纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料研究进展

周濛濛， 蒋高明， 高 哲， 郑培晓

(江南大学 针织技术教育部工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

纬编衬经衬纬管状织物(WKBT织物)基于普通纬编管状织物进行设计而成，采用纬平针、罗纹等结构为绑缚系统，在特定方向衬入呈平行排列的单丝或复丝，形成无卷边、成形性良好的管状增强体[4-5]。这类管状增强体既具有纬编管状织物良好的延伸性，又增强了沿衬纱方向上的力学性能[6]，采用此类织物制备的管状复合材料具有优异的面内力学性能[7]和抗撕裂性能[8-9]。

纬编衬经衬纬管状织物作为一种新型的管状纺织增强体，具有其他纺织管状增强体无法取代的优势；但纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料生产效率低、成本高，限制了其在产业领域的应用，因此，通过纬编衬经衬纬管状织物的可控编织、成形工艺的优化从而提升纬编管状复合材料的力学性能对实际应用是非常重要的。本文从纬编衬经衬纬织物的结构特征出发，详细梳理了纬编衬经衬纬管状增强体的制备、纬编管状复合材料的力学性能研究进展，指出未来的研究思路和目标，以促进纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料的发展。

1 纬编衬经衬纬管状增强体的制备

1.1 纬编衬经衬纬织物的结构特点

纬编衬经衬纬织物是在纬编结构的绑缚系统中衬入平行顺直的取向纱线，实现对增强体强度和刚度的取向设计。根据取向纱线的分布，纬编衬经衬纬织物有以下几种典型结构：单向衬纬结构、双向衬经衬纬结构、多向衬经衬纬结构、衬经衬纬交织结构、衬经衬纬间隔结构、衬经衬纬立体成型结构、多层多向衬经衬纬立体成形结构等，部分结构如图1所示[10-11]。

图1 典型的纬编衬经衬纬结构Fig.1 Typical weft-knitted biaxial structure. (a)1+1 rib uniaxial structure; (b)Biaxial structure;(c)1+1 rib multiaxial structure; (d)Single jersey biaxial spacer structure

纬编织物中取向纱线的含量为90%以上[12]，通常选用线密度较大的高性能纤维，如高强度玻璃纤维、高强高模聚乙烯纤维、芳纶、碳纤维等。纤维平行顺直地衬入绑缚系统，均匀承担载荷，使纬编衬经衬纬织物具有优异的面内力学性能[13]。与机织物增强复合材料相比，平行顺直的高性能纤维的存在，使纬编衬经衬纬织物增强复合材料的力学性能提高了20%～30%[14-15]。绑缚系统将衬入纱线无损伤地捆绑在一起形成具有一定厚度的织物，通常选用断裂强度和剪切强度较高、线密度较小的纱线，如涤纶、锦纶等，若需增加增强体厚度方向上的性能也可采用玻璃纤维、芳纶等。由于绑缚系统采用纬编结构，织物具有极大的延伸性，使其具有在复杂形状要求下成形的能力。借助纬编织物独特的适形性，通过灵活配置取向增强纱线，可以制备具有整体性和可操作性的纬编衬经衬纬管状增强体，因此，综合考虑绑缚系统纱线和取向纱线的性能有助于分析纬编衬经衬纬织物的结构特点。在现有报道中，对纬编衬经衬纬织物的结构特点的分析大都基于纬编结构的适形性和沿取向增强纱线方向的力学性能，关于该类织物在厚度方向的性能报道并不多见。

1.2 纬编衬经衬纬管状织物的设计成形

采用纬编衬经衬纬织物制备管状增强体主要有2种成形方法：用横机或者圆纬机直接制备纬编衬经衬纬管状织物[16-17]；由横机制备的片状衬经衬纬织物在模具作用下变形为所需的管状材料[18-19]。

目前，横机编织的衬经衬纬管状织物较少，大都是片状的衬经衬纬织物。其中双向衬经衬纬织物有代表性的是德国德累斯顿工业大学的纬平针绑缚的双向多层衬经衬纬织物[20]、天津工业大学的1+1罗纹绑缚的双向多层衬经衬纬织物[21-22]、东华大学的双面平针绑缚的双向衬经衬纬间隔织物[23-24]和1+1罗纹绑缚的双向衬经衬纬交织织物[25-26]。纬编多向衬经衬纬织物的发展缓慢，德国德累斯顿工业大学、葡萄牙米尼奥大学、天津工业大学先后开发了实验样机。东华大学成功改造并设计了V型横机，实现了多向衬经衬纬织物的编织[27-28]。国内外诸多学者对横机编织的片状衬经衬纬织物的设计成形和结构特点展开了系列研究，但是目前关于横机上编织衬经衬纬管状织物的研究鲜有报道。

采用圆纬机制备净成形的纬编双向衬经衬纬管状织物，是目前最常用的方法，衬经纱和衬纬纱沿织物的轴向和周向均匀分布，增加了管状复合材料取向方向上的刚度和强度，可用于管状纺织增强体的开发。圆纬机具有多路、编织连续性强、生产效率高等特点，弥补了横机制备的纬编衬经衬纬织物生产效率低的缺点[17]。在国外，美国Collins Craft Composites公司于20世纪70年代在单针筒圆机上开发了以纬平针为绑缚系统的双向衬经衬纬织物，代号为COFAB织物。该织物含有1层衬经纱层和1层衬纬纱层，结构与传统的衬经衬纬织物组织相同，如图1(a)所示。但由于编织设备存在局限，难以实现多层衬纱[29]。目前未检索到更详细的公开资料。在国内，天津工业大学于2009年在双向衬经衬纬圆纬机上制备了纬编双向衬经衬纬管状织物[17]，以纬平针为绑缚系统，在编织过程中衬入经纱和纬纱，其结构示意图如图2(a)所示；江南大学在2015年申请了纬编双向衬经衬纬管状间隔织物的专利产品[30]，并于2019年成功开发了以1+1罗纹为绑缚系统的纬编双向衬经衬纬管状织物[31]，其结构示意图如图2(b)所示。相较于横机，圆纬机在编织纬编双向衬经衬纬管状织物方面具有一定的优势，但在设计及制备纬编多层衬经衬纬管状织物方面仍具有一定的挑战。

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图2 纬编双向衬经衬纬管状织物示意图Fig.2 Schematic diagram of weft-knitted biaxial noncrimp tubular fabric. (a)Weft-knitted biaxial noncrimp tubular fabric bound by single jersey; (b)Weft-knitted biaxial noncrimp tubular fabric bound by 1+1 rib

1.3 衬经衬纬圆纬机及其编织原理

在国外，衬经衬纬圆纬机的制备始于1973年，意大利Saturnia型衬经衬纬大筒径圆形针织机采用编织纱、衬经纱、衬纬纱3组纱线进行编织，衬经纱借助编织线圈衬入织物，衬纬纱单独衬入。制备成形的衬经衬纬管状织物通过剪割装置后由特制的卷布机构卷取[32]。近年来，国外文献对纬编衬经衬纬管状织物制备的报道较少。

在国内，衬经衬纬圆纬机的研究始于1973年，上海针织四厂制备了纬平针衬经衬纬圆纬机，采用衬经纱、衬纬纱、编织纱3组纱线进行制备，衬纬纱由织针针背后衬入，衬经纱经过分经和张力装置衬入纬编管状织物[33]。

东华大学与上海消防水带厂共同制备了衬经衬纬圆纬机，采用编织纱、衬经纱、衬纬纱3组纱线系统，在编织纱成圈过程中衬入经纱和纬纱，形成纬平针衬经衬纬管状织物，最后通过热定形装置和卷取装置[34]。

天津工业大学研制的纬平针衬经衬纬圆纬机[17]由线圈编织、经纱衬入、纬纱衬入等6部分组成，编织原理如图3(a)所示，编织过程中，针筒与经纱固定不动，针筒的2枚舌针之间放置1根经纱；三角座与捆绑纱喂入器同步转动，使舌针上的旧线圈依次退圈、编织纱垫入针钩形成新线圈，编织线圈沉降弧将衬入的经纱外侧挡住。纬纱导纱管随针盘三角的转动将纬纱垫入挺起的舌针针背，编织线圈圈柱将纬纱外侧挡住，形成纬平针双向衬经衬纬织物。

江南大学开发的罗纹衬经衬纬圆纬机相较于普通圆纬机在成圈机构、给纱机构等方面进行了研发，如图3(b)[31]所示。区别于以纬平针为绑缚系统的纬编双向衬经衬纬管状织物，罗纹双向衬经衬纬管状织物在成形过程中，上针盘、下针筒固定不动，随着针盘三角和针筒三角的转动，针盘针、针筒针相互配合完成绑缚系统的编织。经纱由针盘针背后垫入，被新线圈的反面线圈针编弧挡住，随着针盘三角和针筒三角的转动，纬纱分别垫入针盘针和针筒针的针口，衬在编织线圈的延展线上方，如图3(c)所示，形成相对稳定的纬编双向衬经衬纬管状织物。

图3 衬经衬纬圆纬机及其编织原理图Fig.3 Biaxial circular knitting machine and its knitting schematic diagram. (a)Knitting schematic diagram of weft-knitted biaxial noncrimp tubular fabric bound by single jersey; (b)1+1 rib biaxial circular knitting machine; (c)Knitting schematic diagram of biaxial noncrimp tubular fabric bound by 1+1 rib

上述圆纬机制备纬编衬经衬纬管状织物的方式具有相同的特点，采用3个纱线系统，在纬编管状织物中衬入1层衬经纱和1层衬纬纱。衬纱的角度在一定程度上影响纱线的精准衬入，但现有文献中对纱线衬入原理的描述较少。另外，随着衬纱数量的增加，衬纱角度的影响增加。鉴于上述技术难点，纬编多层衬经衬纬管状织物的研究及报道并不多见。

2 衬经衬纬管状复合材料力学性能

为了有效设计和利用纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料，深入研究其细观结构并预测其力学性能是非常重要的。树脂基纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料力学性能中最突出的特点是各向异性，即取向纱线的分层衬入，提高了管状复合材料衬纱方向上的强度、损伤容限和可靠性，但沿纤维方向和垂直纤维方向的力学性能存在差异[7]。由于纬编管状增强体是封闭的管状结构，所以纬编管状复合材料具有良好的整体性能和承载能力。目前对纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料的力学性能研究分为实验研究、细观几何模型研究和数值模拟研究。

2.1 力学实验

现有文献中对纬编衬纱织物增强复合材料圆管的力学性能测试主要为准静态轴向压缩，通过实验观察和数据分析，探索材料的损伤模式、破坏形式和吸能能力，以提升纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料的结构效率和可靠性。

Pamuk[35]用圆纬机制备了纬平针管状织物，通过树脂传递模塑成型(RTM)工艺制备环氧基未加捻碳纤维管状复合材料(UMC)、环氧基未加捻芳纶管状复合材料(UMK)和环氧基加捻芳纶管状复合材料(TK)，并对3种不同管状复合材料进行低速冲击和压缩实验，结果表明：UMK的抗冲击性能最优，UMC的抗压缩性能最优，这是因为纱线的类型和线密度影响复合材料中纤维的体积分数以及受力时纤维的屈曲形态。

Ramakrishna等[36-37]用横机制备了1+1罗纹衬纬织物，通过RTM工艺制备了环氧基碳纤维管状复合材料，采用准静态测试在轴向压缩载荷下环氧基碳纤维管状复合材料的载荷/位移响应及比能量吸收能力，结果表明,衬入纱线显著增强了管状复合材料的能量吸收性能。梁玉华[38]以玻璃纤维为原料，在横机上制备纬平针管状织物，通过对管状织物的力学性能研究发现，衬纬组织、间隔组织制备的管状复合材料力学性能优于纬平针组织制备的管状复合材料。

Boakye等[39]分别以锦纶、聚醚砜、棉为原料，在横机上制备了4×4、6×6、8×8罗纹组织的纬编管状增强结构，对其力学性能进行分析，并计算了负泊松比数值，为后续研究提供参考。还制备了另一组以芳纶为原料的纬编管状复合材料[40]，对其进行准静态压缩测试，结果表明：织物结构的改变在一定程度上影响管状复合材料的轴向性能。

力学性能测试是分析管状复合材料刚度和强度的最好的方式，虽然国内外学者对管状复合材料的力学性能测试进行了大量研究，但是目前对纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料力学性能的研究还存在一定的实验局限性，对其拉伸、弯曲、扭转等方面的性能测试还有待进一步加强。在实际应用中，纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料受力情况复杂，即同时承受多种载荷产生组合变形，如弯曲和扭转组合变形，拉伸(压缩)和弯曲组合变形等，故在此组合变形下测得的力学性能将更具有产业领域应用意义。

2.2 细观几何模型

纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料细观结构决定其宏观力学性能，且对其结构优化及设计具有重要作用。纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料精确的几何模型可以显著影响其力学性能的准确预测。

Omrani等[41]对纬编间隔管状复合材料进行内部静压和外部静压的力学测试，基于相关的数学方程，采用CATIA软件建立了循环交叉模型，通过采用多尺度分析方法，对材料的力学性能和失效机制进行分析。

纬编衬经衬纬片状复合材料内部具有周期性的单胞[42]，而纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料属于“异型”结构件，其内部结构由多个不同性质的细观单元耦合连接形成，呈非周期性状态。目前纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料的细观结构研究仍不成熟，导致难以分析并预测其在不同载荷条件下的力学响应。在今后纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料的研究中，为建立相对准确的管状构件的单胞模型，可采用细观结构的全尺寸模型[43-44]，以空间纱线交织结构为出发点展开研究，并利用所建模型进行单胞参数和性能的预测[45]。

2.3 数值模拟

在细观结构基础上，利用有限元分析法对纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料的力学性能进行数值模拟，来预测纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料的有效性能。

Omrani等[41,46]采用多尺度分度分析方法探究环氧基纬编间隔管状复合材料的力学性能，采用有限元分析法对连接层数为5和10的纬编间隔管状复合材料进行内部静压和外部静压分析。通过ABAQUS有限元分析软件研究内部静压和外部静压载荷期间复合材料的应力分布，结果表明，理论数值模拟与实验数值有较高的一致性，可用于预测管状复合材料的受力变形行为。

随着对纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料力学性能研究的不断深入，通过有限元软件建立细观或微观结构模型，研究纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料在受载荷时的应力分布、破坏行为及能量吸收，阐明其损伤失效机制[47]。纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料受载荷时产生复式的不规则破坏，对其进行有限元分析，需建立正确模型真实反映细观几何结构，以分析材料参数变化以及编织几何结构的改变对整体材料宏观性能的影响。

3 结束语

纬编衬经衬纬管状织物具有近净成形、结构可设计性强等特点，取向纱线的衬入为纬编管状织物在产业领域中的应用提供了重要途径。采用纬编衬经衬纬管状织物制备管状复合材料，避免了采用衬纬组织和间隔织物等片状增强体制备的管状复合材料边缘处存在应力集中现象，使得制备的管状复合材料具有相对更加持久的结构稳定性。通过对纬编衬经衬纬织物增强复合材料的成形性和力学性能的研究，将促进纬编管状复合材料的发展。

综上所述，纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料作为新型的管状复合材料，其未来研究存在以下3个方面的主要研究趋势。

1)结构设计成形。纬编衬经衬纬管状织物及其增强复合材料的研究处于起步阶段，通过纱线的选择设计符合特定要求的高性能管状增强体。纬编双向衬经衬纬管状织物增强复合材料是一种各向异性结构材料，使其在某些领域的应用受到限制。在纬编双向衬经衬纬管状织物的研究基础上，开发并制备各向同性的纬编多向多层衬经衬纬的三维管状针织物，从而整体提升纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料的面内力学性能及沿管壁厚度方向上的强度、损伤容限和可靠性。

2)力学作用机制。纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料的结构是其力学性能的关键指标，管状复合材料的纤维体积含量、管壁厚度对其力学性能有显著影响。由于纬编绑缚系统对纬编管状增强体在成形过程中的变形能力有很大的影响，因此传统的复合成形方式并不完全适用于该类复合材料的制备。基于现有文献中，对纬编衬经衬纬管状织物的复合方式研究较少，故研究适合纬编管状复合材料的成型方式，将有助于制备力学性能优异的纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料。封闭的纬编管状结构避免了片状材料自由边缘应力分布不均匀的问题，但纬编管状增强体的几何尺寸效应、衬入纱线的数量和角度对其应力应变及强度的影响还处于探索阶段，仍需要进行大量的理论和实验研究来揭示纬编管状复合材料的力学性能。

3)产业领域应用。随着纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料逐渐应用于产业领域，提高纬编管状复合材料的性能和实现其轻量化将成为研究的重点。基于纬编管状复合材料用途的复杂性，开发混杂纤维增强纬编管状复合材料，改善单一纤维增强体存在的性能局限，将有力推动其在产业领域的应用。通过实验数据分析及实践运用，促进纬编衬经衬纬管状织物增强复合材料的发展。