（中國紡織科學(xué)研究院有限公司 生物源纖維制造技術(shù)國家重點實驗室 北京 100025）

1 引言

紡織復(fù)合材料是以紡織纖維及其結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)性能增強的先進復(fù)合材料。三維編織復(fù)合材料是紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的重要分支，利用三維編織技術(shù)，首先將增強纖維編織成三維整體織物，再和基體(包括樹脂、碳、碳化硅、金屬等)復(fù)合，從而制成三維編織復(fù)合材料制件。

三維編織物最大的特點是沒有層的概念，一體成型，所以三維編織復(fù)合材料是完全的整體結(jié)構(gòu)，它的比強度和比模量高，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，在航天、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

在三維編織復(fù)合材料異形件方面，研究人員已做了大量的工作，但絕大部分研究都集中在變截面織物上[1-3]。十字形三維編織物適合制作板材的增強筋織物，可廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、交通、體育等領(lǐng)域，但鮮見相關(guān)報道。

2 基本假設(shè)

為了進行工藝計算，先建立如下假設(shè)：

（1）工件需求的纖維體積含量為Vf，單位為cm3；

（2）編織工藝相對穩(wěn)定，編織結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定；

（3）工件中同種紗線，具有相同的紗線細度和紗線填充因子；

（4）采用四步法1×1的編織形式。

3 工藝參數(shù)計算

3.1 纖維用量計算

工件所用纖維的密度用ρ 表示，單位為g/cm3。十字形工件的外形尺寸用L×L 表示,十字分支的寬度用W 表示，厚度用T表示，單位均為cm，如圖1所示。

根據(jù)外形尺寸，計算工件體積，如公式（1）：

工件體積V=(2×L -W)× W×T

利用基本假設(shè)中工件所需的纖維體積含量Vf，計算纖維的體積，如公式（2）：

纖維體積V纖=V×Vf

利用所得的纖維體積，計算纖維的用量，如公式（3）：

纖維用量m=ρ×V纖

3.2 紗線根數(shù)計算

紗線器在編織機底盤上的初始位置如圖2所示，圖中圓圈代表編織紗系統(tǒng)，方框內(nèi)部為主體紗，方框外圍為邊紗。在編織過程中，常以主體紗的行數(shù)和列數(shù)命名，如主體紗有m 行和n 列，則稱為m×n 三維編織。

圖1 十字形工件

在m×n 三維編織中，m+1 表示紗線器的行數(shù)，n+1 表示紗線器的列數(shù)，計算編織紗的根數(shù)，如公式（4）：

N=（m+1）（n+1）-1=m×n+m+n

在十字形編織物中，分為縱橫兩個分支，分兩次掛線編織而成，計算編織紗的總根數(shù)，如公式（5）：

Ns=2×N= 2×m×n+2×m+2×n

3.3 工藝步驟

（1）根據(jù)紗線器的初始位置和總紗線根數(shù)準(zhǔn)備紗線器和初始位置排布；

（2）根據(jù)四步法工藝，開始進行m×n 三維編織，編織到tmm 的位置上，兩側(cè)各減k根紗線，并預(yù)留qmm的長度，減紗規(guī)律如圖3所示，圖中圓點表示要減的紗線器，圓圈表示剩余的紗線器，剩余紗線器為m×[n-（2k+1）÷m]三維編織；

（3）利用剩余的紗線器進行m×[n-（2k+1）÷m]三維編織，如圖4所示，在編織長度等于織物寬度的過程中逐漸加入2k 根橫向增強紗，兩端預(yù)留qmm 的長度；

（4）兩側(cè)各增加k 根紗線，上端頭預(yù)留qmm 的長度，恢復(fù)原m×n 三維編織，繼續(xù)編織tmm 長；

（5）三維編織物兩側(cè)各甩出紗線Ns 根，利用這些紗線進行m×n 三維編織，作為十字織物的橫向分支，獲得十字三維編織物；

4 計算實例

例如分支結(jié)構(gòu)為9×9 三維編織結(jié)構(gòu)的十字形三維編織物：

（1）總紗線根數(shù)=（9×9-1）×2=160；

圖3 十字交叉位置減紗規(guī)律

圖4 十字三維編織物中紗線分布

（2）進行9×9 結(jié)構(gòu)的三維編織物的編織，紗線根數(shù)=9×9-1=80，編織長度為200mm；

（3）在編織物兩側(cè)各去除18 根紗線，預(yù)留長度400mm。剩余44 根紗線正好為5×9 三維編織結(jié)構(gòu)，繼續(xù)編織，編織10mm 過程中橫向均勻增加紗線36 根，兩端各預(yù)留400mm；

（4）兩側(cè)各增加18 根紗線，恢復(fù)原9×9 編織結(jié)構(gòu)，預(yù)留長度400mm；

（5）原有44 根紗線與兩側(cè)新加入的36 根紗線，繼續(xù)進行9×9 結(jié)構(gòu)三維編織物的編織，編織長度200mm；

（6）利用織物兩側(cè)預(yù)留的紗線繼續(xù)進行9×9 結(jié)構(gòu)三維編織物的織造，獲得分支結(jié)構(gòu)為9×9 的三維編織十字織物。

5 結(jié)語

該種十字形三維編織物內(nèi)部各處紗線根數(shù)相同，織物結(jié)構(gòu)緊密，一體成型，十字交叉點無明顯纖維根數(shù)變化，具有優(yōu)良的整體力學(xué)性能。可以在普通步進式三維編織機上實現(xiàn)，編織工藝簡單，可復(fù)制性強。作為增強筋應(yīng)用在板材中能極大地提高板材的力學(xué)性能，特別是剪切強度。與現(xiàn)有裁減方法相比，織物中纖維的連續(xù)性強，無斷紗產(chǎn)生的力學(xué)薄弱點，可廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、交通、體育等領(lǐng)域，以達到增加強度和減輕重量的目的。