利巴公司的Copcentra MAX 3 CNC型机器的所有功能均为电脑控制;织针机件以外的所有运动均由伺服电机驱动;织物的各种变化,尤其是铺层角度的调整,均由中央电脑控制。在铺纬方式方面,两公司的机器略有不同。利巴机器的铺纬是由铺纬滑轨运动、传输链运动、铺纬小车运动三者的合成,如图2所示,只需改变三者的速度就能比较方便地改变铺纬角度。而卡尔迈耶机器是通过传输链运动和铺纬小车运动的合成来形成所需的角度,在角度变换时还需对导轨进行机械操作,比较费时。此外,利巴机器每一纱层的运动完全可以通过程序设计在-20°到+20°之间变化,这与卡尔迈耶的-45°到+45°相比有所改进,机器的标准传送架可以生产两个45°衬纬和一个90°衬纬,也可按需要进行长度延伸,延伸后的传送架最多可衬入7层衬纬纱,1层衬经纱,1层纤维网。同时,利巴机器还采用了其独特的移动复合针系统(图3),使得复合针除了在垂直上下运动外,还在水平方向(即织物喂入方向)运动,从而减少了编织过程中织针的负荷;减少了织针与纱线的摩擦;减少了穿刺造成孔洞的可能性,在很大程度上提高了织物的生产效率,改善了织物的质量。据报道,利巴公司已成功推出了用于碳纤维生产的Copcentra MAX 5 CNC Carbon机型。由于碳纤维在织造过程中易产生具有导电性的碳粉,会导致机器及生产环境中的带电设备爆炸等危险情况发生,因此该类多轴向经编机带有特殊的密封装置,其造价达到2800多万人民币,是普通多轴向经编机的三倍。在生产过程中,碳纤维增强纱线的铺纬角度可以在-45°、90°、+45°、0°等角度之间变化,铺纬层数和原料规格也可以自由选择,织物品种较丰富。 多轴向经编机的生产技术在国内起步较晚,1996年由天津纺织工学院与武进纺织机械厂协作,研制成功国内第一台圆型多轴向经编机,类似于卡尔迈耶的RS2DS型经编机,由于速度太低,未能得到推广。2008年,我国常州润源经编机械有限公司成功研发了第一台国产智能化控制的“RCD-1型多轴向经编机”,该设备集电脑控制的多轴向铺纬技术、多杆式可移动(织针坯布随动)成圈技术、织物恒张力收卷技术、多速电子送经技术等技术于一体,最高机速可达1000r/min,其铺纬方式与利巴机器相似,铺纬角度变化范围为-20°到+20°,已接近国外先进铺纬水平[4]。它的诞生极大地推动了我国对多轴向生产设备的研发,同时也为多轴向经编织物的生产和研究提供了先进的手段。然而,鉴于我国基础工业相对落后,机械加工能力普遍不高,仍需大量进口国外先进的经编设备,到目前为止,我国已先后引进德国卡尔迈耶公司、利巴公司100多台多轴向经编机。其中浙江和江苏拥有的数量占到总数的2/3以上。此外,河北、山东、重庆、北京等地也拥有少量的多轴向经编机。
2 多轴向经编织物结构及其应用
2.1 多轴向经编织物结构
多轴向经编(Multi-axial Warp-Knitted,简称为MWK)织物是可以在0o、90o和θ方向(θ在-20º~+20º之间变化)衬入衬经、衬纬和轴向增强纱线,最多可达8层(7层纬纱,1层经纱),再加纤网[5],然后通过经编组织(编链、经平、编链+经平)将多层纱线绑缚在一起而形成的一种多层织物。图4为一种典型的四轴向经编织物结构图,从图中可以看出,四组衬纱的衬入次序和方向依次为:90°/0°/-30°/+30°,绑缚组织采用经平组织。
在多轴向经编织物的形成过程中,用于编织的纱线在成圈机构的作用下,穿过整个织物,在厚度方向将所有预先铺设好的承载纱精确地束缚在一起,如图5所示。织物纵向、横向、斜向的稳定性和强度可分别由衬经纱、衬纬纱和在-20°到+20°之间可变角度的轴向纱提供。
2.2 多轴向经编织物应用
由于增强纱线在多轴向经编织物中是以一定角度平行、伸直、无卷曲地衬入,而不像机织物中经纬纱相互交织而呈波浪状,从而能够充分发挥增强纱线的力学性能。实践证明,多轴向经编织物特有的结构特点赋予其诸多优势,如织物的抗拉强力高、弹性模量高、悬垂性好、可设计性强、抗撕裂性能好、原料的适应性好、生产成本低、生产效率高等。近年来,多轴向经编织物常作为复合材料的增强材料,广泛应用于风力发电、航空航天、船艇制造、建筑工程等许多领域。
2.2.1风力发电
多轴向经编增强材料因其独特的性能越来越多地被用于制造风力发电叶片,如图6。通常,在叶片蒙皮设计时,可根据受力的不同来选择织物结构(单轴向、双轴向、多轴向)。多轴向织物主要是用在叶片根部,利用40多层织物的合理铺设来承受由扭矩产生的剪切力。在卡尔迈耶机号为9F(针/25mm)的Multiaxial型机器上生产的一种三轴向织物,衬纱均采用3000dtex玻璃纤维纱,衬入顺序为+45o/-45o/0o,成圈纱采用76dtex/24f的高强涤纶纱,并通过经平组织将它们绑缚起来。随后可将该织物与新型的复合成型工艺,如RTM、VARTM等工艺结合起来制成高性能多轴向经编复合材料用于风力发电叶片的生产。目前,风力发电叶片正朝着大型化、轻量化、高性能、低成本方向发展,世界上发达国家制造的叶片长度已达到60多米,加长型的风力发电叶片需要高强、高模、轻质型的材料,而多轴向经编织物正是迎合了这一需求,且能完全符合大型叶片对蒙皮材料的各项性能要求,因此具有很大的发展前景。
2.2.2 航空航天
航空航天工业是纤维增强复合材料最新进入的领域,也一直是多轴向经编织物重要的应用领域。早在1992年,碳纤维多轴向经编增强材料就已成功运用于空客A320上,与以往使用的金属材料相比较,使用这种纤维复合材料能使机身重量减轻约20%。另外,利用该增强复合材料还可以将具有不同形状的构件组合在一起,预制成有限的几个外形复杂的组合构件,在空客A320上,只需要组装96个这样的组合构件,而同样的铝制结构则需要2072个。