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The Applications and Development of Knitting Structural Composites
江南大学经编技术教育部工程研究中心 针织结构复合材料的应用与发展 The Applications and Development of Knitting Structural Composites 马丕波 博士/副教授
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1.纺织结构复合材料分类 主要内容 2.针织结构复合材料应用情况 3.针织结构复合材料的特点与性能 4.针织结构复合材料的发展趋势
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1.纺织结构复合材料分类
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1.纺织结构复合材料分类 1.1 织物组织概念 机织物是在织机上由经纬纱按一定的规律交织而成的织物，又称梭织物
针织物是由线圈相互串套连接而成的，根据编织方法不同可以分为纬编针织物和经编针织物两大类 机织物 经编针织物 纬编针织物 编织物是在织机上由纱线透过对角线交叉排列组合而成或以棒针钩编相结而成的织物
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1.纺织结构复合材料分类 1.2 织物分类 二维 三维 机织 编织 针织 机织 编织 针织
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1.纺织结构复合材料分类 1.3 机织结构复合材料 机织结构复合材料 机织物中经纬向有较大的稳定性，且具有较大的平面覆盖系数。机织物具有
良好的结构可设计性，织物可以是窄幅、宽幅、单层、多层和立体的。 机织物各向异性明显，抗平面剪切性差，开口边较难处置，由于经纬纱屈曲 纱线在织物中的强力利用系数较低，复合材料在受外力时初始模量小，影响 形态稳定性和抗剥离强度。
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1.纺织结构复合材料分类 1.4 针织结构复合材料 针织结构复合材料 生产效率高 力学性能好 易于制作复杂形状
针织物特别适宜做形状复杂与高能量吸收复合材料的增强结构，可通过衬 垫纱制成结构稳定性最高的结构材料。针织物可形成不同大小网格。 尤其是经编织物较纬编有较大的幅宽，生产效率高，电子全成型压脚针织可 形成特殊形状的织物。 针织物平面覆盖系数较低，织物刚度较小。 生产效率高 力学性能好 易于制作复杂形状
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1.纺织结构复合材料分类 1.5 编织结构复合材料 编织结构复合材料 编织物可由相互缠绕纱线提供织物的稳定性，所有编织物可在编织纱线的
基础上作衬垫或填充，从而得到沿织物长度方向的结构稳定性，可直接 形成多向增强的立体结构。 编织物在轴向压缩后稳定性大幅度减低，同时大尺寸编织物织造困难， 编织效率低。
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1.纺织结构复合材料分类 1.6针织结构复合材料分类 针织结构复合材料 多轴向 复合材料 网眼结构 复合材料 间隔织物 复合材料 全成型针织
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2.针织结构复合材料应用情况
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2. 针织结构复合材料应用情况 针织结构用于复合材料增强，始于20世纪90年代，它的线圈结构受 负荷时能产生较大变形，可制成复杂形状构件。
针织物线圈的严重弯曲，虽提高了织物整体可变形性，但织物的刚度 和强度受到影响。此外，加工时由于纱线受到损伤，降低了复合材料 的力学性能。因此针织结构复合材料应用缓慢。 衬经+衬纬 直到经编多轴向为代表的针织结构以其优异的力 学性能和较低的生产成本在航天航空与风能发电 等领域得到广泛应用。针织结构复合材料才开始 重视起来。
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3.针织结构复合材料特点与性能
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3. 针织结构复合材料特点与性能 3.1 经编技术概念 轴向织物是由带有纬纱衬入系统的织机生产的一类独特的织物。在织物的纵向和横向以及斜向都可以衬入纱线，并且这些纱线能够按照要求平行伸直地衬在需要的方向上。因此这类织物亦称为取向结构。 经编多轴向 纬编双轴向
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比如卡尔迈耶的Malimo Multiaxial型多轴向经编机最高机速可达1400r/min，相应产量可达240m/h。
3. 针织结构复合材料特点与性能 3.2 多轴向经编织物特点 1-需求量大、生产效率高、生产成本低 比如卡尔迈耶的Malimo Multiaxial型多轴向经编机最高机速可达1400r/min，相应产量可达240m/h。 2-原料适应性好 3-力学性能优异
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由于经编多轴向织物纤维平行且伸直排列，所以纤维强度与刚度在复合材料中可以充分发挥。
3. 针织结构复合材料特点与性能 3.3多轴向经编复合材料结构特点 （1）较好力学性能 由于经编多轴向织物纤维平行且伸直排列，所以纤维强度与刚度在复合材料中可以充分发挥。 机织物的经纬纱线呈波浪形，其力学性能贡献只有50%左右。如在平纹布中碳纤维拉伸强度仅为1100N/mm2，而同样材料在双轴向经编织物中拉伸强度为2200N/mm2。
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.3多轴向经编复合材料结构特点
（2）降低应力集中，提高材料性能 在普通机织复合材料中，当材料受拉伸载荷时，其应力转移有一个过程，由于树脂模量低，纤维处于不断伸长过程中，应力载荷也逐步加到纤维上，纤维在伸长过程中破坏，树脂与纱线受到剪切应力，在纤维还未断裂时，反复的剪应力作用也使复合材料界面被破坏，导致复合材料强度损失。
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应用轻质高强的多轴向经编复合材料能使飞行器的重量降低20%～25%，从而节约燃料，增加有效载荷。
3.针织结构复合材料特点与性能 3.4 多轴向经编复合材料应用 航空航天 航空航天是最早应用经编复合材料的领域。20世纪80年代，美国Owens Corning（欧文斯康宁）公司、Hexcel公司和Milliken公司开发了该产品在航空航天领域的应用，NASA对Hexcel公司和Milliken公司的产品进行了鉴定，证明经编复合材料是适合于航空航天领域使用的高性能、高可靠性材料。 应用轻质高强的多轴向经编复合材料能使飞行器的重量降低20%～25%，从而节约燃料，增加有效载荷。
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碳纤维复合材料与钢材相比其质量减轻75%，而强度却提高4倍。在诸多高性能纤维复合材料中，碳纤维复合材料在航空航天领域中用得最为成熟。
3.针织结构复合材料特点与性能 3.4 多轴向经编复合材料应用 航空航天 碳纤维复合材料与钢材相比其质量减轻75%，而强度却提高4倍。在诸多高性能纤维复合材料中，碳纤维复合材料在航空航天领域中用得最为成熟。 多轴向织物主要是航空器预成型复合材料部件、夹芯结构件的增强材料。应用部位：舱门、翼梁、减速板、尾翼结构、油箱、副油箱、舱内壁板、地板、直升机螺旋桨、高压气体容器、天线罩、鼻锥、起落架门、整流板、座位、通道板。
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.4 多轴向经编复合材料应用 车船制造 经编复合材料可用于制造车 辆壳体、发动机引擎盖、保
险杠等，还可以在高铁无砟 轨道上用作充填式垫板，地 铁中作为第三轨保护罩、电 缆支架、逃生平台等。
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.4 多轴向经编复合材料应用 车船制造
经编复合材料稳固性好，轻质高强，可用来制造船艇的船身、舱壁、甲板、上部结构、桅杆、船帆等，造船业是目前经编复合材料应用很大的市场。
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.4 多轴向经编复合材料应用 建筑工程
经编复合材料越来越多地用在增强混凝土上，用于重建和修复建筑物。德国德累斯顿（Dresden）工业大学提出了一个新的观念，旨在使混凝土立柱在修复后承载能力能够得到提高。其方法是在混凝土立柱的整个长度方向上包覆一层多轴向经编增强结构来增固混凝土，这样可以恢复其稳定性，还能够抗扭转应力和弯曲应力。 建筑工程
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.4 多轴向经编复合材料应用 柔性复合材料
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.5网眼结构复合材料特点
网眼织物孔率大，密度小，结构稳定。常用作树脂砂轮增强复合材料，土工格栅，建筑外墙保温材料等。
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.5网眼结构复合材料特点 对于硅胶基与橡胶基等高粘度基体柔性复合材料制备有特殊优势。
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.6间隔复合材料结构特点
（1）能量吸收性能好 间隔结构复合材料的芯柱有分布载荷与提供良好抗剪切作用；同时与传统蜂窝、泡沫等夹层结构材料相比，不存在面/芯剥离现象；间隔结构复合材料受力时是一个渐变失效过程，可以较长时间保持结构的整体性。
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.6间隔复合材料结构特点
间隔结构复合材料的芯柱有分布载荷与提供良好抗剪切作用；同时与传统蜂窝、泡沫等夹层结构材料相比，不存在面/芯剥离现象；间隔结构复合材料受力时是一个渐变失效过程，可以较长时间保持结构的整体性。 中空结构 隔音 保暖 轻质高强
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.7间隔织物复合材料应用 建筑工程
在混凝土中使用的经编间隔织物。此种间隔织物材料的两面有双轴向覆盖加固面，由AR玻璃纤维束加工制成，随后在其两面涂覆一层4mm厚的混凝土薄层。这种材料用作中间层在生产内建筑材料PUR泡沫三明治结构墙板中使用。
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.7 间隔织物复合材料应用 交通运输 采用间隔织物复合材料具有重量轻，弯曲和压缩强度好特点。
在游艇建造中，比传统夹层材料有节省重量，快速加工与不需防腐等优点
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.7间隔织物复合材料应用 交通工程 吸音+声屏障
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.7 间隔织物复合材料应用 功能性复合材料
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.8管状复合材料结构特点 （1）能量吸收性能好 与缠绕法管状复合材料相比，具有更高的能量吸收性能。
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2.针织结构复合材料特点与性能 3.8管状复合材料结构特点
（2）力学性能性能好 与缠绕法相比具有低耗高效特点：首先节省增强织物的线材消耗； 其次生产效率高；然后与基体的粘合力强。 管状用于各种异型管道的增强材料，可以避免管道弯曲时周围骨架层受力不匀而影响使用质量，又可提高材料的抗爆破张力。
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.9 管状复合材料应用 建筑业
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.9 管状复合材料应用 汽车工业 复合材料结构作为防撞结构的能量吸收元件， 已经逐步得到工程领域的广泛认同
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.9 管状复合材料应用 多通连接管 整体成型多通连接管
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.9 管状复合材料应用 交通建设 桥梁由23条碳和玻璃纤维织物的拱形结构（直径12英寸的管子）组成。
来源：美国耗资60万用玻璃纤维织物建造出未来桥梁
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.10 其他异型针织结构复合材料应用 飞机发动机部件 管状接头 飞机座椅扶手
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3.针织结构复合材料特点与性能 3.10 其他异型针织结构复合材料应用 假肢 直升机组成部件 T型接头
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4.针织结构复合材料的发展趋势 4.1-针织结构复合材料应用范围将不断扩大
随着针织技术的发展，针织工艺与设备的改进提高，使针织物具有良好的可设计性与优异的结构力学性能，以针织物作为增强材料将会继续得到快速增长。 针织结构复合材料凭其高效快速的生产能力、复杂可变的结构设计与优异的力学性能将会在复合材料领域得到进一步发展。
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4.2-针织结构复合材料批量化/自动化生产将继续提高
4.针织结构复合材料的发展趋势 4.2-针织结构复合材料批量化/自动化生产将继续提高 随着针织技术复合材料生产工艺的发展，针织设备与复合材料生产工艺的改进提高，使针织结构复合材料的批量化与自动化生产水平继续提高。 尤其是特殊形状部件复合材料的织物织造-复合工艺完整生产流水线的应用。
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4.3-高性能纤维在针织结构上的应用范围不断扩大 碳纤维针织物用于增强复合材料将是下一个研究热点。
4.针织结构复合材料的发展趋势 4.3-高性能纤维在针织结构上的应用范围不断扩大 通过加工工艺和加工设备的改进，芳纶、高模量超分子聚乙烯纤维等高性能纤维大规模地应用在针织结构上，来生产形状复杂的针织结构。 随着成圈工艺的发展，玻璃纤维、玄武岩纤维与碳纤维等高性能纤维已经成功地应用在针织结构上，来生产形状复杂的针织结构。 碳纤维针织物用于增强复合材料将是下一个研究热点。
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研究方向 针织物结构设计与优化 针织物装备开发与设计 三维整体成型针织物 针织物织造-复合材料制备自动化生产 针织物/复合材料有限元优化设计
复合材料冲击动力学研究
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