根编织纱线在另一根编织纱线的上方和下方各通过三次。

  三轴编织结构的编织纱线图案的命名法基于双轴编织图案的命名法。此外，三轴编织图案根据轴向纱线(b)所示。轴向纱线图案的命名法基于轴向纱线数量与单侧编织纱线数量的比率。三轴编织图案的拓扑结构在命名的末尾标明。

  在编织过程中，编织预成型件由多个制造参数决定。这些制造参数分为纱线所示。纱线参数与纱线材料有关，包括安装在编织机上的纱线厚度和宽度。而设计参数包括纱线数量、芯轴直径和编织角度，这些参数决定了编织预成型件的结构。

  三轴编织结构中，一根轴向纱线与两根编织纱线交织，从而形成纱线交织。根据纱线交织的方式，纱线交织可分为自由状态和锁定状态，如图2所示。在规则三轴编织图案中，纱线交织表现为自由状态，而在菱形三轴编织图案中，纱线交织表现为锁定状态。自由状态下，三根纱线排列在不同的层次上，如图2(a)所示。这种排列方式允许编织纱线和轴向纱线自由移动，因为三根纱线彼此不互锁。与自由状态相反，锁定状态下，三根纱线(b)所示。在这种状态下，当纱线彼此靠近时，会形成锁定区域，从而阻碍其他纱线的移动。锁定交织的发生由未覆盖三角形的高度决定，如图3所示。

  随着纱线彼此靠近，未覆盖三角形的高度h减小。当h减小到某个值时，纱线不能自由移动，从而被固定在一起。在这种情况下，未覆盖三角形的高度小于边界值（ε），该值表示受纱线几何形状影响的最小未覆盖三角形高度。尽管参数相同，纱线厚度的变化会导致ε的变化，从而引起图案的形成或弯曲。

  图2: 三轴编织预成型件的两种纱线交织类型: (a) 自由条件和自由区域; (b) 锁定条件和锁定区域。

  在编织菱形三轴编织图案（DTB-1）的过程中，锁定交织的发生决定了最终的结构。

  图4(a)展示了使用编织机进行四步三轴编织过程。编织纱线交织在芯轴上形成预成型件。在这种情况下，由于编织过程中纱线之间的距离较大，未发生锁定交织，从而形成基本图案。

  图4(b)描述了菱形三轴编织结构基本图案的编织过程。在步骤1中，纱线最初间隔较远，三轴编织结构在接近芯轴时保持不变。在步骤2中，纱线之间的未覆盖区域逐渐减小。在此阶段，充足的自由空间防止了锁定交织。步骤3显示编织纱线顺利移动到预期位置，从而形成周期性排列。在步骤4中，整个纱线在芯轴上交织，由于摩擦力，其位置被牢固固定，从而形成基本的三轴编织图案。由于纱线未紧密结合，轴向纱线的位置保持不固定，可以变化。当编织过程中发生锁定交织时，会形成变形图案。

  图4(c)展示了变形图案的编织过程。在步骤1中，在远离芯轴的区域，三轴编织结构的基本图案由于纱线之间的距离较大而保持不变。在步骤2中，新蓝色编织纱线接近已定位的蓝色编织纱线，直到发生锁定交织。因此，蓝色编织纱线与另一根蓝色编织纱线对齐，从而形成锁定区域。在步骤3中，由于锁定区域，紫色编织纱线无法移动到预期位置并被固定。与蓝色纱线相比，紫色纱线间距较大，因此导致不规则距离。在步骤4中，变形图案在芯轴上形成并通过摩擦力固定。在变形图案中，轴向纱线被两侧的锁定区域固定，防止移动。在菱形三轴编织图案的编织过程中，锁定交织的发生阻碍了纱线的移动，从而形成变形图案。

  图4: 三轴编织过程的顺序步骤: (a) 编织过程及每个步骤的位置; (b) 基本图案的编织步骤; (c) 变形图案的编织步骤。

  文章探讨了基本图案和变形图案中纱线的距离和覆盖因子，以及变形图案中轴向纱线的弯曲情况。在基本图案中，编织纱线和轴向纱线均匀分布，轴向纱线位于编织纱线菱形的中心。在变形图案中，编织纱线呈现不均匀排列，形成“近距离”和“设定距离”两种特征距离，覆盖因子也相应变化。通过计算得出，变形图案的覆盖因子低于基本图案。进一步分析了变形图案中轴向纱线的弯曲情况，提出了弯曲判别式，当弯曲判别式小于零时，轴向纱线发生弯曲。实验根据结果得出，变形图案的轴向纱线由于锁定交织而弯曲，导致其机械性能劣于基本图案。

  图5: DTB1平面几何模型。(a) 基本图案和编织纱线之间的距离; (b) 变形图案和编织纱线之间的距离: 近距离和设定距离。

  图6: 计算覆盖因子的DTB1平面几何模型的单元格。(a) 基本图案及其单元格; (b) 变形图案及其单元格。

  图7: 变形图案的轴向纱线位置及示意图，显示轴向纱线两侧锁定交织区域之间的距离推导。

  该研究使用了一台径向编织机器，配备了72个编织载体和36个轴向载体，如图8所示。制作的完整过程包括配置编织角度和芯轴直径以制造DTB-1预成型件，并在编织机上安装36个编织和18个轴向纱线, Toray, Japan）。在整个编织过程中，机器人手臂以恒定的收卷速度沿直路径拉动芯轴，该速度根据指定的目标编织角度和芯轴直径做调整。编织预成型件通过真空辅助树脂传递成型（VARTM）工艺制造，使用环氧树脂（KFR-120V, Kukdo Chemistry Co., South Korea）和固化剂（KFH-163, Kukdo Chemistry Co., Ltd., South Korea）按重量比10:7混合，浸渍后的预成型件在常压和80°C下在热压罐中固化4小时。

  为了估计编织预成型件的图案和覆盖因子，使用了背光和图像处理的2D扫描方法。编织预成型件中的阴影通常会导致传统投射光2D扫描技术产生不准确的结果。因此，在编织预成型件后面放置了一个额外的光源。由背光引起的白色像素代表未覆盖区域中纱线的缺失。在生成的扫描图像中，覆盖区域和未覆盖区域清晰地分开，如图9(a)所示。通过图像处理转换为二值图像，如图9(b)所示。对于二值图像方法，应用阈值以区分未覆盖区域和覆盖区域。这些区域显示出显著的颜色对比，从而使得在广泛的阈值范围内能够一致地测量覆盖因子。在二值图像中，覆盖区域和未覆盖区域分别由黑色和白色像素表示。

  图9: 用直径32 mm芯轴和45°编织角度创建的编织预成型件的平面图像; (a) 2D扫描图像; (b) 用于计算覆盖因子的二值图像。

  根据ASTMD3039标准，通过拉伸测试测量了三轴编织复合材料的拉伸性能，试样尺寸为130 mm × 25 mm。为避免滑动，试样两端采用玻璃纤维增强塑料进行加强，拉伸速度保持在2 mm/min，直到试样破坏。为了在不考虑纤维体积分数（FVF）影响的情况下比较每种图案的效果，通过烧蚀测试依据ASTM D 3171标准测量了每种三轴编织复合材料的纤维体积分数（FVF），试样尺寸为10 mm × 10 mm。烧蚀测试在430°C下进行6小时，在测试过程中引入氮气以燃烧树脂，同时保留碳纤维。

  该研究提出了一种基于纱线交织的菱形三轴编织图案（DTB-1）的预测模型，并分析了图案对机械性能的影响。通过结构分析和实验验证，得出以下结论：

  锁定交织的发生将DTB-1从基本图案转变为变形图案，覆盖因子和轴向纱线的弯曲情况能够最终靠覆盖因子方程和弯曲判别式预测。实验根据结果得出，变形图案的归一化拉伸模量至少比基本图案低5%，拉伸强度至少低10%。在30°和45°编织角度下，变形图案的拉伸强度下降超过20%；而在60°编织角度下，拉伸强度下降10%。高编织角度下，树脂富集区减少，变形图案的拉伸强度下降得到缓解。经过控制制造参数和利用三轴编织复合材料的设计，可以制造出所需的DTB-1。

  原标题：《韩国科学技术院《CST》：三轴编织中纱线交织对其图案和拉伸性能的影响》

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