縱向厚度漸變三維機織物經紗固結方式設計

韋鑫　沈蘭萍　雷蕾

摘要：縱向厚度漸變三維機織物作為紡織預制件，對形成復合材料是重要的增強體，其結構設計存在重要的價值。據此，對縱向厚度漸變三維機織物進行多層正交、多層角聯鎖、多層接結3種基礎結構進行設計，通過逐漸減少織物層數實現厚度方向的變化，同時對減掉的經紗進行固結方式設計，以保證織物結構的相對穩定。最后通過對固結紗進行抽拔測試，實驗結果表明：最佳固結方式為“S”型固結，最佳結構為多層接結。

關鍵詞：結構設計；固結方式；抽拔實驗

中圖分類號：TS105.1

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）06-0040-05

Warp Consolidation Design of Threedimensional Woven Fabricwith Longitudinal Gradient Thickness

WEI Xin， SHEN Lanping， LEI Lei

（School of Textile and Materials， Xi'an Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract：The threedimensional woven fabric with longitudinal gradient thickness as textile preformed part is a very important reinforcing material to form a composite material， and its structural design also has very important value. Accordingly， three kinds of structural design were carried out for threedimensional woven fabric with longitudinal gradient thickness， including multilayer orthogonal， multilayer angular interlocking， and multilayer connection. A change in thickness direction was achieved by gradually decreasing the fabric layers. At the same time， consolidation design was done for the lost warp yarns to ensure the relative stability of the fabric structure. Finally， through pulling test of the consolidation of yarn， the experimental results show that： the best consolidation mode is the type of “S”， and the best structure is multilayer connection.

Key words：structural design； consolidation mode； pulling test

隨著技術的進步，各行各業所用的材料正逐漸向更輕質、更高性能、加工更方便方向發展，復合材料也逐漸在各行業廣泛應用。三維紡織類增強材料由于其優異的整體性能正逐漸受到大量的關注和應用[1]，用三維機織物作為復合材料的增強體時，除了平面板狀之外，還有各種截面變化的三維機織物[25]，變截面三維機織物包括橫向變截面、縱向變截面、縱橫雙向變截面3種類型[6]，縱向厚度漸變三維機織物屬于板狀中的一種，在織物縱向有厚度變化，可用于風電葉片、發動機葉片、風扇葉片等厚度漸變型材料的預制件[7]。這種形狀的三維機織物可以由3種織造方式實現：第1種是逐漸減少織物層數實現厚度變化，第2種是通過逐漸減少接結紗數量實現，第3種是通過改變緯紗規格的方式實現[8]，也可以結合這幾種方式來共同實現更大的厚度變化。本文采用第1種方式來實現厚度變化，這種方式在織物表面會留紗頭，為減少織物表面的勾絲，對剪斷的經紗進行一定方式的固結。

1縱向厚度漸變三維機織物的結構設計

縱向厚度漸變三維機織物是指通過機織的方法，在織物縱向（經向）形成一定厚度變化。對3種結構（多層正交、多層角聯鎖、多層接結）進行織物結構設計，如圖1—圖3所示。

2厚度變化處固結紗固結方式設計

通過減少織物層數（減經紗）的方式實現織物厚度變化，厚度變化處織物的結構穩定性不好，因此必須對減掉的經紗進行一定的固結。而不同固結方式對織物結構穩定性影響不同，即減掉的紗線在織物中所受的力不同，固結比較緊的紗線，不容易滑脫、抽拔出來，織物結構更穩定；固結相對較松的紗線在未來使用過程中比較容易滑脫，織物易損壞，整體性不好，會影響織物的使用價值、工業價值等。

為了分析判斷固結方式對織物穩定性的影響，設計了3種不同的固結方式，以角聯鎖結構43層為例，前6列為三層織物的組織圖，最后2列為固結紗運動組織圖。由于固結是在三層結構的織造過程中進行固結，因此將固結紗的組織圖和三層結構的組織圖結合。

2.1豎“1”型固結

第1種固結方式設計為最簡單的豎“1”型固結，如圖4所示。將最上層經紗置于最下層，并剪掉經紗，再進行下一厚度組織的織造。

圖4（b）中，最后2列全部空白表示全部為緯組織點，不進行織造，即在織造三層結構前，將第7和第8頁綜框下降并剪掉其上的經紗，就實現了豎“1”型固結。

2.2下上下“S”型固結

仿照了平板狀三維機織物的結接有貫穿結接與若干層間結接的方式，以此為參照，設計了層與層間的固結，固結次數為3次。下上下“S”型固結方式是指在變厚度處，將最上層經紗在下一厚度組織中進行前三緯的固結，之后將最上層經紗剪掉。圖5為固結經紗與緯紗交織狀態，按照起絨織物對絨根固結方式的命名，可以稱其為“S”型固結。

圖5（b）中最后2列為固結紗的組織圖，前6列為三層結構的組織圖。即在織造三層組織時，織造前，將第7和第8頁綜框下降，然后穿梭，再打第一緯；打第二緯前，將第7和第8頁綜框提升，然后穿梭，再打第二緯；打第三緯前，將第7和第8頁綜框下降并剪掉綜框上的經紗，然后穿梭，再打第三緯，這樣就實現了“S”型固結。

2.3整體換層“N”型固結

整體換層“N”型固結類似于結接組織中的貫穿結接，如圖6所示，最后兩頁棕是在織物整體厚度方向上進行貫穿。從剖面圖的狀態來看，固結的形狀像“N”字形，因此可以為其命名為“N”型固結。這種固結方式貫穿層數太多，經紗張力差異較大，打緯阻力很大，很有可能會在布面出現較長的浮長點，而從厚度方向上來看相鄰兩個層數變化組織間可能會出現空隙，厚度越大，縫隙會越大。

圖6（b）中最后2列為固結紗組織圖，在織造三層結構前，將第7和第8頁綜框下降，然后開始織造三層結構，前三緯，固結紗不進行變化。在打第四緯前，將第7和第8頁綜框提升，然后穿梭，打緯，織造第四緯到第六緯；打第七緯前，將第7和第8頁綜框下降并剪掉其上的經紗，這就實現了“N”型固結。

2.4試樣織造

由于本文屬于基礎研究階段，因此采用比較廉價的高強滌綸作為原料，在小樣織機上進行織造，織造過程中其織造參數如表1所示，織物實物圖如圖7所示。

3固結紗抽拔力測試及結果

3.1固結紗抽拔力測試

為分析固結方式對織物結構穩定性的影響，通過對織物中固結紗進行抽拔，測量抽拔過程中所需要的最大力，對其進行記錄并繪制表格或折線圖，觀察其數據變化規律，分析固結方式對抽拔力的影響，得到最佳固結方式。

測量單紗的拉伸斷裂強力的過程，是通過對規定尺寸的單紗試樣，以恒定伸長速度拉伸至斷脫，而紗線的抽拔，是以恒定伸長速度拉伸織物中的紗線直至拔出，參考單紗強力測試實驗，設計了類似的實驗。類似可以用織物強力機測出織物的拉伸斷裂強力一樣，用它夾持織物的一端，另一端中間處于自由狀態，兩端被夾持，測量中間未夾持部分紗線的抽拔力。

采用YG020A型電子單紗強力機進行抽拔力測試。圖8為織物測試試樣的剪口端。其測試結果如表2所示。

3.2結果與討論

3.2.1同一結構不同固結方式抽拔力分析比較

以多層接結結構為例，進行固結紗抽拔力分析比較，圖9為3種固結方式下固結紗抽拔力結果。

由圖9中可以看出：隨著層數越來越多，抽拔力越來越??；“S”型固結抽拔力最大，其次為“N”型固結，“1”型固結下抽拔力最小。

層數越多時，紗線在織物中參與交織長度越短，因此所受摩擦力越小，抽拔時所測抽拔力越小。在同一層數變化時，“S”型固結屬于層間固結，紗線屈曲較大，在織物中參與交織，與兩層緯紗均形成了經緯組織點；“N”型固結屬于整體固結，在織物整個厚度方向進行固結，紗線屈曲較少，與織物層間沒有交織，未形成組織點，因此較“S型”固結方式下的抽拔力??；“1”型固結只對經紗進行了一次固結，沒有與緯紗無交織，未形成組織點，因此抽拔力最小。

3.2.2同一固結方式不同結構抽拔力分析比較

以上得出“S”型固結方式最好，對比在“S”型固結方式下，各結構織物的抽拔力，分析結構對抽拔力的影響，圖10為各結構固結紗抽拔力結果。

由圖10中可以得出：相同層數時，多層接結結構抽拔力最大，其次是多層角聯鎖、最后為多層正交。

由剖面圖可以看出：相比于其他兩種結構，多層正交結構最疏松，同時也最薄，固結紗在織物中所受到的阻力最小，因此抽拔力最小。多層角聯鎖結構中，接結點都在同一方向，其中一根固結紗與織物形成3次交叉，而多層接結結構中接結紗接結點不在同一方向上，其中一根固結紗與織物形成5次交叉，抽拔時所受到摩擦力更大，兩種結構中的另外一根固結紗與織物交織次數相同，因此多層接結結構抽拔力大于多層角聯鎖結構。

4結論

通過對3種基礎結構進行設計，順利織造出了縱向厚度漸變三維機織物。對被減紗進行固結方式設計，并對其進行抽拔力測試，得到：在3種固結方式中，“S”型固結最好，對織物的結構穩定性影響最?。弧癝”型固結方式下，多層接結結構最穩定。這將為在改變織物層數方式下，織造三維厚度漸變機織物提供一定的理論參考。

參考文獻：

[1] 李嘉祿，陳利，焦亞男.三維整體編織復合材料的結構和主要力學性能（英文）[J].西安工程大學學報，2009（2）：500-506.

[2] 祝成炎，田偉，申小宏.縱向變截面立體機織結構與組織設計[J].浙江工程學院學報，2003（2）：21-24.

[3] 祝成炎.非平面狀3D結構織物及其織造技術綜述[J].浙江工程學院學報，2000（2）：3-7.

[4] 祝成炎.3D立體機織物及其復合材料[J].絲綢，2005（1）：44-47.

[5] 李剛，郭興峰，劉蘭芳.三維機織物的設計與織造方法探討[J].河北紡織，2008（1）：17-22.

[6] 祝成炎.漸變形截面立體機織結構及其復合材料[C].//中國復合材料學會.中國復合材料學會2004年年會論文集.北京：2004.

[7] 曾文敏.連續變厚度平面板狀三維機織物的研制[D].上海：東華大學，2015.

[8] 王鵬.變厚度三維機織物的制備與結構分析[D].上海：東華大學，2012.

（責任編輯：張會?。?/p>