参证材料三维角联锁织物的开发与探究.docx

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参证材料三维角联锁织物的开发与探究

参证材料--三维角联锁织物的开发与探究

参证材料--三维角联锁织物的开发与探究武汉纺织大学2011届毕业设计论文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。

FrankK．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。

2.1.3针织的三维织物针织物作为增强复合材料，由于具有线圈结构，一般地讲纤维的含有率要比机织物、编织物作为增强复合材料要低。

它分为经编和纬编两种，经编的纤维含有率要比纬编的高。

纬编的最大弱点是结构的膨松性，导致纱线的密集度最低，使纬编结构件的应用受到限制。

最近几年已经大量开发多轴经编（MWK）三维结构件。

多轴经编织物生产原理是把0度的经纱层、90度的纬纱层、±ɑ角的斜铺纱层用一把满穿的梳栉做经平或编链运动固定在一起。

该织物的主要特点是各铺垫方向的纱线都呈直线平行排列，可以迅速地通过纤维材料最大地承担载荷，而不像机织物中的纱线弯曲交织系统。

经编织物可以生产出各种形状的最终产品。

在这种织物中，经、纬纱依据所需要的几何结构来放置，以使织物结构能适合于特殊要求。

沿着受力方向出发点是经纱变化的铺放，纱层可以与加工方向成0～90度沿整个织物宽度铺放；纱线作纬斜向铺放可以出现在任何位置，以作为织物纬向额外加强；部分采用多轴向结构，它能在相应的方向承受外力；还可以以波动的形状在有关方向铺放纱线以承受外力；材料在变形加工过程中保证其在临界处扭曲。

为此多轴向经编织物在飞机、宇宙飞船、船舶制造、地面和地下工程构建及运动器材制造方面得以广泛应用[8]。

2.1.4正交非织造三维织物当机织三维织物开发很久并投入生产时，人们又开发出一种正交非织造三维织物，主要用于航天工业作特种复合材料。

开发正交非织造三维织物的先驱者是航空公司，诸如通用电器和AVCO。

纤维材料公司在此基础上进一步开发了正交非织造织物。

法国欧洲动力公司和Brochiere及日本聚合物和纺织品研究所都致力于研究正交三维非织造织物生产工艺的自动化[9]。

2.2三维织物的发展趋势

（1）机织三维织物目前生产三维机织物的工艺不少，专利报导三维织机物的生产及生产设备的也很多。

如角度联锁织物，蜂窝状三维织物，还有三维无交织织物等。

机织三维织物大多都需要在特种织机上生产，但是有的也可以在传统的有梭织机上生产。

其中角度联锁织物就是机织三维织物的一种，它在织物的厚度上明显优于传统的织物，而且它具有易于变形的特点，所以目前已经被广泛的应用于平板型增强材料。

角度联锁织物可以被分为经角度联锁织物和纬角度联锁织物，在实际使用过程中经角度联锁织物使用较多。

经角度联锁织物有一个系统的经纱和多个系统的纬纱组成，经纱和各层纬纱呈角度依次交织。

根据我们实际的要求，可以设计成两层、三层、四层乃至更多。

如图2—l所示，是七层经角度联锁织物的纵向截面图。

图2—1三维角联锁织造组织

（2）三维整体编织织物三维异型整体编织技术是一种新型纺织技术。

它有两个比较突出的特点：

（1）采用此技术编织的织物中，纤维在三维空间中沿着多个方向分布并相互交织在一起形成不分层的整体结构。

因此由它制成的复合材料制件具有高强度、不分层、基体损伤不易扩展、高抗冲击性能和综合力学性能好，以及耐烧蚀、抗高温、热绝缘性能好等独特的优点。

（2）采用此技术可以直接编织出各种形状、不同尺寸的整体异型预制件。

图2-2为三维交织织物的形成示意图。

图2—2三维交织织物形成示意图用这些预制件制成的复合材料制件不需再加工，这就避免了由于加工所造成的纤维损伤。

此外，此技术完全适用于编织各种高性能纤维，例如：

碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等。

因此，三维异型整体编织物是先进多功能复合材料制件和主承力复合材料制件理想的增强体织物。

三维整体编织的纱线是从一个方向喂入的，织造过程大体上可以分为两个步骤：

首先，携纱器按一定规律运动，使纱线在空间相互交织：

然后，通过打紧运动将交织纱线挤压在一起，形成具有一定紧度、一定形状的整体。

它的主要优点是：

编织三维织物从理论上讲可以达到任意厚度，而且是不分层的整体网状结构；再有，可以直接编织成不同形状的异型件。

如图2—3中的各种形状的异型件都可以一次编织成型。

用这样的织物做复合材料不需要再加工了，避免了由后加工造成的纤维损伤。

图2—3三维整体编织的异型件三维编织件（织物）在基体复合固化后，就形成了三维编织复合材料，三维编织件和复合材料除了具有传统复合材料重量轻、强度高等优点。

目前，三维编织复合材料已在航空航天、船舶、汽车、建筑、人造生物组织及其他领域里得到了应用，使复合材料科学发生了质的飞跃，提升到一个新的平台。

（3）针织三维织物三维织物不同于二维织物，它不是常规纺织制造技术力所能及的。

现在，各国都在发展不同的工艺。

如：

美国、法国、日本和德国的三维纺织品的织造大都采用机织或编织技术，而用针织技术来织造三维织物依然十分稀少。

叠层织物是三维针织品的一种，在该制品中两种独立的织物结构通过纱线或织物层结合在一起。

这种织物也称为双面织物，一般用来制作天鹅绒织物。

在这类织物中交叉线连接起来的三维叠层结构可以被切割分为两块天鹅绒织物。

当用作增强复合材料时，整体化的三维纺织叠层结构复合材料具有高抗冲击力、高抗脱层强度、高硬度、高强度、低重量。

近几年来，三维叠层织物一直用作泡沫层压制品的代替品，用于汽车上尤其多。

现在，三维叠层织物主要用机织与经编技术进行制造。

当电子针织横机用来生产这类织物时，可以考虑两种类型的产品，即有交叉线连接起来的两层独立织物结构，与由织物层连接起来的两层织物结构。

针织横机技术为三维产业用织物的生产提供了新的可能性，现代电子针织横机能生产两种三维纬编针织物，即三维叠层织物与三维成型织物。

这几类针织物不仅可作为增强材料，而且还可以激发想象力，扩大到新的应用范围。

（4）正交非织造三维织物现在的三维纺织品绝大多数的是机织和针织的，限制了产品的生产速度、幅宽及产品的厚度。

而三维非织造技术使高速生产三维纺织品成为可能，并且在生产同时还可以加入其他成分，如粉墨、液体、泡沫、金属丝等。

角度联锁织物是机织三维织物的一种，它在织物的厚度上明显优于传统的织物，而且它具有易于变形的特点，所以目前已经被广泛的应用于平板型增强材料。

角度联锁织物的另-特点是便于在传统织机上织制，故作为本研究选题考虑的因素之一。

3三维角联锁织物的设计及开发角联锁织物（角联锁组织）织物，它有经角度联锁（多重纬角度连锁）织物和纬角度联锁（多重经角联锁）织物之分。

在实际使用过程中，经角联锁织物使用的比较多，经角联锁织物是有一个系统的经纱和多个系统的纬纱交织而成，经纱和各层纬纱成角度依次交织。

根据我们实际的要求，可设计成两层、三层、四层、五层等等[10]，因为角联锁织物的物理机械性能与其层数密切相关。

根据开发和研究的需要，本实验决定设计生产从二层织到九层，共8块布样。

3.1原料的选择要满足强力的需要，经纬纱应选用强力较高的玻璃纤维，并且玻璃纤维的成本比较低，但由于条件的限制，我们没用玻璃纤维，改用了其他纱线。

经纱采用21英支双股涤纶缝纫线，纬纱分别采用7英支的白色棉纺纱和7英支的金色棉纺纱以及21英支双股缝纫线。

由于所用的小样织机规定的纬密不能超过750根／10厘米，而所织角度联锁织物层数又多，所以每一层的纬密就会非常的小，但产业用纺织品需要有一定的厚度，为此，本实验选用的纬纱相对较粗。

3.2经纬密、筘幅、筘号的确定所用的小样织机的公制筘号为168根／10厘米；选用总经根数为496根；每筘齿2入。

经密不变，为336根／10厘米。

纬密每一层均确定为70根／10厘米。

3.3二到九层三维联锁织物的组织开发与设计此次设计的是经角度联锁织物，经角度联锁组织的设计步骤是[11]:

①确定所需织物的层数；②画出纵向截面图；③计算经、纬纱完全组织循环数，Rj、Rw和经向飞数Sj，计算公式为：

Rj=P（层数）+1Rw=Rj×P=P×（P+1）S=P最长浮长线fm=2P-1上式中：

Rj—经组织循环数Rw—纬组织循环数P—角度联锁织物的层数S—织物组织飞数fm—织物组织中最长浮长线④由纵向截面图，画出组织图第一根经纱的浮沉规律：

⑤由第一根经纱的组织图和经向飞数Sj，依次画出其它各根经纱的交织规律。

经角度联锁织物采用顺穿法。

（1）二层角联锁组织的组织设计①有关计算与参数经密为336根／10厘米，纬密为140根／10厘米，每筘齿2入．Rj=P+1=2+1=3Rw=Rj×P=3×2=6fm=2P-1=2×2-1=3S=P=2②画出结构示意图和组织图，如图2—6所示，其中（a）为结构示意图，（b）为组织图:

l—经纱2—纬纱（a）（b）图3—1二层角联锁组织织物结构示意图和组织图③该小样的实物图见图3—2所示:

图3—2两层三维角联锁组织实物图

（2）三层角联锁组织的组织设计①有关计算与参数经密为336根/10厘米，纬密为210根／10厘米，每筘齿2入。

Rj=P+1=3+l=4Rw=Rj×P=4×3=12fm=2P-I=2×3-l=5S=P=3②画出结构示意图和组织图如图3—3所示，其中（a）为结构示意图，（b）为组织图:

l-经纱2-纬纱（a）（b）图3—3三层角联锁组织织物结构示意图和组织图③该小样的实物图见图3—4所示图3—4三层三维角联锁组织实物图（3）四层角联锁组织的组织设计①有关计算与参数经密为336根／lO厘米，纬密为280根／10厘米，每筘齿2入。

Rj=P+l=4+l=5Rw=Rj×P=5x4=20fm=2P-1=2×4-1=7S=P=4②画出结构示意图和组织图如图3—5所示，其中（a）为结构示意图，（b）为组织图:

1—经纱2—纬纱（a）（b）图3—5四层角联锁组织织物结构示意图和组织图③该小样的实物图见图3—6所示：

图3—6四层三维角联锁组织实物图（4）五层角联锁组织的组织设计①有关计算与参数经密为336根／10厘米，纬密为350根／10厘米，每筘齿2入。

Rj=P+l=5+1=6Rw=Rj×P=6x5=30fm=2P-l=2×5-1=9S=P=5②画结构示意图出和组织图如图3—7所示，其中（a）为结构示意图，（b）为组织图:

1—经纱2—纬纱（a）（b）图3—7五层角联锁组织织物结构示意图和组织图③该小样的实物图见图3—8所示:

图3—8五层三维角联锁组织实物图（5）六层角联锁组织的组织设计①有关计算与参数经密为336根／10厘米，纬密为420根／10厘米，每筘齿2入。

Rj=P+l=6+l=7Rw=Rj×P=7x6=42fm=2P-1=2×6-1=11S=P=6②画出结构示意图和组织图如图3—9所示，其中（a）为结构示意图，（b）为组织图:

l—经纱2—纬纱（a）（b）图3—9六层角联锁组织织物结构示意图和组织图③该小样的实物图见图3—10所示：

图3—10六层三维角联锁组织实物图（6）七层角联锁组织的组织设计①有关计算与参数经密为336根／10厘米，纬密为490根／10厘米，每筘齿2入。

Rj=P+l=7+1=8Rw=Rj×P=8×7=56fm=2P-1=2×7-1=13S=P=7②画出结构示意图和组织图如图3-ll所示，其中（a）为结构示意图，（b）为组织图:

1—经纱2—纬纱（a）（b）图3-1l七层角联锁组织织物结构示意图和组织图③该小样的实物图见图3—12所示:

图3—12七层三维角联锁组织实物图（7）八层角联锁组织的组织设计①有关计算与参数经密为336根／10厘米，纬密为560根／10厘米，每筘齿2入。

Rj=P+l=8+1=9Rw=Rj×P=9x8=72fm=2P-1=2×8-1=15S=P=8②画出结构示意图和组织图如图3—13所示，其中（a）为结构示意图，（b）为组织图:

l—经纱2—纬纱（a）（b）图3—13八层角联锁组织织物结构示意图和组织图③该小样的实物图见图3—14所示：

图3—14八层三维角联锁组织实物图（8）九层角联锁组织的组织设计①有关计算与参数经密为336根／10厘米，纬密为630根／10厘米，每筘齿2入。

Rj=P+l=9+1=10Rw=Rj×P=10x9=90fm=