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

1 引言

紡織復合材料是以紡織纖維及其結構體實現性能增強的先進復合材料。三維編織復合材料是紡織結構復合材料的重要分支，利用三維編織技術，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)復合，從而制成三維編織復合材料制件。

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

在三維編織復合材料異形件方面，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，可廣泛應用于航空、航天、能源、交通、體育等領域，但鮮見相關報道。

2 基本假設

為了進行工藝計算，先建立如下假設：

（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，編織結構均勻穩(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，常以主體紗的行數和列數命名，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，n+1 表示紗線器的列數，計算編織紗的根數，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，如公式（5）：

Ns=2×N= 2×m×n+2×m+2×n

3.3 工藝步驟

（1）根據紗線器的初始位置和總紗線根數準備紗線器和初始位置排布；

（2）根據四步法工藝，開始進行m×n 三維編織，編織到tmm 的位置上，兩側各減k根紗線，并預留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，兩端預留qmm 的長度；

（4）兩側各增加k 根紗線，上端頭預留qmm 的長度，恢復原m×n 三維編織，繼續(xù)編織tmm 長；

（5）三維編織物兩側各甩出紗線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

例如分支結構為9×9 三維編織結構的十字形三維編織物：

（1）總紗線根數=（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 結構的三維編織物的編織，紗線根數=9×9-1=80，編織長度為200mm；

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

（4）兩側各增加18 根紗線，恢復原9×9 編織結構，預留長度400mm；

（5）原有44 根紗線與兩側新加入的36 根紗線，繼續(xù)進行9×9 結構三維編織物的編織，編織長度200mm；

（6）利用織物兩側預留的紗線繼續(xù)進行9×9 結構三維編織物的織造，獲得分支結構為9×9 的三維編織十字織物。

5 結語

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