三维机织物的分类、性能及织造

胡慧娜;裴鹏英;胡雨;龚小舟

【摘 要】文章主要从织物组织结构、织物的结构特征、织物的截面形状等3方面对三维机织物进行分类,并综述了目前有关三维机织物在组织结构、织造工艺以及织机设备改进等3方面的研究进展,旨在为三维机织物的研究发展提供参考. 【期刊名称】《纺织导报》 【年(卷),期】2017(000)012 【总页数】6页(P25-30)

【关键词】三维机织物;织物分类;组织结构;织造工艺;织机设备改进 【作 者】胡慧娜;裴鹏英;胡雨;龚小舟

【作者单位】武汉纺织大学纺织科学与工程学院;武汉纺织大学纺织科学与工程学院;武汉纺织大学纺织科学与工程学院;武汉纺织大学纺织科学与工程学院 【正文语种】中 文 【中图分类】TS105

随着材料技术的飞速发展，人们对于复合材料性能各个方面的要求愈来愈高，现代纺织技术与树脂工业的结合催生了纺织复合材料，而三维纺织技术的发展，更为制备具有优良整体性和力学结构合理性的高性能复合材料提供了有力的保证。以三维织物为增强体的纺织复合材料，具有比强度高、比刚度高、可设计性好、耐疲劳性能好、耐化学腐蚀性能好、生产成本低等优势，同时克服了传统二维平面织物层状复合材料存在抗冲击性能差、层间强度低的缺点，因而广泛应用于航空航天、船舶

汽车、建筑仓储等诸多领域。

根据织造成形工艺的不同，三维织物又可分为三维机织物、三维针织物、三维编织物，其中三维针织物主要是经编织物为主，但受于生产设备的限制只能加工轻薄型织物；三维编织物生产效率较低，无法适应大规模生产；而三维机织物，可以利用传统织机或对传统织机加以改进进行大规模生产，且生产效率最高、制件尺寸最大，因而在所有三维纺织品中的应用有望最为广泛。

根据纱线交织规律的不同，二维机织物基础组织可分为平纹、斜纹和缎纹，由这 3 种基础组织变化组合，又可衍生出多种多样的复杂组织。同理，三维机织物的基础组织包括正交、角联锁和多层接结等 3 种，由这 3种组织变化组合，又可衍生出各种复杂组织结构的三维机织物。

三维机织物是通过接结纱将多层织物连接在一起构成，接结纱又称捆绑纱、Z向纱，根据接结方式又可分为经纱接结和纬纱接结，用于连接各层织物的那部分经（纬）纱就称为接结经或接结纬。接结经（纬）首先要将各自分开的两层织物牢固地连接在一起，能承受较大的剪应力，并有很好的结构稳定性。因此，接结点在一个完全组织中要分布均匀，尽量减少经（纬）纱在织物中的屈曲程度，防止织物或最终复合材料的某一处在工况载荷下产生应力集中，形成材料的破坏。

根据接结纱与经纱层、纬纱层交织方式和倾斜角度的不同，正交组织又分为整体正交（图1（a））和层间正交（图1（b）），角联锁组织分为整体角联锁（图1（c））和层间角联锁（图1（d））两种，改变经纱和纬纱的层数、接结纱的浮长和分布，就可得到各种各样的正交结构和角联锁结构。

多层接结主要以经纱接结，接结方式大体分为两类：（1）捆绑纱接结：即采用一个独立系统的捆绑纱贯穿交织于上下层纬纱之间，将全部层数织物或相邻几层织物联结起来，类似于缝合的方法将多层织物缝在一起（图2（a））；（2）自身经纱接结：即利用织物本身的某根经纱充当捆绑纱，在作为经纱参与交织的同时，通过

上浮或者下沉将相邻两层纬纱捆绑在一起（图2（b）），自身经纱接结法又包括了“上结下”接结法（即上层经纱与下层纬纱接结）、“下结上”接结法（即下层经纱与上层纬纱接结）和“双向接结”接结法（即中间层织物同时与上层经纱和下层经纱接结）。

根据三维机织物结构特征的不同，可将三维机织物分为平板状实心织物和具有复杂结构的中空状织物两大类。顾名思义，实心织物的内部处处存在纱线且连续，因此织物的整体性和紧密性好，具体包括了等厚度平板状实心织物、变厚度平板状实心织物、各层经纬纱密度不均匀的梯度结构板材以及经纬向异型截面的板状结构如T型织物；而中空状织物的织物内部存在孔洞，如间隔织物、蜂窝织物、管状织物等。 根据织物截面形状的不同，三维机织物可分为型材织物、多孔织物、管状织物和三维壳体结构织物等四大类。

型材织物是指织物截面形状与复合材料的截面形状接近的织物，也被称为近净尺寸体。根据截面形状的不同，可分为T字形、工字形、U形、L形、十字形等（图3）。由于三维织物具有结构整体性好和可设计性强的特点，以三维型材织物为增强体的复合材料，常被用作连接件，广泛应用于建筑、航空航天领域。此外，型材结构复合材料在其它领域的应用也由原来的次承力件逐渐过渡到主承力件上，例如应用于飞机蒙皮加筋结构上。

多孔材料最显著的特点是其孔洞规则排列，大小可设计，不但具有承载所需的高比强度和高比刚度，且孔洞的存在使得材料具有良好的吸能、隔热、隔音、抗冲击等性能。以三维多孔织物为增强体的复合材料，不仅极大地减轻了自身重量，形成轻质高强的材料特性，其内部结构更具有可设计性，广泛应用于航空航天、交通、建筑等领域，在冲击载荷的作用下，这种结构可以作为能量吸收器被使用。三维多孔织物主要包括间隔织物和蜂窝织物。

间隔织物由上下层面板和连接上下面板的连接结构构成，从而在织物厚度方向形成

多孔结构，其连接方式又包括接结纱连接和织物连接。其中，以织物为连接方式将上下层面板连接的间隔织物，根据连接方式的不同，又分为矩形、W型、X型等截面形状。另如改变厚度则可以形成变厚度间隔织物（图4），如不仅改变厚度还变化接结织物之间以及上下连接方式，则会形成更为复杂的间隔织物（图5）。三维机织间隔织物复合材料具有高强度、高弹性模量、隔热、耐压、抗冲击性能好等优良性能，广泛应用于航空航天、交通、建筑领域。

蜂窝织物是由多层织物层间按一定规律接结而成的多孔织物，织物沿厚度方向展开后在侧面形成六边形蜂窝孔（图6）。若改变蜂窝孔每条边引入的纬纱数，就可调节其尺寸，复合时再配不同形状的模具，可制备出不同孔洞形状的蜂窝材料，如正方形、菱形、正弦曲线形、六边形等，从而满足不同用途。

管状织物的应用非常广泛，在工业领域可用于气体、液体的运输，在医疗卫生领域可用作织造人造血管、气管、神经导管等。管状织物的织造方法可以分为两种：以压扁、织造、还原的方式化为平面织物织造或者利用圆织法直接织造。根据截面形状的不同，管状织物又分为等截面和变截面管状织物。根据管壁的厚度，又分为单层和多层壁厚的管状织物。以平面织造法为例，壁厚为多层织物的管状织物，其织造方法与壁厚为单层织物的管状织物类似，将织物压扁平面化为上下两层织物，依靠纬纱的连续性将上下两层织物的布边处连接起来，且织物组织处处相同，撑开后即形成管状织物，与之不同的是，壁厚为多层的管状织物，其表里组织为正交组织或角联锁组织。

形成壳体织物的方法主要有两种，一是直接织造具有曲面结构的织物；二是利用裁剪、搭接的方法使平面织物与模具完全贴覆。

传统的壳体结构复合材料采用二维机织物做为增强材料，与模具贴覆后复合成型制备而成，但在贴覆时易出现褶皱或架空的现象，从而影响最终产品的形状。若将织物裁成小块再进行搭接贴覆，虽然织物成形良好，但采用这种方法制备的壳体复合

材料不连续、厚度不匀、易起褶皱，将引起其不同部位力学性能的差异。三维壳体织物是一种具有曲面结构的机织物（图7），可根据模具的形状和尺寸进行设计，因此不需裁剪就能直接与模具贴覆成形，主要应用于复合材料领域如受压、受轴向弯曲的表面，像头盔、轮缘、天线屏蔽罩、压力容器等。

以三维机织物为增强体的复合材料，不仅继承了传统层合材料高比强度、高比刚度、耐腐蚀性以及抗疲劳等性能，也克服了传统层合材料层间分离、开裂等问题，另又以质量轻脱颖而出，其应用领域最为广泛且进展迅速。但是人们对材料性能的追求是无止境的，近年来为提高织物性能，国内外的学者们对三维机织物的研究，主要集中在织物组织结构的设计、织造工艺以及织机设备的改进等 3 个方面。其中，织物的组织结构直接影响复合材料的机械性能，织造工艺和织机设备的改进也密切关系到织物质量和织造效率，进而影响到复合材料的性能。

不同组织结构的三维机织物复合材料具有不同的性能，因此，可针对应用场合有目的性地对其进行设计。闫淑娟等采用织物组织结构设计将经向管和纬向管连接起来，制备了一种类似三通管的三维T型管状机织物，这种结构的复合材料可以作为流体输送管道，特别是作为三通管使用时，大大减少了在横管与竖管连接处的密封性，增加了抗剪切强度和其它力学性能。张美玲等采用贯穿接结结构作为支撑部分，分别采用隧道式和有间隔经纱结构的孔洞部分设计了一种具有三维立体结构的织物开关，并通过开关串联检测系统测试不同孔洞部分的织物开关的串联现象，结果表明有间隔经纱的孔洞部分，其开关性能更优，这也充分体现出织物内部结构对材料整体电学性能的重要影响。Mohamed Nasr Saleh等以碳纤维为原料，制备了三维正交、角联锁、多层缝合组织结构的复合材料，并通过对它们进行非轴向（45°）开孔准静态拉伸和双圈轴承强度试验研究，分析 3 种复合材料的能量吸收性能及切口处的损伤形式。其研究表明三维正交结构的复合材料因其更强的能量吸收性能和比较均匀的切口损伤，更适合用于做复合材料连接件。

在机织物中，所有平行一个方向的纱线系统称为一个轴向，简称向，如经向、纬向。传统的二维织物仅由经纱和纬纱交织而成，因此又可称为二（双）轴向二维织物，最基础的三维织物至少包含了 3 个轴向：经向、纬向、Z向，因此又被称为三向三维织物，由于Z向纱的引入，使得多层经纱和纬纱紧密地捆绑在一起，因而有效克服了层压复合材料普遍存在的易分层问题。但是，这种三维三向机织物，仅在经向、纬向和Z向存在纱线交织，因此只在这 3 个方向上的剪切性能比较优异，在其它方向如斜向的剪切性能还不尽如人意。从而，对三维机织物引入更多的轴向，如三维四向、三维五向（图8）也是目前纺织三维纺织领域的研究重点和热点。 三维机织物的织造工艺参数主要包括纱线品种、线密度、经纬密、织缩率、织物紧度（即纱线覆盖系数）、织物厚度、多孔织物的孔径形状、尺寸等。这些因素直接或间接地影响到复合材料的性能。对织造工艺的研究，主要集中于在保证其他因素相同的条件下，仅改变某一项因素，来探究材料某方面性能的最优工艺参数。叶明琦通过加大织物的紧密度和对纱线加捻或采用不同原材料等方式，制备了三维正交防刺织物，并进行了防刺试验，结果表明，三维织物密度越大、排列越紧密，防刺效果越好；在同样的织造参数下，纱线捻度增加后，织物防刺性能得到提高；三维高密芳纶织物的防刺性能优于三维高密高强高模聚乙烯织物。吕丽华等试织了 3 种不同梁高的T字型三维整体机织物并制备成复合材料，测试了这 3 种T字型复合材料的冲击性能。结果表明，梁高为12 mm的材料吸收能量最多，可承载的冲击强度最大；梁高为 0 mm（即平板状）的材料吸收能量最少，可承载冲击强度最小。Kerber A等对碳－环氧树脂基布复合材料和 3 种Z向捆绑纱体积含量不同的三维正交碳－环氧树脂复合材料进行了一系列力学性能测试（弯曲、压缩）、断裂韧性以及抗爆破试验，研究表明，在受到高冲击载荷作用时，三维正交复合材料的具有较好的抗损伤、抗冲击性能，Z向纱的存在使得材料内部损伤相对较小，且随着Z向纱的体积含量越高，损伤越小。

三维织物既可以在传统织机上进行织造，也可对传统织机加以改进。例如，将单梭口改为多梭口织造，可以显著提高织造效率，并有效减少织造过程中经纱的磨损。采用多经轴或筒子架供纱，可以更有效地控制经纱张力。还可以开发专用织机，制备某一种结构的三维织物。例如，采用圆织机直接织造管状织物，可以避免采用平面法织造碳纤维管状织物时压扁给碳纤维造成的损伤。胡雨等分别采用传统织机和多综眼三维织机织造6 层正交角联锁织物，并比较了织物的织造参数和整体结构，发现采用多综眼织机织造结构复杂、厚度大的三维机织物时，能有效克服采用传统织机织造时其织物保型性差、生产工艺复杂、织造速度慢等缺点。Labanieh Ahmad Rashed等利用导向块技术在GEMTEX公司原有的多轴向三维织机上加装了 6 块导向块，此导向块可以将所握持的经纱层分别向左、向右滑移，从而形成多轴向三维机织物。

作为应用最为广泛的增强材料之一，三维机织物有着十分广阔的前景，是近年来纺织复合材料的研究热点，根据不同的用途，可设计成适当的纬向截面或经向截面，在织造时，可以使用不同的织造工艺与设备，如二维织机、专用的三维织机等。但是目前大部分三维机织物，其织造都是基于传统的二维机织技术和设备。这些方法的局限性以及能织造的三维织物品种有限，因此只有少数几个纺织机构能够建立起基于传统织机的小批量2.5维机织物中试流水线。但是研究者们针对用专用织机制作三维机织物的研究没有中断过，已可以在实验室或车间环境下进行小样试织。另外，为三维纺织复合材料应用而开发的复合材料技术、三维织物的标准测试方法、三维织物性能数据库等，目前还没有系统化、规模化建立。

【相关文献】

[1]刘桂彬．三维机织玄武岩纤维复合材料的制备及力学性能研究[D]．大连：大连工业大学，2015． [2]曾文敏．连续变厚度平面板状三维机织物的研制[D]．上海：东华大学，2015．

[3]刘亚芳，杨旭红．多层接结三维机织物的结构设计和织造工艺探讨[J]．国外丝绸，2009，24（3）：38－40．

[4]臧海迪，白燕．多层接结织物的设计技巧[J]．毛纺科技，2014，42（11）：1－3． [5]郭兴峰．三维机织物[M]．北京：中国纺织出版社，2015．

[6]黄彩敏．多孔材料的应用研究与发展前景[J]．装备制造技术，2014（2）：230－232． [7]王梦远，曹海建，钱坤，等．三维机织间隔复合材料结构对其力学性能的影响[J]．工程塑料应用，2014，42（11）：53－58．

[8]龚小舟，裴鹏英，华婷．具有规则变化孔洞蜂窝结构织物的织造工艺探讨[J]．产业用纺织品，2016，34（2）：14－17，44．

[9]王黎黎，徐安长．芳纶长丝三维管状织物设计[J]．纺织科技进展，2016（10）：19－21． [10]韩朝锋，孙颖，徐艺榕，等．头盔壳体用复合材料增强织物研究进展[J]．纺织学报，2014，35（8）：116－123，132．

[11]李文璋，杨彩云．机上成型织造——一种生产机织三维（3D）壳体织物的新技术[J]．天津纺织科技，2009（1）：21－23．

[12]闫淑娟，吕丽华，魏春艳，等．三维机织T型管状织物的织造研究[J]．上海纺织科技，2015，43（3）：47－49．

[13]张美玲，袁立静，周莉．三维织物开关的结构设计及优选[J]．上海纺织科技，2015，43（6）：17－19，6．

[14]Labanieh A R，Liu Y，Vasiukov D，et al．In fluence of off-axis in-plane yarns on the mechanical properties of 3D composites[J]．Composites Part A：Applied Science & Manufacturing，2017（98）：45－57．

[15]郭慧．多层多向三维机织物细观结构研究[D]．天津：天津工业大学，2014． [16]叶明琦．三维高密防刺织物的开发及其性能研究[D]．上海：东华大学，2014．

[17]吕丽华，张雪飞，闫淑娟．T字形三维机织物设计及其复合材料冲击性能分析[J]．上海纺织科技，2017，45（7）：38－40，45．

[18]胡雨，张玥，龚小舟，等．两种不同织机上正交角联锁织物的织造[J]．产业用纺织品，2017，35（2）：27－32．

[19]Labanieh A R，Legrand X，Koncar V，et al．Development in the multiaxis 3D weaving technology[J]．Textile Research Journal 2015，86（17）：19－26．