三維立體機織物板材預制件的研究與織造
摘要：本文主要介紹如何利用二維織機織造三軸向正交結構和角聯鎖結構兩種簡單的三維立體機織物板材預制件，確定了工藝的可行性，使規?；a低成本三維機織物板材預制件成為可能，從而使原本性能優異卻價格不菲的三維立體機織物板材預制件得以廣泛應用。
1 前言
纖維增強復合材料的應用日益廣泛，在各種類型的纖維增強復合材料中，三維立體機織物增強是一種非常有效的增強型式，尤其是用三維立體機織物增強的復合材料板材，其整體化的纖維增強構件更是賦予材料極佳的層間剪切強度、較好的抗沖擊損傷性、較高的比強度與模量和適宜的韌性。因此，纖維增強復合材料板材被廣泛應用于建筑業、工業、航空航天以及汽車制造業等領域。
傳統的纖維增強復合材料板材并不是采用三維立體機織物作增強體，它一般采用單層纖維布經層壓工藝而成。這類板材有一個缺點，即材料的層間剪切強度低，在沖擊載荷的反復作用下，層間容易開裂。為了提高這類材料的層間剪切強度，可采用縫編的方法，但是，此種方法容易刺傷纖維，從而影響材料的力學性能，而且此法不易實現機械化生產。采用三維立體機織物作為增強體的復合材料板材就可以很好地解決材料的層間剪切強度低的問題。
目前，大部分的三維立體機織物都是在專門的三維立體織機或正交三軸向織機上織造的，工藝和結構比較復雜，設備昂貴。本文的另一個創新點是通過確定織物組織搭配和投梭路徑，成功地在普通小樣織機上織造出這兩種三維織物，確定了利用二維織機織造簡單三維織物的可行性。
2 具體織造方法
本節分別從預制件的結構、上機圖以及具體織造步驟進行介紹，先介紹正交結構板材預制件，其次介紹角聯鎖結構板材預制件。
2.1 正交結構板材預制件
2.1.1 正交結構板材預制件的結構
正交結構板材預制件的經向截面圖如圖1所示，1、2、3、4、5、6、7、8均為經紗，9為垂紗，黑點為緯紗。其中，1、2兩層經紗和緯紗交織為一層織物，3、4兩層經紗和緯紗交織成為一層織物，同樣，5、6和7、8層經紗分別和緯紗交織，形成織物，然后，第9層紗即垂紗把這四層織物連接起來，形成一個厚度為四層織物的板材預制件。
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2.1.2 正交結構板材預制件的上機圖
正交結構板材預制件的上機圖如圖2所示，其左下方為組織圖，左上方為穿綜圖，右下方為紋板圖，右上方為提綜順序圖。在組織圖中，每9根經紗為一個組織循環，每8緯為一個投梭循環，涂黑的部分表示經紗提起在緯紗上方，沒有涂黑的地方表示經紗沉在緯紗下方，經緯紗上下交織，形成織物。穿綜采取了順穿的方法，總共用了九片綜框。穿筘時仍然采用一箱齒兩人的方法，即每兩根經紗穿入一個筘齒內，穿筘圖從略未畫。由于采用的穿綜方法為順穿法，所以紋板圖和組織圖是一樣的，紋板圖上自左向右涂黑的地方要在對應的紋板上釘上紋釘。
2.1.3 正交板材預制件的織制
織制正交結構的板材預制件的步驟，包括“整經→穿綜→穿筘→織造”四個環節，在這四個環節中，先應該進行的是整經，整經時，將經紗的一頭纏在整經板一端的釘子上固定，按照“8”字形在整經板上來回纏繞，織造此織物時，總共用了72根經紗，整好后，先用一縷紗線將整經板上經紗來回纏繞時的交叉處綁好，以利于更加有效的分好經紗，然后再用小剪刀將纏繞在整經板兩端釘子上的經紗剪斷，將整好的經紗的一端吊在小樣織機的機后，在紗線的交叉處用分絞棒將經紗分好，剪斷綁住經紗交叉處的那縷紗線．就可以進行下一個環節-穿綜了。[-page-]
穿綜時采用順穿法，即把一個組織循環中的各根經紗逐一地順次穿在每一頁綜片上，一個組織循環中的經紗根數等于所需要的綜片頁數。穿綜時每次可以穿兩根，總共是用9片綜框，穿好后，將吊起的經紗放下，并用手大致將經紗梳理一下，以便于進行下一個環節-穿筘。
穿筘時采用筘號較小的30#鋼筘，每筘齒穿兩根，避免了因經紗較粗產生劇烈摩擦而斷頭。
釘紋板時一定要嚴格按照紋板圖來釘。一定要看清紋板在小樣機上的走向，織制此織物時所用小樣機的紋板走向是逆時針的，所以釘紋板時要采用自左向右、自上向下的方法，即紋板圖上下方的橫行要對應上邊的塊紋板，紋板圖上自下向上的第二行要對應自上向下的第二塊紋板，依次類推。每一橫行的涂黑部分均為需要釘紋釘的地方，釘紋釘時要自左向右釘，和紋板圖的順序一致。
做完這些工作后，取來預先準備好的緯紗，就可以開始織造了。
織造時，為了撐開布幅，應該先用較粗的縷紗織前面幾緯，然后再用幾根細鐵絲織接著的幾緯，再用縷紗織幾緯，后才可以用緯紗織制。織造時一定要注意打緯均勻，并且每次的送緯量也應該盡量一致，以保證布面的成形效果。
2.2 角聯鎖結構板材預制件
2.2.1 角聯鎖結構板材預制件的結構
角聯鎖結構板材預制件的經向截面圖如圖3所示，在圖中，1、2、3、4、5、6、7、8分別表示第l、2……8層經紗，黑點為緯紗，沒有垂紗，其上下各層的連接是靠各根經紗自身上下交織而成的，例如，第1根經紗上下游走于各層之間，參與了每層經紗的交織，同理，第2、3、4、5、6、7、8根經紗也參與了每層的交織，即所有經紗都參與了層間連接，這種結構的織物交織緊密，經紗屈曲量一致，制成的材料受力時，纖維受力均勻，因此，這種結構的織物制成的板材具有很高的抗沖擊強度和層間剪切強度，是一種理想的復合材料板材。
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2.2.2 角聯鎖結構板材預制件的上機圖
角聯鎖結構的板材預制件的上機圖如圖4所示，左下方為組織圖，由組織圖可知，每8根經紗為一個組織循環，在此圖中，自左向右的第1、2、3、4、5、6、7、8根經紗分別對應其經向截面圖（即圖3中的第1、2、3、4、5、6、7、8根經紗）。由這兩個圖可以看出，在織制此角聯鎖結構的織物時，先織制上層織物，再織制第二層，再織制第三層，第四層……，其投梭順序為由上到下依次投第1、2、3、4緯，然后再由上到下投第5、6、7緯，再由上到下投第8、9、10、11緯……直到投完下層的第56緯，然后重復從第1緯到第56緯的操作，依次類推。由此可知，織制此織物時每56緯為一個完整的投梭循環。組織圖的上方為穿綜圖，穿綜仍然采用順穿法，總共使用了8片綜框。穿筘仍采用一筘齒兩入，在此并未畫出穿筘圖。紋板圖仍然位于組織圖的右方，因為每投56緯才能完成一個投梭循環，所以總共使用了56塊紋板。[-page-]
2.2.3 角聯鎖結構板材預制件的織制
角聯鎖結構板材預制件的織制方法和正交結構板材預制件的方法大致上是一樣的，都是分為四個步驟“整經→穿綜→穿箱→織造”。不同的是該角聯鎖結構的總經根數為80根。
先在整經板上將經紗整好，并將其吊在小樣織機上，接著開始穿綜，穿綜時仍然采用順穿法，將各根經紗依次穿入第1、2、3、4、5、6、7、8片綜框。然后開始穿筘，穿筘時仍采用筘號較小的30#鋼筘，每筘齒穿兩根。后開始釘制紋板，釘紋板時和前面完全一樣，要按照自左向右、自上向下的原則釘制，并保證紋釘能緊緊的釘在紋板上，避免織造時紋釘脫落而影響織造。取來緯紗，就可以織造了。
織造時注意先用幾縷較粗的紗線和幾根細鐵絲撐開布幅，然后再開始織造。由于該角聯鎖結構的紋板數為56塊，因此使用了小樣織機上的一個撐起紋板的裝置，即在小樣織機右方增加了兩個木制軸，這樣就可以使用多塊紋板了。
3 結 語
通過對兩種三維立體機織物板材預制件的試織，在小樣織機上得到了纖維增強復合材料板材的預制件，證明只要通過經向截面圖確定投梭路徑圖，此三維立體機織物完全可以用普通織機織造出來，但是也存在許多問題，由于受到小樣織機綜框數量的限制，不能織造出層數太多的板材預制件，一般采用手糊成型工藝對其進行復合材料整理。通過前人對三維立體機織物板材預制件的研究測試發現，三維立體機織物有著非常優越的力學性能，例如，極佳的層間剪切強度、承受載荷時變形小而強力大、較好的抗沖擊損傷性、較高的比強度與比模量和適宜的韌性等等，能夠達到取代傳統的層合板的目的，為輕質高強的材料。
1 前言
纖維增強復合材料的應用日益廣泛，在各種類型的纖維增強復合材料中，三維立體機織物增強是一種非常有效的增強型式，尤其是用三維立體機織物增強的復合材料板材，其整體化的纖維增強構件更是賦予材料極佳的層間剪切強度、較好的抗沖擊損傷性、較高的比強度與模量和適宜的韌性。因此，纖維增強復合材料板材被廣泛應用于建筑業、工業、航空航天以及汽車制造業等領域。
傳統的纖維增強復合材料板材并不是采用三維立體機織物作增強體，它一般采用單層纖維布經層壓工藝而成。這類板材有一個缺點，即材料的層間剪切強度低，在沖擊載荷的反復作用下，層間容易開裂。為了提高這類材料的層間剪切強度，可采用縫編的方法，但是，此種方法容易刺傷纖維，從而影響材料的力學性能，而且此法不易實現機械化生產。采用三維立體機織物作為增強體的復合材料板材就可以很好地解決材料的層間剪切強度低的問題。
目前，大部分的三維立體機織物都是在專門的三維立體織機或正交三軸向織機上織造的，工藝和結構比較復雜，設備昂貴。本文的另一個創新點是通過確定織物組織搭配和投梭路徑，成功地在普通小樣織機上織造出這兩種三維織物，確定了利用二維織機織造簡單三維織物的可行性。
2 具體織造方法
本節分別從預制件的結構、上機圖以及具體織造步驟進行介紹，先介紹正交結構板材預制件，其次介紹角聯鎖結構板材預制件。
2.1 正交結構板材預制件
2.1.1 正交結構板材預制件的結構
正交結構板材預制件的經向截面圖如圖1所示，1、2、3、4、5、6、7、8均為經紗，9為垂紗，黑點為緯紗。其中，1、2兩層經紗和緯紗交織為一層織物，3、4兩層經紗和緯紗交織成為一層織物，同樣，5、6和7、8層經紗分別和緯紗交織，形成織物，然后，第9層紗即垂紗把這四層織物連接起來，形成一個厚度為四層織物的板材預制件。
[-page-] 2.1.2 正交結構板材預制件的上機圖
正交結構板材預制件的上機圖如圖2所示，其左下方為組織圖，左上方為穿綜圖，右下方為紋板圖，右上方為提綜順序圖。在組織圖中，每9根經紗為一個組織循環，每8緯為一個投梭循環，涂黑的部分表示經紗提起在緯紗上方，沒有涂黑的地方表示經紗沉在緯紗下方，經緯紗上下交織，形成織物。穿綜采取了順穿的方法，總共用了九片綜框。穿筘時仍然采用一箱齒兩人的方法，即每兩根經紗穿入一個筘齒內，穿筘圖從略未畫。由于采用的穿綜方法為順穿法，所以紋板圖和組織圖是一樣的，紋板圖上自左向右涂黑的地方要在對應的紋板上釘上紋釘。
2.1.3 正交板材預制件的織制
織制正交結構的板材預制件的步驟，包括“整經→穿綜→穿筘→織造”四個環節，在這四個環節中，先應該進行的是整經，整經時，將經紗的一頭纏在整經板一端的釘子上固定，按照“8”字形在整經板上來回纏繞，織造此織物時，總共用了72根經紗，整好后，先用一縷紗線將整經板上經紗來回纏繞時的交叉處綁好，以利于更加有效的分好經紗，然后再用小剪刀將纏繞在整經板兩端釘子上的經紗剪斷，將整好的經紗的一端吊在小樣織機的機后，在紗線的交叉處用分絞棒將經紗分好，剪斷綁住經紗交叉處的那縷紗線．就可以進行下一個環節-穿綜了。[-page-]
穿綜時采用順穿法，即把一個組織循環中的各根經紗逐一地順次穿在每一頁綜片上，一個組織循環中的經紗根數等于所需要的綜片頁數。穿綜時每次可以穿兩根，總共是用9片綜框，穿好后，將吊起的經紗放下，并用手大致將經紗梳理一下，以便于進行下一個環節-穿筘。
穿筘時采用筘號較小的30#鋼筘，每筘齒穿兩根，避免了因經紗較粗產生劇烈摩擦而斷頭。
釘紋板時一定要嚴格按照紋板圖來釘。一定要看清紋板在小樣機上的走向，織制此織物時所用小樣機的紋板走向是逆時針的，所以釘紋板時要采用自左向右、自上向下的方法，即紋板圖上下方的橫行要對應上邊的塊紋板，紋板圖上自下向上的第二行要對應自上向下的第二塊紋板，依次類推。每一橫行的涂黑部分均為需要釘紋釘的地方，釘紋釘時要自左向右釘，和紋板圖的順序一致。
做完這些工作后，取來預先準備好的緯紗，就可以開始織造了。
織造時，為了撐開布幅，應該先用較粗的縷紗織前面幾緯，然后再用幾根細鐵絲織接著的幾緯，再用縷紗織幾緯，后才可以用緯紗織制。織造時一定要注意打緯均勻，并且每次的送緯量也應該盡量一致，以保證布面的成形效果。
2.2 角聯鎖結構板材預制件
2.2.1 角聯鎖結構板材預制件的結構
角聯鎖結構板材預制件的經向截面圖如圖3所示，在圖中，1、2、3、4、5、6、7、8分別表示第l、2……8層經紗，黑點為緯紗，沒有垂紗，其上下各層的連接是靠各根經紗自身上下交織而成的，例如，第1根經紗上下游走于各層之間，參與了每層經紗的交織，同理，第2、3、4、5、6、7、8根經紗也參與了每層的交織，即所有經紗都參與了層間連接，這種結構的織物交織緊密，經紗屈曲量一致，制成的材料受力時，纖維受力均勻，因此，這種結構的織物制成的板材具有很高的抗沖擊強度和層間剪切強度，是一種理想的復合材料板材。
[-page-] 2.2.2 角聯鎖結構板材預制件的上機圖
角聯鎖結構的板材預制件的上機圖如圖4所示，左下方為組織圖，由組織圖可知，每8根經紗為一個組織循環，在此圖中，自左向右的第1、2、3、4、5、6、7、8根經紗分別對應其經向截面圖（即圖3中的第1、2、3、4、5、6、7、8根經紗）。由這兩個圖可以看出，在織制此角聯鎖結構的織物時，先織制上層織物，再織制第二層，再織制第三層，第四層……，其投梭順序為由上到下依次投第1、2、3、4緯，然后再由上到下投第5、6、7緯，再由上到下投第8、9、10、11緯……直到投完下層的第56緯，然后重復從第1緯到第56緯的操作，依次類推。由此可知，織制此織物時每56緯為一個完整的投梭循環。組織圖的上方為穿綜圖，穿綜仍然采用順穿法，總共使用了8片綜框。穿筘仍采用一筘齒兩入，在此并未畫出穿筘圖。紋板圖仍然位于組織圖的右方，因為每投56緯才能完成一個投梭循環，所以總共使用了56塊紋板。[-page-]
2.2.3 角聯鎖結構板材預制件的織制
角聯鎖結構板材預制件的織制方法和正交結構板材預制件的方法大致上是一樣的，都是分為四個步驟“整經→穿綜→穿箱→織造”。不同的是該角聯鎖結構的總經根數為80根。
先在整經板上將經紗整好，并將其吊在小樣織機上，接著開始穿綜，穿綜時仍然采用順穿法，將各根經紗依次穿入第1、2、3、4、5、6、7、8片綜框。然后開始穿筘，穿筘時仍采用筘號較小的30#鋼筘，每筘齒穿兩根。后開始釘制紋板，釘紋板時和前面完全一樣，要按照自左向右、自上向下的原則釘制，并保證紋釘能緊緊的釘在紋板上，避免織造時紋釘脫落而影響織造。取來緯紗，就可以織造了。
織造時注意先用幾縷較粗的紗線和幾根細鐵絲撐開布幅，然后再開始織造。由于該角聯鎖結構的紋板數為56塊，因此使用了小樣織機上的一個撐起紋板的裝置，即在小樣織機右方增加了兩個木制軸，這樣就可以使用多塊紋板了。
3 結 語
通過對兩種三維立體機織物板材預制件的試織，在小樣織機上得到了纖維增強復合材料板材的預制件，證明只要通過經向截面圖確定投梭路徑圖，此三維立體機織物完全可以用普通織機織造出來，但是也存在許多問題，由于受到小樣織機綜框數量的限制，不能織造出層數太多的板材預制件，一般采用手糊成型工藝對其進行復合材料整理。通過前人對三維立體機織物板材預制件的研究測試發現，三維立體機織物有著非常優越的力學性能，例如，極佳的層間剪切強度、承受載荷時變形小而強力大、較好的抗沖擊損傷性、較高的比強度與比模量和適宜的韌性等等，能夠達到取代傳統的層合板的目的，為輕質高強的材料。
