玻璃纤维柔性网格织物的编织工艺稳定性研究.pdf

２０１０年第２期玻璃钢／复合材料５９玻璃纤维柔性网格织物的编织工艺稳定性研究陈建祥，王治易，董毅，陈南梁（１．上海宇航系统工程研究所，上海２０１１０８；２．东华大学纺织学院，上海２０１６２０）摘要：半刚性太阳能电池阵具有质量轻、使用寿命长、供电效率高等优点，适合于我国航天发展对于大面积、轻型太阳电源系统的需求。芈刚性基板的核心是柔性的网格面板，采用低延伸率的玻璃纤维进行编织，且要求织物表面平整、结构致密，因而编织起来非常困难，严重影响了网格织物的质量和编织效率。本文对如何提高玻璃纤维柔性网格织物的编织工艺稳定性进行了研究。关键词：玻璃纤维；半刚性太阳能电池阵；网格织物；损伤；工艺稳定性中图分类号：ＴＳ１８４．３文献标志码：Ａ——文章编号：１００３０９９９（２０１０）Ｏ２００５９一ｏ３对于空间站两自由度大面积太阳电池阵设计技术的研究是国家高技术领域（８６３－２）的一项研究课题。根据目前航天发展的趋势，航天器的功能不断增加，尤其是空间站的发展，对能源消耗特别是电能的需求越来越大。国内现有的以及在研的刚性太阳能电池阵已不能满足空间站和大型航天器的用电需求，迫切需要研制大面积、轻型太阳能电池阵。为了达到轻型化，国际上普遍采用柔性的和半…刚性的太阳能电池阵作为主要的研究对象。半刚性太阳能电池阵由于采用了新型材料和编织结构，较刚性太阳能电池阵具有结构轻、工作温度低、耐原子氧和宇宙射线能力强、并且可以利用地球的反照光实现太阳能电池的双面发电等优点，既可以满足大面积、轻型的要求，又具有良好的使用寿命，是我国航天飞行器电源系统的最佳选择。半刚性太阳能电池阵的关键部分是半刚性基板，主要用于粘贴电池片，为电池片提供一个载体。它是由柔性的面密度相对较小的网格面板、刚性框架等组成由于使用条件的特殊性和环境的限制，半刚性基板网格必须具有耐原子氧、质轻、结构致密、延伸率低、表面平整、网格某些部位遭破坏时不会影响其它部分结构等特性。正是这些特殊的性能要求，表明半刚性基板用玻璃纤维网格是最适合的。但是由于玻璃纤维延伸率低，在玻璃纤维编织过程中很容易出现纱线断头、织物破洞等问题，严重影响织物的质量和编织效率。本文对如何提高玻璃纤维柔性网格织物的编织质量和编织效率进行了工艺稳定性研究。１玻璃纱线生产工艺的改进由于采用的玻璃纤维纱线需要加捻才能适合于编织Ｊ，而在纱线生产过程中却容易出现断头等问题。常规玻璃纤维纱线产品都是采用手工打结的方法将断头连接在一起，如图１所示，然而通过观察发现，由于手接头处纤维弯曲扭结，纱线粗大，在通过编织机件（主要是导纱针和针钩）过程中会在弯曲和拉伸作用下发生断裂，导致编织无法连续进行，形成织物破洞，这样就大大降低了编织效率及成品率。根据纱线的实际生产情况，图１纱线上粗大的手接头尝试在纱线生产过程中采用减少接头的生产工艺。结果发现，纱线接头的数量的减少可直接提高编织效率与织物质量，提高编织工艺的稳定性。２环境湿度的控制研究发现，环境湿度对编织工艺的稳定性有很大的影响。空气湿度太低，在编织过程中纱线与成圈机件问的相对滑动容易产生静电，影响织物的编织，因而常规纱线编织过程中通常采用提高环境湿度的方法来解决编织引起的静电问题。但是对于玻璃纤维纱线，除了要考虑编织静电这个问题以外，还要考虑环境湿度对纱线老化和编织损伤的影响。通过实验发现，高湿度下玻璃纤维的编织损伤大大增加，见表１，在湿度为９５％时纱线的磨断次数仅为湿度为５５％时的一半，由此可知湿度对玻璃纤维的编织有较大的影响。结合实际情况，结果发现，整经和编织时将空气湿度控制在一定的范围，玻璃纤维纱可达到较好的编织效果。—收稿日期：２００９１１－２５基金项目：上海市科委资助（０４５２１１０３３）作者简介：陈建祥（１９６３一），男，高级工程师，主要从事航天结构产品的研究和开发。Ｈ撇嘛玻璃纤维柔性网格织物的编织工艺稳定性研究２０１０年３月表１空气湿度对玻璃纤维纱线耐磨性的影响３整经设备的改进由于玻璃纤维纱线具有很多与常规纱线不同的特性，使用常规整经机不能达到很好的整经效果，主要表现为整经过程中纱线张力波动较大，一方面会造成整经过程中的断纱，另一方面也会造成盘头上纱线卷绕不均匀，退绕纱线张力不匀等问题。为此，对整经机进行了改进，采用磁粉张力罗拉和ＫＦＤ液态阻尼张力器对整经张力加以控制。图２整经机上增加了磁粉张力罗拉来控制玻璃纤维纱线的整经张力磁粉张力罗拉是利用电磁效应下的磁粉来传递转矩的一种张力控制装置，见图２。该种罗拉的转矩与激磁电流的大小基本成线性关系，因而通过改变激磁电流的大小便可以任意调节控制转矩的大小，从而达到控制张力的目的，且当激磁电流保持不变时，转矩将会稳定地传递，不会受到转速变化的影响。此外，磁粉张力罗拉还具有控制功率小、响应速度快、结构简单、无冲击、无振动、无噪音、无污染等优点，较为适合玻璃纤维纱线的张力控制。图３ＫＦＤ液态阻尼式张力器液态阻尼式张力器（图３），又称ＫＦＤ张力器，由气圈盘１、棒２、由拉簧控制的张力杆３、油槽４以及张力集体调节轴５构成。当经纱张力减小（小于预定张力值）时，若干张力杆在拉簧的作用下开始变更位置，使纱线与张力杆之间的包围角增加以此来提高经纱的张力，如图３（ｂ）所示。当经纱张力增大时，张力杆与平台再次变动位置，使纱线与杆的包围角减小，以达到减小张力的目的，直到回复到张力的预定值为止，如图３（ａ）所示。该张力装置能够有效控制经纱的初张力，液压阻尼机构又能吸收张力峰值减少张力波动，能均衡一个筒子自身（从满管到空管）的张力差异，也能均衡筒子之间的张力不匀，非常适合玻璃纤维整经对于张力均匀的要求。针对玻璃纤维低延伸率的特点，适当加大了弹簧的张力和张力器的大小。通过上述改进，纱线退绕张力得到了很好的控制，断头率大大降低，纱线在盘头上卷绕均匀，见图４，对提高编织工艺的稳定性起到了明显的作用。图４改进后盘头上的纱线４编织张力的控制在编织过程中，玻璃纤维纱线在形成线圈之前要经过张力杆、导纱针和针钩等多个成圈机件的作用，如果纱线张力过大很容易出现纤维断裂和纱线损伤问题＿４Ｊ，如图５（ａ）所示。通过对玻璃纤维纱线编织过程的观察，可通过控制编织过程中的纱线张力来提高织物的质量与编织效率。对纱线的张力不加控制进行编织，结果发现织物表面毛刺很多，纱线损伤严重，如图５（ａ）所示，通过改造编织设备，使编织时纱线张力可以控制后发现，控制纱线张力可以提高织物的质量与编织效率，如图５（ｂ）所示。一一（ａ）未进行张力控制时的织物外观（ｂ）进行张力控制后的织物外观图５改进编织张力前后的织物外观５成圈机件和导纱器件的抛光为了减少纱线在整经和编织过程中的损伤，对导纱和编织机件进行了抛光处理，以尽量减少纱线与机件之间的摩擦系数，一方面可以降低编织过程中的纱线张力，另一方面也可以降低纱线由于摩擦而造成的损伤Ｊ。２０１０年第２期玻璃钢／复合材料在采取了上述多项措施后，玻璃纤维纱可以连续编织，保证了编织工艺的稳定性，编织出的网格织物外表美观，质量优异，满足半刚性基板的使用要求。玻璃纤维网格织物外观如图６所示。图６采取工艺稳定性措施后的网格织物６结语半刚性太阳能电池阵具有质量轻、使用寿命长、供电效率高等优点，适合于我国航天发展对大面积、轻型太阳能电源系统的需求。半刚性基板所采用的柔性网格面板，由于采用低延伸率的玻璃纤维进行编织，编织工艺稳定性较差，大大降低了织物的质量与编织效率。通过对玻璃纤维编织工艺稳定性方面的研究后发现，可以通过采取改进玻璃纤维纱的生产工艺、控制编织环境、改进整经设备、控制编织张力以及减少编织机件与纱线问的摩擦等多项措施来提高玻璃纤维编织工艺的稳定性，玻璃纤维编织工艺稳定性的提高则大大提高了玻璃纤维柔性网格织物的质量和编织效率。参考文献［Ｉ］Ｊｏｎｅｓ，Ｐ．Ａ．，Ｊｏｎｅｓ，ＡａｎｄＳｐｅｎｃｅ，ＲＲＳｐａｃｅｃｒａｆｔＳｏｌａｒＡｒｒａｙＴｅｃｌｍｏｌｏｇｙＴｒｅｎｄｓ［Ｃ］．ＩｎＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９８．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．，ＩＥＥＥ，１９９８．［２］Ｌｏｅｗｅｎｓｔｅｉｎ，ｋＬ．ＴｈｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＧｌａｓｓＦｉｂｒｅｓ［Ｍ］．Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ：ＥｌｓｅｖｉｅｒＳｃｉｅｎｃｅＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，１９９３．—［３］Ｒａｚ，Ｓ。，ＷａｒｐＫｎｉｔｔｉｎｇＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ：ＶｅｒｌａｇＭｅＵｉａｎｄＴｅｘｔｉｌｂｅｒｉｃｈｔｅＧｍｂＨ，１９８７．［４］Ｌｉｕ，Ｘ．Ｍ．，Ｃｈｅｎ，Ｎ．ＬａｎｄＦｅｎｇ，Ｘ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＦａｂｒｉｃａｔｅＡｃｔｉｏｎｓｏｎＧｌａｓｓＹａｒｎＤａｍａｇｅＤｕｒｉｎｇＫｎｉｔｔｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ［ｃ］．Ｉｎ２００６Ｉｎｔｅｒ－—ｎａｔｉｏｎａｌＦｏｒｕｍｏｎＴｅｘｔｉｌｅＳｃｉｅｎｃｅ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｏｒＤｏｃｔｏｒａｌＣａｎｄｉｄａｔｅｓ．２００６．Ｓｈａｎｇｈａｉ，Ｃｈｉｎａ．［５］刘晓明，王程，蒋金华，陈南梁，冯勋伟．高性能纤维在预型加工过程中的损伤分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００８，（４）：２５－２９．ⅡⅡＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩｏＮｏＦＴＥＣＨＮＩＣＳＳＴＡＢＹｏＮＴＨＥＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥⅢＯｌＦＧＬＡＳＳＦＬＥＸＬＥＭＥＳＨＧＲｌＤＦＡＢＲＩＣ——ＣＨＥＮＪｉａｎｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧＺｈｉｙｉ，ＤＯＮＧｙｉ，ＣＨＥＮＮａｎ－ｌｉａｎｇ（１．ＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｈａｎｇｈａｉ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１０８，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＴｅｘｔｉｌｅｓ，ＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｍｉｒｉｇｉｄｓｏｌａｒａｒｒａｙｈａｓｌｏｎｇｅｒｌｉｆｅ，ｌｉｇｈｔｅｒｍａｓｓａｎｄｈｉｇｈｅｒｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｔｈａｎｔｈｅｒｉｇｉｄａｒｒａｙ，ｉｔｉｓａｓｕｉｔａｂｌｅｐｒｏｄｕｃｔｆｏｒｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｅｆｕｔｕｒｅａｉｒｃｒａｆｔ．Ａｓｏｎｅｃｒｉｔｉｃａｌｐｏｒｔｉｏｎ，ｔｈｅｗａｒｐｋｎｉｔｔｅｄｆｌｅｘｉｂｌｅｍｅｓｈｇｒｉｄｆａｂｒｉｃｓｈｏｕｌｄｂｅｌｉｇｈｔａｎｄｆｉａｔｗｉｔｈｈｉｇｈｌｏｏｐｄｅｎｓｉｔｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｇｌａｓｓｙａｒｎｉｓｍｏｒｅｌｏｗｅｒｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｅｆｏｒｍｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｄｅｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｍｅｓｈｇｒｉｄｆａｂｒｉｃ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓａｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｅｃｈｎｉｃｓｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｇｌａｓｓｆｌｅｘｉｂｌｅｍｅｓｈｄｆａｂｒｉｃｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ；ｓｅｍｉｒｉｇｉｄｓｏｌａｒａｒｒａｙ；ｍｅｓｈｇｒｉｄｆａｂｒｉｃ；ｄａｍａｇｅ；ｔｅｃｈｎｉｃｓｓｔａｂｉｌｉｔｙ（上接第５５页）ＡＮＥＸＰＥＲ卫ＥＮＴＡＬＳＴＵＤＹｏＦＴＨＥＥＦＦＥＣＴｏＦＣＵＲＥＣＹＣＬＥｏＮＣＵＲＥ－ＩＮＤＵＣＥＤＳＴＲＥＳＳＥＳＩＮＣｏＭＰｏＳＩＴＥＳ————ＹＵＥＧｕａｎｇｑｕａｎ，ＺＨＡＮＧＢｏｒｕｉｎｇ，ＤＡＩＦｕｈｏｎｇ，ＤＵＳｈａｎｙｉ（ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｅｎｔｒｅｆｏｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｈａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ・－ｂｕｎｃｈ・－ｏｆ－ｆｉｂｅｒ・－ｔｅｎｓｅｄｉｓａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｖｏｌｕｍｅｃｈａｎｇｅｏｆｒｅｓｉｎ—ｍａｔｒｉｘａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｕｒｅｉｎｄｕｃｅｄｆｉｂｅｒｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｅｓ．ｅｓｕｂｊｅｃｔｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｏｆｔｈｉｓｍ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