氧化铝纤维束织造过程中摩擦磨损性能研究*

2021-08-03解锡明

产业用纺织品 2021年5期

解锡明吴宁王玉

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

纤维立体织物增强复合材料因具有更强的可设计性能和优异的整体力学性能，被广泛用作航天航空、汽车、能源等领域的承力结构件[1-3]。在纤维立体织物的织造过程中，多层纱线间会由于频繁地接触而极易引起纱线的损伤，这种损伤不仅会导致纱线力学性能的降低，还会造成织造过程的中断，甚至影响复合材料的整体力学性能[4-6]。因此，摩擦和磨损一直是纤维材料应用中不容忽视的问题。

早在20世纪三四十年代，国外学者就对纤维材料的摩擦和磨损行为进行了一系列研究[7-9]，并在此基础上，针对纱线织造过程中的摩擦磨损问题展开了大量的研究。

Lee等[10]研究表明，碳纤维三维编织立体织物中经纱的拉伸断裂强度最大值相比未织造前的减小了12%。Cornelissen等[11]采用绞盘法研究了碳纤维束与金属，以及碳纤维束之间的摩擦机理，结果表明，接触面的表面粗糙度是影响碳纤维束与金属间摩擦磨损行为的主要因素，而碳纤维束的相对运动方向是影响碳纤维束之间摩擦磨损行为的主要因素。Archer等[12]对比分析了立体织造过程中不同种类的碳纤维纱线的织造损伤程度，结果表明碳纤维纱线的拉伸断裂强度整体减小了9%～10%，且12K、6K和3K碳纤维纱线之间的拉伸强度偏差小于3%。Chakladar等[13]就碳纤维束的弯折角度对纤维束之间和纤维束内部长丝的摩擦机理的影响进行了探讨，并建立了数学模型，结果表明弯折角度对纤维摩擦损伤状况影响显著，且纤维束内部长丝的摩擦系数随着反复拉伸次数的增加而减小。Brown 等[14]用绞盘法测试了芳纶织物在低速、大载荷条件下的摩擦磨损性能，结果表明在一定的循环次数下，织物的磨损率和施加的载荷成正比。Marcicano等[15]基于纱线在圆形捻线机上的横向滑移，实现了纱线横向摩擦系数的测量，并通过约束纱线在旋转时靠近约束装置的高度，实现了横向摩擦角度的变换，该方法被证实测量纱线横向摩擦系数的准确度极高。

李锦元[16]研究了开口及打纬运动过程中经纱在综眼内的移动摩擦问题，提出降低梭口高度、加大其对称比和尽可能延迟开口时间等，都有利于减少经纱移动量。王鸿博[17]通过自制的纱线耐磨装置，分析了织造工艺参数对经纱耐磨性能的影响，发现速度、张力、梭口参数等与经纱的耐磨性能密切相关，实际生产过程中可通过优化织造工艺参数实现浆纱耐磨性能的提高。朱谱新等[18]分析了经纱的摩擦磨损机理及其影响因素，提出经纱主要因摩擦、切割和拔脱等作用而发生直接、间接磨损。直接磨损主要与接触面间的法向压力、速度和接触面积有关；间接磨损则取决于纤维自身的性质，实际生产中可通过正确的上浆或给油来改善纱线的耐磨性能。

虽然上述学者对纤维束在织造过程中的摩擦磨损行为进行了大量的研究，但是其研究的对象多为碳纤维、玻璃纤维和芳纶等，有关氧化铝纤维束的织造特性鲜有报道。因此，本研究自定义了一种往复线性摩擦试验方法，搭配自制的摩擦试验夹具，模拟织造过程中作为经纱的氧化铝纤维束与筘齿的摩擦磨损行为，探究加载力、预加张力和摩擦频率对悬空氧化铝纤维束摩擦磨损性能的影响。

1 试验部分

1.1 材料

氧化铝纤维束(三合股)，天津市中天俊达玻璃纤维制品有限公司生产，线密度为190.66 tex，拉伸强力为38.43 N。

筘齿，430不锈钢制成，表面粗糙度为0.26 μm，弹性模量为210 GPa。

1.2 设备

为模拟实际织造过程中经纱和筘齿间的摩擦磨损行为，设计了一种张力可控的纤维摩擦试验装置，即采用美国布鲁克·道尔顿有限公司制造的UMT-TriboLab摩擦磨损试验机，以及低速线性往复运动模块和电磁传感器，进行氧化铝纤维束-筘齿的往复线性摩擦试验。根据氧化铝纤维束的特点，采用3D打印技术制造出可安装于UMT-TriboLab摩擦磨损试验机上的上下夹具，实现氧化铝纤维束与筘齿的固定，以便模拟出实际织造过程中氧化铝纤维束与筘齿间的摩擦特性及磨损状况。试验时，先用螺钉将氧化铝纤维束的一端固定，另一端悬挂一定质量的重物以控制氧化铝纤维束的预加张力，静置30 s后固定丝束。下夹具固定在仪器底座上，上夹具连接电磁传感器，并在上夹具的中间位置镶嵌10 mm×2 mm的筘齿。上夹具通过筘齿对试样施加加载力。试样安装过程中需特别注意不要弯折或扭曲试样。图1即为往复线性摩擦试验模拟装置。

a) 整体照片

此外，采用日本Vixen公司生产的PC-230数码显微镜观察往复线性摩擦试验后氧化铝纤维束表面的毛羽。

1.3 试验参数的确定

试验过程中，上夹具固定不动，下夹具做往复运动，以模拟氧化铝纤维束与筘齿之间的往复线性摩擦。电磁传感器记录试验过程中氧化铝纤维束所受摩擦力(Ff)及摩擦系数(μ)的变化，探究与分析试验参数即加载力、预加张力和摩擦频率对悬空状态下氧化铝纤维束摩擦磨损性能的影响。

为模拟织造过程中纱线毛羽对纱线摩擦性能的影响，预先进行了一些探索性试验，结果显示在0.75～0.90 N的加载力作用下，纱线会出现断丝，故本试验确定加载力的范围在0.23～0.65 N。

通常，对于24K的氧化铝纤维束，上机张力在2.00～4.00 N，即每根长丝受力约为0.08～0.17 mN。本试验用试样为三合股，线密度为190.66 tex，故确定氧化铝纤维束预加张力范围为0.10～0.70 N。

在实际织造过程中，织机筘齿往返频率为3～5 Hz，故本试验确定摩擦频率为1、3和5 Hz。

表1对往复线性摩擦试验的具体条件参数进行了归纳。

表1 往复线性摩擦试验的具体条件参数

2 结果与分析

2.1 加载力对摩擦磨损性能的影响

在预加张力为0.40 N和摩擦频率为3 Hz的条件下，分别设定加载力为0.23、0.40和0.65 N进行往复线性摩擦试验，所得加载力对氧化铝纤维束所受摩擦力和摩擦系数的影响曲线分别如图2和图3所示，横坐标为试验时间(T)。

图2 加载力对氧化铝纤维束所受摩擦力的影响

图3 加载力对氧化铝纤维束摩擦系数的影响

由图2可知，氧化铝纤维束所受摩擦力随加载力的增加而增大。这是因为加载力的增大会造成筘齿与氧化铝纤维束实际接触面积增大，进而使筘齿与氧化铝纤维束之间的黏附力增加，故而摩擦力增大。此外，加载力的增大还会造成氧化铝纤维束中断裂纤维数量增加，而断裂的纤维在摩擦过程中易发生相互缠结，形成毛羽。毛羽量越多，则氧化铝纤维束的磨损程度越大，氧化铝纤维束结构受到的影响就越大。

由图3可知：摩擦系数随着测试时间的延长，均先急剧增加，达到峰值后逐渐下降，并最终趋于平稳；达到平稳状态的摩擦系数值随加载力的增加而减小，摩擦系数值在0.19～0.21范围内。

图4为加载力对摩擦磨损性能影响测试结束后，所得氧化铝纤维束的表面形貌照片。

a) 0.23 N

从图4可以看出：当加载力为0.23 N时，氧化铝纤维束中仅有少量的长丝发生断裂；随着加载力的增大，氧化铝纤维束中断裂的长丝根数增加，毛羽量增加。这主要是由于加载力的增大导致了氧化铝纤维束所受摩擦力的增大，进而导致了纤维束中的长丝在循环应力的作用下发生疲劳断裂。此外，磨损的累积作用已导致长丝抵抗断裂的能力随循环应力次数的增加而减小，加载力的增大又加剧了磨损的累积作用。

2.2 预加张力对摩擦磨损性能的影响

在加载力为0.40 N和摩擦频率为3 Hz的条件下，分别设定预加张力为0.10、0.40和0.70 N进行往复线性摩擦试验，所得预加张力对氧化铝纤维束所受摩擦力和摩擦系数的影响曲线如图5和图6所示，横坐标为试验时间。

图5 预加张力对氧化铝纤维束所受摩擦力的影响

图6 预加张力对氧化铝纤维束摩擦系数的影响

由图5和图6可知：氧化铝纤维束所受摩擦力和摩擦系数均随着时间的推移而逐渐趋于稳定；在预加张力为0.40 N时，氧化铝纤维束所受摩擦力和摩擦系数均较小。

图7为预加张力对摩擦磨损性能影响测试结束后，所得氧化铝纤维束的表面形貌照片。

a) 0.10 N b) 0.40 N c) 0.70 N图7 预加张力对氧化铝纤维束表面形貌的影响

由图7可以看出：当预加张力为0.40 N时，氧化铝纤维束的毛羽量最少。预加张力越大，氧化铝纤维束及其内部长丝伸直平行度越高，摩擦过程中筘齿的往复运动对纤维束造成的剪切损伤也越大；当预加张力较小时，筘齿运动到两端调转方向时会造成氧化铝纤维束的急弹性形变越大，剪切损伤也就越大；只有当预加张力适中时，氧化铝纤维束的伸直平行度及筘齿调转方向时引起的急弹性形变均适中，此时的氧化铝纤维束的毛羽量最少。

2.3 摩擦频率对摩擦磨损性能的影响

在加载力为0.40 N和预加张力为0.40 N的条件下，分别设定摩擦频率为1、3和5 Hz进行往复线性摩擦试验，所得摩擦频率对氧化铝纤维束所受摩擦力和摩擦系数的影响曲线如图8和图9所示，横坐标为试验时间。

图8 摩擦频率对氧化铝纤维束所受摩擦力的影响

图9 摩擦频率对氧化铝纤维束摩擦系数的影响

由图8可知：在摩擦的初始阶段，所受摩擦力都突然升高，达至峰值后逐渐下降并趋于稳定。在摩擦的稳定阶段(即试验时间在10～80 s时)，摩擦频率为1 Hz时的氧化铝纤维束所受摩擦力最大，3 Hz时最小，5 Hz时居中。

根据式(1)可计算出图9中当摩擦频率从1 Hz增加至5 Hz时，摩擦系数的增长率G：

(1)

式中：C1(T)——摩擦频率为1 Hz时摩擦系数与试验时间的函数；

C2(T)——摩擦频率为5 Hz时摩擦系数与试验时间的函数。

经计算得出：当摩擦频率从1 Hz增加至5 Hz时，氧化铝纤维束的摩擦系数增加了18.7%。摩擦频率越高，单位时间内受到的摩擦次数越多，纤维束损伤就越大，表面粗糙度就越高。

图10为摩擦频率对摩擦磨损性能影响测试结束后，所得氧化铝纤维束的表面形貌照片。

a) 1 Hz b) 3 Hz c) 5 Hz图10 摩擦频率对氧化铝纤维束表面形貌的影响

由图10可以看出：摩擦频率为5 Hz时，氧化铝纤维束的损伤非常严重。这主要是因为摩擦频率的增加使得氧化铝纤维束拉伸、屈曲的周期变短，纤维所承受的张力增加，筘齿对纤维束的摩擦作用增强，且纤维束在承受一次拉伸、屈曲或其他作用后，纤维束及其内部纤维不能得到及时回复，易产生疲劳和塑性形变累积，使得纤维因承受高度集中的应力作用而断裂, 氧化铝纤维束的磨损程度增大。