纺织学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (08): 76-83.doi: 10.13475/j.fzxb.20201100108

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基于一元二次函数的层联机织预制体细观结构表征

任丽冰1,2, 陈利1,2(), 焦伟1,2   

  1. 1.天津工业大学 纺织科学与工程学院, 天津 300387
    2.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室, 天津 300387
  • 收稿日期:2020-11-02 修回日期:2021-03-12 出版日期:2021-08-15 发布日期:2021-08-24
  • 通讯作者: 陈利
  • 作者简介:任丽冰(1994—),女,硕士生。主要研究方向为立体机织复合材料。
  • 基金资助:
    山西省科技重大专项资助项目(20181102022);天津市科技重大专项与工程项目(18ZXJMTG00190);天津市高等学校创新团队培养计划项目(TD13-5043)

Microstructure characterization of multi-layer interlocked woven preforms based on quadratic functions

REN Libing1,2, CHEN Li1,2(), JIAO Wei1,2   

  1. 1. School of Textile Science and Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China
    2. Key Laboratory of Advanced Textile Composites Materials, Ministry of Education, Tiangong University, Tianjin 300387, China
  • Received:2020-11-02 Revised:2021-03-12 Published:2021-08-15 Online:2021-08-24
  • Contact: CHEN Li

摘要:

织物预制体结构参数之间的相互关系是高性能复合材料设计需要解决的关键问题。为建立层联机织预制体的细观几何关系,通过显微观察和结构分析提出基于一元二次函数的抛物线凸透镜形纬纱横截面、抛物线形经纱路径等假设,通过研究典型的多层平纹层间联锁结构层联机织预制体,建立预制体全厚度单胞模型,推导其细观结构参数的几何表达,获得纱线横截面变异系数、预制体厚度和纤维体积含量的计算方法,从而实现预制体结构的细观设计。通过实测值和理论预测值的对比,验证了该细观模型的有效性和合理性,并确定了层联机织平纹预制体的纱线填充因子取值区间为0.73~0.87。

关键词: 层联机织预制体, 细观结构, 结构参数, 厚度, 纤维体积含量, 复合材料

Abstract:

The relationship between the structural parameters of textile preforms is a key factor to the design of high-performance composite materials. In order to establish the microstructural relationship of the multi-layer interlocked woven preform, the assumptions that the weft cross section is a parabolic biconvex lens and the warp path is a parabolic wave based on the quadratic function were proposed through microscopic observation and structural analysis. The multi-layer interlocked woven preform with the typical layer-to-layer interlocked plain woven structure was studied and a through-thickness cell model was established. Then the relationship between the microstructure parameters was obtained, and the variation coefficient of the yarn cross-section, preform thickness and fiber volume fraction were able to be calculated. Then the microstructure of preforms was designed through above analysis and calculation. The validity and rationality of the microstructural model were verified through the comparison between the experimental data and the theoretical results. The yarn packing factor of the multi-layer interlocked woven preform was confirmed in the range of 0.73 to 0.87.

Key words: multi-layer interlocked woven preform, microstructure, structure parameter, thickness, fiber volume fraction, composite material

中图分类号: 

  • TB332

图1

层联机织预制体示意图"

图2

层联机织预制体结构示意图"

图3

层联机织预制体中纱线交织形貌"

图4

层联机织预制体中纱线截面形状"

图5

经纱横截面形状"

图6

层联机织预制体内部纬纱横截面形状"

图7

层联机织预制体表层纬纱横截面形状"

图8

层联机织预制体结构几何模型"

图9

层联机织预制体全厚度单胞模型"

表1

层联机织预制体结构参数"

预制体编号 经纱线密
度/tex
纬纱线密
度/tex
纱线体积密度/
(g·cm-3)
经密/
(根·cm-1)
纬密/
(根·cm-1)
经纱
层数
纬纱
层数
J8W2.50 890 890 1.79 8 2.50 10 11
J8W3.00 890 890 1.79 8 3.00 10 11
J8W3.15 890 890 1.79 8 3.15 9 10

图10

层联机织预制体内部纱线横截面尺寸测量过程"

表2

层联机织预制体纱线填充因子"

预制体编号 S1/mm2 S2/mm2 S3/mm2 S/mm2 ε1 ε2 ε3
J8W2.50 0.660 7 0.667 1 0.666 1 0.497 2 0.750 0.745 0.746
J8W3.00 0.587 1 0.585 2 0.583 4 0.497 2 0.847 0.850 0.852
J8W3.15 0.603 7 0.602 5 0.602 8 0.497 2 0.824 0.825 0.825

表3

经纱横截面的厚度和变异系数"

预制体
编号
横截面厚度W/mm 横截面变异系数μ/mm
实测值 理论值 文献[6]值 实测值 理论值 文献[6]值
J8W2.50 0.525 0.530 0.442 2.383 2.361 2.828
J8W3.00 0.473 0.468 0.442 2.647 2.678 2.828
J8W3.15 0.473 0.482 0.442 2.646 2.595 2.828

表4

内部纬纱横截面的厚度和变异系数"

预制体
编号
横截面厚度
D/mm
横截面变异
系数λ/mm
实测值 理论值 文献[6]值 实测值 理论值 文献[6]值
J8W2.50 0.537 0.529 0.533 3.634 3.559 2.857
J8W3.00 0.565 0.545 0.545 2.930 2.954 2.727
J8W3.15 0.580 0.575 0.542 2.763 2.736 2.691

表5

表层纬纱横截面的厚度和变异系数"

预制体
编号
横截面厚度
d/mm
横截面变异
系数τ/mm
实测值 理论值 文献[6]值 实测值 理论值 文献[6]值
J8W2.50 0.220 0.226 0.533 13.756 13.306 2.857
J8W3.00 0.229 0.236 0.545 11.567 10.752 2.727
J8W3.15 0.242 0.250 0.542 10.320 9.972 2.691

表6

层联机织预制体的厚度和纤维体积含量"

预制体
编号
厚度 纤维体积含量
实测值/mm 理论值/mm 相对
误差/%
文献
[6]值/mm
文献[6]相
对误差/%
实测值/% 理论值/% 相对
误差/%
文献
[6]值/%
文献[6]相
对误差/%
J8W2.50 11.628 11.574 -0.46 11.164 -3.99 51.52 51.56 0.08 53.38 3.62
J8W3.00 10.978 10.989 0.10 11.295 2.89 58.31 58.36 0.07 58.28 -0.05
J8W3.15 10.522 10.401 -1.15 10.281 -2.29 58.01 57.47 -0.93 58.82 1.39

表7

不同填充因子下的层联机织预制体厚度和纤维体积含量"

预制体编号 经纬纱填
充因子ε
厚度 纤维体积含量
理论值/mm 实测值/mm 误差/% 理论值/% 实测值/% 误差/%
J8W2.50 0.700 12.431 11.628 6.91 48.67 51.52 -5.54
0.725 11.988 3.10 50.09 -2.77
0.750 11.575 -0.46 51.53 0.03
0.775 11.190 -3.77 52.98 2.83
0.800 10.831 -6.85 54.42 5.64
0.825 10.490 -9.79 55.90 8.50
0.850 10.174 -12.50 57.36 11.33
0.875 9.874 -15.08 58.83 14.19
0.900 9.595 -17.48 60.29 17.02
J8W3.00 0.700 13.482 10.978 22.81 50.02 58.31 -14.22
0.725 12.989 18.32 51.38 -11.88
0.750 12.532 14.16 52.75 -9.53
0.775 12.107 10.28 54.13 -7.17
0.800 11.710 6.67 55.51 -4.80
0.825 11.339 3.29 56.90 -2.42
0.850 10.991 0.12 58.30 -0.02
0.875 10.664 -2.86 59.70 2.38
0.900 10.357 -5.66 61.10 4.79

图11

纱线填充因子和纤维体积含量随纱线经纬密的变化"

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