三维机织预型件的织造技术

(盐城纺织职业技术学院纺织工程系，盐城，224000)

利用简单织物与树脂复合制作的二维聚合物基层合板(即二维纺织复合材料)应用于船舶已超过60年，用于航空有40多年，用于汽车、建筑物、桥梁等基础结构也有近30年［1］。然而，二维纺织层合板生产周期长，加工复杂，抗冲击损伤力和层间强度低，层间容易剥离或开裂，整体性差。为了克服二维层合板力学性能较差以及制造中的问题，人们研制开发了三维整体纺织复合材料。

三维整体纺织构件成型技术有机织法、针织法、编织法和非织造法。机织物设计方便、结构紧密、不易变形，穿过织物厚度的接结纱可以加固织物，减少分层的危险。三维机织复合材料可以制成复杂几何结构的整体构件，减少零件加工、连接和材料消耗，制造简单、成本低。三维机织预型件抗冲击能力强，层间剪切强度高，抗弯曲疲劳性能好，其综合力学性能优于二维层合复合材料［2］。

近年来，纺织复合材料在汽车、飞机、航天器等领域的应用从次承力构件逐渐发展到主承力构件［3］。利用机织方法直接织造出三维机织预型件是今后制作复合材料的发展方向之一。

本文主要讨论三维机织技术，并简要介绍三维机织物的性能和应用。

1 三维机织物

三维机织物是指由三个相互垂直方向的纱线构成的纺织制品。三维机织物的织造方法有三种:二维织造法、三维织造法、三维无交织织造法(Noobing)。三维机织物按其结构可分为下列四种:实心结构三维机织物(有多层结构、三维正交结构和角联锁结构三种);三维空心结构机织物(有表面平整和不平整两种);三维壳体结构机织物，通过织物组合、差动卷取或模塑而成;节肢三维机织物(Nodal)［4］。

2 三维机织物织造工艺

2.1 二维织造法

传统的二维织机可以生产两种结构特征的三维机织物:多层织物和管状织物。

多层织物采用三组纱线即多层经纱、多层纬纱和一组接结纱(经纱或纬纱)织制而成，接结纱穿过多层织物的各层或几层进行交织，形成实心结构或夹心结构。传统多层织造加工技术的特点是经纱作上下开口运动，由此形成的三维织物的特点是经纬纱以某种规律相互交织［5］，如图1中的正交和角联锁结构。

图1 不同结构的三维机织物

刘健等［6］研制出三维多剑杆织机，采用特有的多眼综丝配合多剑杆引纬织造三维织物。经纱通过多眼综丝的综框升降形成多层梭口，纬纱由多剑杆引过多层梭口与经纱交织形成三维机织物。边纱经边经剑与钩边针配合形成针织边。三维多剑杆织机如图2所示。

图2 三维多剑杆织机的织造原理

由于采用多剑杆引纬，多剑杆织机每次引入的是双纬。为了形成完整的布边，该织机上采用了针织边技术。采用边经剑将边经纱插入梭口外侧双纬纱形成的纱圈内，织口处的钩边针前伸钩住边经纱圈，钩边针退回时舌针将前一个边经纱圈脱出，从而形成纱圈套纱圈的针织布边，如图3所示。

图3 多剑杆织机的织边机构

三维多剑杆织机的经纱只能沿幅宽方向开口，每梭口只能一次引入双纬。目前，三维多剑杆织机只能织制三维正交、三维层间角联锁等几种结构类型。由于三维多剑杆织机的主要机构与传统的织机相同，因而只能织造一些截面为“I”、“L”、“Π”和“T”形等较规则结构的高厚板材织物［7］。

总之，传统二维织机织造仍是经纱上下运动形成梭口，这样的三维机织物仍是经纬纱以某种规律相交织，三个方向的纱线不能完全交织，织物各向同性差［8］;同一层经纬纱交织紧密，不同层之间通过接结纱固结，易造成分层。

2.2 三维织造法

2.2.1 Noobing织造法

Noobing是一种三维无交织织物的生产方法，是专为预型件制作而发展起来的。该方法首先由美国航天部门研发，后来被N.Khokar称为“Noobing加工技术”。Noobed织物由三组互相垂直的纱线，即多层经纱、多层纬纱和固接经纱，通过固接经纱将多层排列的经纬纱连接成相互不交织的整体结构三维织物。Noobing是无交织、垂直取向与接结的英文缩写，因其织造过程中纱线间没有交织，不具备常规意义上的“织造原理”。Noobing加工技术又有单轴向和多轴向两种类型，下面主要介绍单轴向Noobing加工技术。

如图4和图5所示，两组接结纱导纱器X1～X6与Y1～Y6交替着分别从横行与纵列两个方向穿过预先排列好的轴向纱Z之间，直接形成织物［9］。

图4 Noobing织造设备的工作原理

图5 Noobing织造设备中板P的结构

图5为单轴向Noobing织造装置。轴向纱Z穿过板P上纵横排列的管L，接结纱X和Y的导纱器分别在板L的水平和垂直方向的轨道H和V内运行。轨道V、H与纵管、横管L分别相间排列，这样三组纱线X、Y、Z就通过板P上的嵌壁式区域R正交成Noobed织物，如图6所示。

图6 单轴向Noobed织物

接结纱X和Y的导纱器的结构与纵横向轨道H和V的结构正好啮合，因此织造过程中可以平稳地在轴向纱Z之间交替地引入接结纱，如图7所示。

图7 Noobing织造过程中接结纱的运动

单轴向Noobing织造设备中最具创造性的是N.Khokar发明的一种叫做打纬导纱器的装置。如图4所示，Noobing织造过程中轴向纱排列紧密、间距小，采用普通引纬方式在轴向纱之间引入接结纱非常困难;而且连续引纱所需纱线较长，普通引纬方式难以完成。另外，普通织机的钢筘只能打紧横向的接结纱，纵向接结纱因与筘齿同向而不能打紧。因此，普通引纬和打纬装置适应不了Noobing织造的需要。

打纬导纱器的结构如图8所示。该打纬导纱器由三部分组成:两端渐尖的导向头，用于在轨运行和分纱;卡式盒用于储纱和引纱;前后向为斜面的打纬齿，用于打紧纬纱［10］。

图8 打纬导纱器结构

图9为打纬导纱器工作原理图。导纱器在进行引纱的同时完成了打纬，并且每一组的所有导纱器可同时运动，极大地提高了织造效率。

由此可见，Noobed织物在织造过程中没有了传统二维织机的开口运动，织物中三个方向的纱线相互正交而不交织，织物只在厚度方向上由接结纱束缚，通过两个相互垂直方向的接结纱与最外端的纱交联保证了织物的结构完整性，接结纱与内部轴向纱之间没有交联。也就是说，Noobed织物不具有全交织织物的网络结构。

2.2.2 双向梭口织造法

为了克服二维织造技术开口方式的局限性，Fukuta等开发了一种可以使三组纱线充分交织的三维织造技术。该技术不但可以形成通常的织物幅宽方向的梭口，而且可以在织物厚度方向形成梭口，两种梭口(双向梭口)相继而非同时形成，从而使得横向纱X、纵向纱Y与地经纱Z相互垂直地交织成完全交织的三维织物，见图10。

图9 打纬导纱器工作原理

图10 三维织物结构示意图

为使网格状的地经纱Z形成纵向和横向的梭口，开口时地经纱Z间必须彼此分开。图11为一个双向梭口的示意图。图中纵向和横向的多梭口是交替而非同时形成的，因为垂直方向和水平方向的纬纱必须在各自方向的梭口内引纬。

图11 双向梭口

图12为双向梭口的形成过程。首先地经纱Z水平方向分开形成垂直方向的梭口，垂直梭口中引入纵向纬纱Y后与地经纱Z形成交织;然后，经纱Z垂直方向分开形成水平方向的梭口，水平梭口中引入横向纬纱X后与地经纱Z形成交织。如此交替进行，不断地织成三维织物。

两个传统的单向梭口垂直配置并不能形成纵向和横向双向开口运动。目前有两种可以形成双向梭口的方法，分别是线线法和线角法。

2.2.2.1 线线法形成双向梭口

线线法形成双向梭口如图13所示，两页综框垂直配置，综片上有特别设计的综眼，综框上有若干行(列)短而窄的平行综眼(称为正常综眼)，与之相间的是长而宽的长槽状开放空间(称为非正常综眼)。一页综框水平直线往复运动，另一页垂直直线往复运动，综框运动带动穿过两页综框重叠的综眼的经纱形成开口。所有经纱纵向配置成A到I列，横向配置成1至9排。奇数排的经纱穿过垂直综框中相间排列的非正常综眼(A、C、E、G、I列)，它们叫做消极经纱，不随综框上下运动;奇数排的经纱穿过垂直综框中相间排列的正常综眼(B、D、F、H列)，由垂直方向的综框牵引作上下往复运动。偶数排的经纱穿过相间排列的正常综眼(A、C、E、G、I列)，随综框水平运动;而垂直综框中相间排列(B、D、F、H列)偶数排的经纱，先后穿过垂直综框的水平综眼(图14中水平缺口)和水平综框的垂直综眼(图14中垂直缺口)，随相应综框运动。所有穿过正常综眼的经纱称作积极经纱。

图12 双向梭口形成过程

图13 线线法双向梭口

这种特殊形式的综眼及其相互位置配置如图14所示。水平方向的多层经纱和梭口的形成如上所述。通过水平和垂直综框各自的运动，相应的积极经纱就移至织物厚度方向和织物幅宽方向相应的位置，而在垂直综框开放空间内未穿入正常综眼的消极经纱保持静止不动，这样就可以按照要求分别形成纵向(织物厚度方向)和横向(织物幅宽方向)的梭口。这些由积极经纱和消极经纱配合而成的水平和垂直方向的双向梭口是同时形成的。

图14 线线法双向梭口中综眼的配置

在任一纵列中，一些积极经纱穿过正常综眼，该列的其余积极经纱穿过重叠综眼。当水平综框往一侧水平运动时，其垂直方向的综眼中的经纱一起同向移动;垂直综框的水平综眼为其提供了水平移动的自由空间。结果该列穿过垂直综框综眼的积极经纱不移动，与穿过重叠综眼水平移动的经纱配合形成了垂直方向的梭口。同理，垂直方向的积极经纱也通过综框的上下运动形成水平方向的梭口。然后，在纵横向梭口中引入纬纱，就实现了与积极经纱和消极经纱的交织。

2.2.2.2 线角法双向梭口

图15所示为一种非传统的开口方式。每根轴上固装了一组平放的综片，每个综片上有两个孔，头端的叫综眼，尾端的叫导纱眼。这套装置具有沿轴向往复直线运动和绕轴往复摆动两个方向的运动。

图15 线角法双向梭口

如图16所示，各层经纱的排列非常特别，无论是纵列还是横排上积极经纱与消极经纱都相间分布。这种配置可使经纱在织物中分布均衡、布面均匀。经纱配置的这种特点与线线法一样，含有消极经纱和积极经纱，不同之处在于为了形成均匀的织物，每根消极经纱(包括最外面的消极经纱)周围都被积极经纱包围着。这样，横排的积极经纱可用1、3、5、7 等来表示，而横排的消极经纱则用 2、4、6、8等来表示;相间的纵列积极经纱和消极经纱则分别用 A、C、E、G 和 B、D、F、H 等表示。每根积极经纱都穿过相应行列的导纱眼和综眼，每根消极经纱则穿过相邻两轴之间的空挡，如图16(b)。因此，随着综轴作轴向往复直线运动和绕轴摆动，穿过相应综眼的积极经纱则沿织物幅宽方向和织物厚度方向作左右、上下运动，而未穿入综眼的消极经纱则静止不动，这样消极经纱不动与积极经纱移动相配合就形成了垂直和水平两个方向的梭口。水平位置综片的角位移和线位移至少必须与相应行、列的相邻积极经纱和消极经纱之间的距离相当，可称作开口量。无论是轴向直线运动还是绕轴摆动，所有的轴都同时开口且开口量相等，在同一方向形成均匀一致的梭口。在相应梭口中引入纬纱，就与纵向、横向梭口内的经纱交织，形成了平纹组织立体织造的三维织物。织物边缘和表面的纱线以及织物内部纱线的路径如图17所示。

图16 织造过程中多层经纱的配置

图17 线角法三维织物的纱线路径

综轴的运动如图18和图19所示。图18表示垂直梭口形成过程，图18(a)为该系统水平状态的俯视图，图18(b)和图18(c)所示的是综轴沿轴向左右往复直线运动的情况，分别表示了积极经纱由其水平位置沿织物宽度方向往相对静止的消极经纱右侧和左侧移动形成垂直梭口的情况。图19表示的是水平梭口的形成过程，图19(a)为该系统水平状态的侧视图，图19(b)和图19(c)分别表示综轴向上和向下摆动带动相应综片的综眼运动，相应的积极经纱相对于静止的消极经纱向上、向下运动形成水平梭口。

图18 垂直梭口的形成

图19 水平梭口的形成

上述梭口再配以适当时间的引纬、打纬、卷取及送经运动，就形成了一个完整的织造周期。图20所示为上述立体织造的平纹组织三维织物开口及引纬顺序的正视图。可以采用梭子或剑杆等引纬，由于纬纱穿过积极经纱和消极经纱形成的梭口，织物中的两组纬纱并非呈伸直状态，而是屈曲状态。该织物结构中一个重要特征是其积极经纱呈螺旋状分布，但并非圆形螺旋，在织物边缘和表面呈三角形螺旋，而在织物内部呈正方形螺旋;消极经纱是没有这些螺旋的。

图20 线角法三维织物中纱线的路径

采用双向梭口织造的三维织物中三个方向的纱线彼此完全交织，有效地克服了复合材料的分层现象，织物各向同性较二维织机织造的三维织物好。

2.2.3 圆织法

2.2.3.1 三维曲面织物的圆织法

马崇启研制了可织制三维曲面织物的圆织机。该织机主要由送经和张力控制、提综机、环形筘齿、梭子、举升机、芯模等装置构成。其织造原理如图21所示。

经纱从四周的送经装置上引出，经过综框、环形箱，与纬纱交织形成的圆形织物包卷在位于织机中心的芯模上。环形箱用于控制经密，构成梭道，举升机上升以控制织物纬密。

由于梭子作圆周引纬运动，其引纬张力和向心力可自动拉紧纬纱，故没有打纬机构，如图22所示［11］。

图21 三维机织物的织造原理

该织机采用一种自行式电动梭子，如图23所示［12］。梭子主要包括固装在梭体下部的滚轮、减速器和动力轮以及安装在梭体内与小电机连接的导电片。当主控装置通过通信线路传来工作指令时，梭体内的自身行走电机驱动动力轮与环形筘的筘齿啮合，梭子携带纬纱通过梭口，电动梭通过环形箱供电。纬纱供给部分主要由纬纱管、支架、弹簧、控制纬纱退绕张力的摩擦片等组成。

该织机可以织造各种各样的多层三维曲面形状的空心织物。图24为该织机织造的几种典型的多层三维空心织物的形状示意图。

图24 几种典型空心织物的形状结构

该织机没有打纬机构，可以大大减少织造过程中的经纱损伤，有利于高性能纤维的织造。织物的成型依靠芯模的形状，芯模设计成什么形状，就可以织成什么形状的织物。

2.2.3.2 立体管状织物的圆织法

孙志宏等人开发出复合材料立体管状构件的纺织成型装置及其方法，即三维圆织法［13］。这种管状织物织制过程中经纱沿圆周轴向排列，而纬纱则沿圆周方向连续引入梭口，因此在织物中纬纱呈螺旋状分布。

立体管状织物的显著特点是其厚度方向上有用于连接和增强的固结纱，固结纱可以是经纱也可是纬纱。图25为两种立体管状织物的表面组织形态。若用经纱作固结纱，固结经纱也要和普通经纱一样由综框控制开口顺序，且经纱张力也比普通经纱小很多，送经机构也应不同。相对而言，采用纬纱作固结纱，固结纬纱可与普通纬纱一样采用引纬器引纬，极大地简化了设备结构。故该圆织机采用了固结纬织造法。

图25 两种立体管状织物的结构形态

图26为三维圆织机结构示意图。经纱由四周的经纱架经筘板引入尺码环内。主盘转动带动开口装置分开经纱形成梭口。主盘上的推梭装置驱动引纬器，将纬纱或固结纱引入梭口中形成织物，形成的织物从圆织机中心向下方或上方由收卷机构引出。在织造过程中，作圆周运动的纬纱或固结纱在引纬张力的作用下向圆心收紧，所以不需要设置打纬机构。

图26 三维圆织法成型设备

图27为三维管状织物三维圆织法织造原理图［14］。从织机四周依次引入的经纱参与织物相应层的织造，推梭装置驱动开口和引纬，开口装置按织物组织将外层经纱拨至引纬器上方，将内层经纱拨至引纬器下方，形成梭口。引纬器将纬纱引过梭口与经纱分别交织成管状织物的外层和内层。与纬纱的引入方式相似，固结纱通过固结纱引纬器引入梭口，在组织中也是呈螺旋状分布，不同的是纬纱只在层内进行交织，而固结纱在层间进行交织，从而形成具有一定厚度的三维立体管状织物，如图25(b)所示。

图27 三维圆织法织造原理

图28 三维圆织机的开口及引纬装置

图28为该圆织机的关键成型部件。梭子放置在由上方跑道、下方跑道和筘板组成的梭子轨道中;经纱穿过筘板中的筘槽连接到尺码环内。当主转盘转动时，安装在主转盘上的推梭器、分线盘和导纱板也一起运动，推梭器推动安装在梭子上的推梭轮，使梭子随主转盘一起沿梭子轨道运行;同时，经纱被导纱板带到分线盘上方，随即分别落入分线盘的顶槽和底槽中，形成梭口;梭子进入梭口并将梭口扩大，将纬纱(或固结纱)引入梭口，形成立体管状织物。图29为分线盘结构图。图30表示厚度为1～5层管状织物所对应的分线盘形状［15］。

图29 分线盘的结构

图30 不同层数管状织物的分线盘形状

3 结语

纺织技术是唯一能将杂乱无序的纤维材料制造成所需形状、尺寸和一定方向的二维、三维构件的方法。三维机织物制成的先进复合材料预型件具有许多优势，如整体性结构、轻质、高性能。本文介绍了不同类型的三维机织物的主要织造方法。

三维机织物的多轴向织造技术国外研究甚多，而国内还缺乏研究。圆织法研究尚需进一步深化，关于壳体织物、Nodal织物的织造方法目前国内还鲜见报道。

［1］ 董孚允，王春敏，董娟.三维纺织复合材料的发展和应用［J］.纤维复合材料，2001(3):37-40.

［2］ 王静，王瑞.三维机织预型件织物设计及其织造的探讨［J］.产业用纺织品，2005，23(2):9-12.

［3］ 杨彩云，李嘉禄.复合材料用3D角联锁结构预制件的结构设计及新型织造技术［J］.东华大学学报:自然科学版，2005，31(5):53-58.

［4］ CHEN Xiaogang，TAYLOR L W，TSAI Liju.An overview on fabrication of three-dimensional woven textile preforms for composites［J］.Textile Research Journal，2011(1):1-13.

［5］ 卜佳仙，崔建伟.三维多向结构预型件的织造加工技术［J］.产业用纺织品，1999，17(10):9-12.

［6］ 刘健，黄故.多剑杆织机三维织造研究［J］.上海纺织科技，2005，33(2):8-10.

［7］ 崔俊芳.三维机织物织造方法的研究［D］.天津:天津工业大学，2002.

［8］ 王芳，林富生，李燕，等.三维织物织造方法的探讨［J］.机电产品开发与创新，2008(4):27-29.

［9］ 李凤绵.新型三维无交织织物［J］.产业用纺织品，1998，16(10):23-26.

［10］ KHOKAR N.Method and means for textile manufacture:US，6889720 B2［P］.2005-05-10.

［11］刘春阳.复合材料管道弯头织物的研制［D］.天津:天津工业大学，2007.

［12］马崇启.新型三维圆织机的研制［C］//第十二届全国复合材料学术会议论文集，2002:1089-1093.

［13］孙志宏，周申华，单鸿波，等.复合材料立体管状构件的纺织成型装置及其方法:中国，101949077 A［P］.2011-01-19.

［14］周申华，单鸿波，孙志宏，等.立体管状织物的三维圆织法成型［J］.纺织学报，2011，32(7):44-48.

［15］刘晟，刘家强，周申华，等.基于SolidWorks设计表驱动的三维圆织机分线盘参数化建模［J］.纺织机械，2012(1):20-24.