1 前言
    复合材料缝合技术是一种三维成型技术，与其它三维成型技术相比，它有很多优点，例如加工方式简单、生产效率高、缝合对象可以是预制件也可以是预浸料等^[1~5]。产品一般采用常规RFI或RIM工艺成型^[6]。基于缝合复合材料的以上各种优点并结合我们在实验中实际缝合的经验，我们认为对缝合线的拉伸与摩擦性能有必要进行研究。
    目前复合材料中较常用的缝合线主要有玻璃纤维纱线、kevlar、碳纤维纱线以及高强涤纶等^[7]。其中Kevlar纤维由于其特殊的耐磨性、良好的抗冲击韧性和较高的拉伸应力^[8]，在缝合工艺中应用多^[9,10]。
    在利用缝合线制作复合材料预制件的过程中，纱线反复受到缝针和预制件的作用，产生拉伸、弯曲、扭转等变形，而且纱线与增强材料之间，纱线与缝合机件之间的摩擦，也会对缝合线的力学性能产生重大影响。
    本文将通过不同形式的拉伸以及摩擦等，分析几种缝合线的可缝合性与其耐磨性的关系。
2 试验材料与仪器
    本文采用试验材料为玻璃纤维缝合线，1600D、1650D南京玻璃纤维研究院(中材科技股份有限公司)提供；Kev1ar400D(2股)、600D（3股），杜邦公司。
    本文采用试验仪器为华龙微机控制万能材料试验机，可测试各种缝合线的强力；
    纱线摩擦仪为实验室自主改进设计的纱线摩擦仪，结构如图1所示。

　
    图中，1为圆盘曲柄；2为滑块及摩擦部分（测试时往复运动）;3、4、5为滑轮;6为固定螺母;F为重物或弹簧（用来给纱线施加一定的张力）。
    该纱线摩擦仪器采用曲柄滑块机构，使滑块2在水平槽内往复运动，滑块上安装可调节角度的缝针，3和4为水平放置的滑轮，5为竖直安装的滑轮，6为固定纱线一端的螺栓。通过该试验装置可以模拟纱线上机缝合时纱线与缝针之间的摩擦效应，纱线固定于6，穿过针孔，通过滑轮3、4、5,在纱线末端施加预加张力F。1的转动带动滑块2往复运动，记录往复磨擦的次数，通过调节1的速度，F的大小和使纱线磨断的往复次数可以得出纱线的耐磨性。
3 试验方法、内容乃讨论
3.1 缝合线直拉伸强力的测试
    试样规格参照ASTM D578测试标准，拉伸隔距为250mm，每组测试10个试样，然后取均值。
    纱线直拉时，玻纤纱多为完全断裂；而kevlar多为其中的一股或两股断裂。由表1可知,kevlar比玻纤纱断裂应力要高约45%-65%。

　
3.2 缝合线弯拉性能的测试
    将纱线对折，纱线两个头端并在一起,用502胶水以及硬纸片将纱线两端固定好,置入拉伸夹头。弯折处由钩针（为了操作方便这里将缝针变换成钩针）钩住,拉伸仪另一夹头夹住织针尾端。每组测试10个试样取均值,结果如表2所示。

　
    由于玻纤的高模量，玻纤缝合线的弯拉断裂几乎全都发生在针钩处，其中大部分纤维都是同时断裂，只有少量的未断裂单丝。kevlar缝合线的断裂比较随机。从表2中可以看出，同种缝合线弯曲拉伸的强力一般较直拉强力高，对于本试验所用的钩针，弯拉强度率基本上能够保持在85%以上。虽然1号玻纤缝合线的弯拉强力比3号kevlar的弯拉强力高65%，但是从实际试缝合的效果来看，前者的可缝合性远低于后者，我们认为这是由于两种材料的摩擦性能差异较大，这将在下面得到验证。 [-page-]
3.3 模拟上机缝合时纱线摩擦性能的测试
3.3.1 不同预加张力下纱线摩断次数的测试
    施加不同预加张力摩擦纱线，直到纱线磨断为止，测出每种不同张力作用下的断裂次数，每组测试10个试样取均值，结果如图2所示。
    由图2不难看出缝合线的耐磨擦性能与张力之间存在着一定的关系，但非线性关系。一般而言，张力越大，同次数下缝合线受到的摩擦损伤越大，磨断纱线所需次数就越少。
    图2中四条曲线都先经由一段较陡峭的部分后趋向平缓，而平缓区大约在200gf到275gf之间。

　
    由于以上几种缝合线的线密度不同,为了使它们之间有可比性,为此将实验结果按照纱线比张力(即拉伸应力)进一步进行分析比较，结果如图3所示。

　
    由图3可知，除4号式样曲线略有波动外，其它种类的纱线的曲线形状几乎相同。线密度相差不大的1号和2号缝合线，其曲线的数值范围非常相近，因此可以根据磨断次数-比张力曲线来表征不同粗细纱线的耐磨性能，而对于线密度相差较大的3号、4号缝合线由于应力范围关系，所以才会出现如图所示情况。
    缝合线的耐磨性能与线密度有关，纱线越粗，在相同条件下磨断所需要的次数越多。在相同的预加张力作用下，4号试样耐磨性好，1号试样耐磨性差。
    一般而言缝合线的摩擦断裂过程可以表述为如下过程：
    缝合线在摩擦过程中，纱线逐步解捻；单丝断裂越来越多，在纱线表面形成毛羽，并且与缝针等机件缠结在一起；与预制件摩擦，纱线剩余强力逐渐降低，直至纱线断裂。 [-page-]
3.3.2 缝合线摩擦一定次数后剩余强力的测试
    先在摩擦仪上选择合适的机速档（确保重锤不发生明显跳动），纱线末端可通过施加固定张力砝码或可调节张力的弹簧来设定初始张力。将纱线穿入针孔后，使滑块2归零位（如图1所示），同时计数器调零，启动仪器摩擦纱线，使纱线摩擦一定次数。然后测试纱线的剩余强力。
    从图4、5我们可以看出，缝合线在摩擦过程中的强力随着摩擦次数的增加而降低，但是并不与摩擦次数成比例下降，而是随着摩擦次数的增加经历一个急缓的下降过程。如图4所示，在150gf下3号纱线的摩擦曲线，在摩擦次数为100时，纱线强力损伤很大，接近33％；之后，纱线的剩余强力随着摩擦次数的增多而下降缓慢，在300次时损失才达70％。

　
    由图4比较150gf和200gf下的摩擦强力剩余曲线，可以看出，纱线张力对于纱线耐磨性能有影响，纱线张力越大，经过相同次数摩擦所造成的损伤越大。摩擦次数较少时，它们强力的差异不大，随着摩擦次数的增多，两条曲线之间的距离越来越大。150gf下，在300次摩擦时3号缝合线的强力下降到原始强力的30%左右。而在200gf作用下在270次左右就发生断裂。
    由图5可以看出，4号缝合纱的耐磨性能要优于3号缝合纱，3号缝合线断裂时，4号缝合线仍然还保留有约30%的强力。同种材料相比，纱线线密度越大，耐磨性越好。

　
3.3.3 机速对缝合线摩擦性能的影响
    本试验在200gf作用下进行，通过调节机速测量缝合线磨断所需次数，每组测试10个试样取均值。
    试验采用图1所示的装置，试样末端加重锤。在滑块在达到左端点时，如果机速太高，则重锤还有一定的向上速度，不能立即随纱线一起向下运动，导致缝合线此时的张力为零，从而大大影响摩擦试验的准确性。所以本试验采用了几种较低的机速（≤120rad/min），在200gf作用下，对3号缝合线的摩擦性能进行了简单的测试，结果如图6所示。

　
4 结论 [-page-]
    (1)1号缝合线弯拉强度率大于1，这种现象出现的原因是因为该缝合线结构较松，在钩接后反而增加了纤维之间的抱合，故纱线的弯拉强度率大于100%^[8]。2、3、4号缝合线弯拉时的强力较直拉强力的两倍要小，弯拉强度率约为90%；
    (2)缝合线的磨断次数与其线密度有关。同种材料，线密度越大，磨断所需要的次数就越多，因此不能单由某张力下的纱线的磨断次数来判断缝合线的耐磨性能。引入磨断次数-比张力曲线，可以减少缝合线细度影响，来定量分析纱线耐磨性能；
    (3)通过试验,我们证实缝合时纱线断裂的主要原因之一是摩擦作用,这是导致缝合线强力损失较大的原因,也是影响纱线可缝合性的主要因素。缝合线强力损失与摩擦次数、初始张力、缝合线线密度以及机速密切相关,虽然耐磨性随以上几个参数的变化而变化,但不成明显比例关系。
                 　　　　　   参考文献
[1] 焦亚南，李晓久，董孚允．三维缝合复合材料性能研究[J]．纺织学报，2002,4(23):96-98.
[2] 王春敏，董娟，董孚允．缝合复合材料的力学性能[J]．纤维复合材料，2002,3:18-22.
[3] Mouritz. A. P，Bannister. M. K et al. Review ofapplications of ad-vanced three-dimensional fiber textile composites[J]． Composites part A，1999(30):1445-1461．
[4] C. Weimer. Preform-engineering:applied sewing technologies to in-corporate part and process functions into dry textile reinforcements [J]．Composites Science and Technology，2003(63):2089-2098．
[5] 吴华利，王钧，杨小利．三维缝合复合材料微观力学模型研究进展[J]．纤维复合材料,2007,3:52-54.
[6] 张彦飞，刘亚青，杜瑞奎等．LCM成型工艺中纤维预成型技术研究进展[J]．玻璃钢／复合材料,2006,6:42-45．
[7] 金春花．缝合复合材料性能研究[D]．南京:南京航空航天大学硕士学位论文,2006.
[8] 熊佳，黄英，王琦洁．高性能纤维的发展和应用[J]．玻璃钢／复合材料,2004,5:49-52.
[9] P. Mattheii,K. Gliesche,D. Feltin. 3D reinforced stitched carbon/epoxy laminates made by tailored fibreplacement[J]．Composites：Part A,2000,(31):571-581．
[10] Denis D. Cartie，Norman A. Fleck. The effect of pin reinforcement upon the through-thickness compressive strength of foam-cored sandwich panels[J]．Composites Science and Technology,2003  (63):2401-2409.
[11] 蒋金华,刘晓明,陈南梁等.预型加工过程中玻璃纤维纱线损伤原因的试验分析[J].东华大学学报,已收录．