三维角联锁织物的开发与探究

1 前言1.1 三维纺织品的由来随着现代科学的飞速发展，新知识、新技术的不断涌现，纺织品的应用领域越来越广泛。

在发达国家，纺织品已经形成了服用纺织品、装饰用纺织品和产业用纺织品三足鼎立的局面，产业用纺织品在现代社会生活中的作用越来越大，地位也越来越重要，航天、军事、交通运输、土木工程、医药卫生、安全防护、农业、体育和娱乐等无所不在，无处不有[1]。

产业用纺织品在用途上的多样性，决定了其在外观和形态上的多样性，它不同于传统的服用纺织品，打破了传统意义上的二维空间，服装用、装饰用纺织品一般以片状形态即由纱线编织而成的面料为消费者所使用，而产业用纺织品既可以纤维形态投入使用，也可以片状形态投入使用，还可以线、绳结构直接使用，但更多的是以三维形态投入使用，三维纺织品应运而生。

1.2 三维纺织品的种类三维纺织品的形成可以采用机织、针织和非织的方法，也可以采用二维纺织品层合的办法形成。

机织物是最古老、最成熟的一种织造技术，人们自然首先考虑采用机织的方法来生产三维织物。

近年来被人们普遍关注的三维机织物有：三维正交机织物、角联锁机织物、多层接结机织物。

角联锁机织物(角联锁组织)是多重纬(多重经)角联锁机织物简称，它是由两个系统的纱线构成重叠联锁状的交织。

当经线在织物厚度方向(Z方向)构成重叠，则纬线以一定的倾斜角在X方向与多重经进行角连锁状交织。

反之，当纬线在织物厚度方向(Z方向)构成重叠，则经线以一定的倾斜角在X方向与多重纬进行角联锁状交织。

按照构成重叠的纱线系统，可以分为多重经角度联锁和多重纬角度联锁两种。

本论文在对多重纬三维角联锁机织物进行设计与开发的基础上，通过所织得的不同层数的三维角联锁织物，探究得出三维角联锁织物的层数与形态特征等方面的关系，以及展现三维角联锁机织物的应用和发展前景。

1.3 国内外研究现状对三维织物的研究是伴随着产业纺织品的发展而产生的。

尽管产业用纺织品的历史可能与传统纺织品一样久远，都可追朔到几千年前，但与传统纺织品相比，产业用纺织品通常被看作是一个较为“年轻”的行业。

现代产业用纺织品的历史大概始于从欧亚大陆穿越大洋驶向美洲大陆的帆船使用的帆布。

20世纪上半叶出现的化学纤维使得产业用纺织品市场发生了根本性变化。

尤其是上世纪50年代和60年代，具有超高强度的高性能纤维的研制成功扩大了产业用纺织品的应用范围。

化学纤维不仅在许多领域里代替了天然纤维，并且为产业用纺织品开辟了许多新的应用领域。

合成纤维与其它材料复合制成的产品可同时获得良好的强度、弹性、均匀性、耐化学性、耐火性和耐磨性。

由于社会的进步和人类生活日益增长的需要，对产业用纺织品提出了更高的要求，要求纺织品不仅提供各种二维平面织物，而且能够直接提供三维织物或构件，同时在某些场合，提供特殊性能的纺织品。

社会的需求，促使了新技术的出现，三维纺织品的系统研究开发正是在这样的情况下开始的。

三维纺织品的系统研究首先在发达的英美国家，英国曼彻斯特大学X．Chen 博士从上世纪90年代开始对三维纺织品进行研究，开发了多层接结蜂窝状机织物和复合材料，设计开发了角联锁机织物。

X．Chen博士开发的角联锁机织物主要利用角联锁机织物具有较大的可变形性，为女警察制作舒适的防弹背心[2]，但X．Chen博士并没有对各种角联锁机织物进行系统开发和性能研究，特别在设计层数较多的角联锁机织物时，靠先画出织物交织的示意图，再进行组织图的设计，费时切容易出错。

对角联锁机织物的可变形性只有定性的叙述，没有定量的研究。

Frank K．KO，在2000年出版的三维纺织加强复合材料一书中，对各种三维成形方法进行了论述，并收集了世界最新的三维纺织加强复合材料的研究成果，在书中提及角联锁机织物，但并没有对此织物进行深入研究，也没有具体开发和性能研究的报道[3]。

东华大学顾伯洪教授对三维织物进行了较为深入的研究，但其主要目标集中于三维正交织物和多层接结织物，并以此织物作为复合材料的加强材料，顾伯洪教授的研究方向是纺织复合材料的耐冲击性能，对三维角联锁机织物涉及的不多，浙江理工大学祝成炎教授在三维机织物组织与设计方面有较多的研究，但主要是采用先画出结构示意图，再进行组织图和上机图的设计，并没有找到有关参数的数学关系，对角联锁织物的力学性能研究不多。

除以上对三维织物进行研究之外，东华大学晏雄教授[4]，苏州大学王国和教授、顾平教授[5]，天津工业大学黄故教授、杨彩云教授等的研究领域都涉及三维机织物，但对角联锁机织物的系统研究还不多，从网上查找，中、外文文献较少。

角联锁机织物的独特结构，使得它具有独特的、有别于其它三维织物的性能，为此，研究角联锁机织物的设计和开发，以及对其性能进行分析和研究，在工业纺织品领域意义重大。

1.4 课题研究的目的、内容和意义早期的机织复合材料是由二维织物层合而成的。

其层间抗剪切强度低，抗冲击能力弱，在应用上受到了很大的限制，因而激发人们在70年代开始研究三维机织技术。

三维整体结构的机织物已成为全球关注的复合增强骨架材料，是发展航空航天、国防尖端以及民用技术必不可少的高性能技术材料[6]。

通过对国内、外研究现状的分析，考虑到现有的实验设备和条件，决定把本研究重点放在三维角联锁织物的设计开发以及角联锁织物的应用方面，其主要工作如下：（1）首先通过图书馆、数据库和互联网多种途径查找课题相关资料，仔细阅读。

根据课题内容对资料进行划分取舍，提取有用信息，并确定实验方案。

（2）然后根据所需的实验条件，选择适合本实验织造三维角联锁织物的纱线，查询和联系相关厂家，购买到相应的纱线。

（3）通过确定的实验方案，开发和设计出适合于传统小样织机织造的三维角联锁织物，然后进行上机实际操作，织造出2—9层8块三维角联锁织物。

（4）在此基础上，通过查询各种三维角联锁相关资料来探究角联锁机织物本身的一些特性以及发展和应用前景。

2 三维织物的分类及发展趋势2.1 三维织物概述三维机织物是用传统织机把纤维织成三维立体织物的方法，主要是通过多层经纱机织方法生产，织物中的纤维呈互相穿插状态。

目前已能织出各种三维纺织复合预制件，如：三维正交织物，其各向同性比较好，用相同层数、粗细一样的纱线织成的织物比较厚，经纱通过整个厚度方向的角联锁结构，经纱只通过相邻两层的角联锁结构，此织物柔软性好。

此外，通过机织的方法还可以织出其它各种形状的预制件，如工程上经常用到的工字梁、T形梁、蜂窝板、空管板、各种箱状结构等等。

早期的机织复合材料是由二维织物层合而成的。

其层间抗剪切强度低，抗冲击能力弱，在应用上受到了很大的限制，因而激发人们于70年代开始研究三维机织技术。

三维整体结构的机织物已成为全球关注的复合增强骨架材料，是发展航空航天和国防尖端技术必不可少的高性能技术材料。

三维复合材料的概念形成于60年代末，是基于二维复合材料的发展而来的。

三维复合材料含有不在平面内的第三个方向的纤维束，第三个方向不一定与平面垂直。

从整体结构上来考虑，三个方向的纤维可随单元体的不同而不同。

并且第三个方向上的纤维束可限制层间的相对运动，因此增强了层间剪切强度和刚度，同时，也使得第三个方向上的性能得到很大改善，而使整体性大大增强。

制作三维复合材料的步骤是分两步进行：首先用纤维束编织出所要制作物体的轮廓，我们称之为预制体：然后再通过RTM或手工浸渍树脂固化而形成成品。

这在制造上有许多优点，首先它可以编织比较复杂的形状如圆管、工字梁、T字梁，其次可以方便地形成孔洞而不用破坏纤维的连续性。

而层合纤维复合材料由于织物层间缺乏有效的增强，在动载负荷作用下，层间剥离是这种结构复合材料的主要失效形式之一。

可利用具有三维结构的整体性特点来提高复合材料层间断裂韧性，三维复合加强材料被认为是顺应当前复合材料制造发展趋势的新方法。

进行三维复合材料性能研究的国家主要有美国、日本、法国等。

采用二维织造技术加工三维机织物，这种技术至少在本世纪四十年代就已出现，当时主要用于制作双层或三层帆布带、地毯基布等。

70年代中期，美国人在普通织机上拓展了双层织物的制织技术，制成了多达17层的三维机织物。

80年代初，英国也在常规织机上通过改进开口机构试织成功三维机织物。

自此多层机织物在复合材料领域得以应用。

．三维织物按加工方法可分为三维机织物、三维编织物、三维针织物和三维非织造布织物。

国内对三维织物进行大量研究始于九十年代初，目前较为成熟的是三维针织物和三维编织物。

三维机织物的研究还比较少。

2.1.1 机织的三维织物机织的三维织物是利用机织把纤维织成三维立体的形状，织物中的纤维呈相互穿插的状态。

早期的三维织物主要是通过多层经纱机织方法生产的，很长时间来用这种方法生产双层或三层箱包布、带子和地毯。

美国于70年代中期在普通织机上拓展了常规的双层织物的织制技术，目前已能成功地织制17层正交三维织物。

80年代初，英国也在常规织机上通过改进开口系统试制成功了三维织物。

机织三维织物的三个系统的纱线呈正交状态配置，这对充分发挥纱线本身固有的特性十分有利。

沿X方向的纱线为纬纱，其作用是构成水平纬纱层，同时又将沿Z方向的水平经纱层隔开。

沿Z方向的经纱为地经，其作用是构成水平经纱层，同时又将沿X方向的水平纬纱层隔开。

沿Y方向的纱线为缝经，其作用是将相互垂直的经纬纱铺层缝接在一起。

三个系统的纱线呈正交状态组成一个整体。

目前已经可以织出各种三维纺织复合材料的预制件，有单纯的正交实芯板，厚度变化的实芯板材，中孔结构箱体梁。

甚至可以适当控制经纱获得角联锁型实芯板。

这些板材可以制成工字形、角形、槽形和方形等三维织物复合材料预制件[7]。

2.1.2 编织的三维织物三维编织技术是二维编织技术的拓展，主要应用于复合材料增强织物的制作。

三维编织复合材料严格地说，始出于60年代末，当时致力研究的是多向增强复合材料在航天上的应用，美国通用电器公司根据常规的编织绳原理发明了万向编织机(Omniweave)到70年代中期，法国欧洲动力公司也发明了类似的编织机；80年代初美国Cumagna公司发明了磁编技术，自此三维编织工艺迅速发展。

磁编技术可以根据结构上的要求，使定向增强纤维在较大范围内具又灵活性，并能够柔和地处理脆性纤维，而且通过计算机控制和适当的排列能直接编织出复杂的骨架。

编织原理是，由许多按同一方向排列的纤维卷装，通过纱线运载器精确地沿着预先确定的轨迹在平面上移动，使各种纤维相互交叉或交织构成网络状结构的三维织物。

随着三维编织技术的发展，已经有多种编织方法相继出现。

目前最常用的三维编织方式有矩形(板状)编织和圆形(管状)编织。

最常用的编织工艺有二步法编织、四步法编织和多层内联锁编织。

区别矩形编织和圆形编织主要在于运载导纱器运动的底盘是由纵轨和横轨组成的矩形还是由环轨和射轨组成的圆形。