参证材料--三维角联锁织物的开发与探究.doc

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XChen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。XChen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XChen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。Frank KKO，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29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、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090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2l所示，是七层经角度联锁织物的纵向截面图。图21 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22 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23 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23 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:确定所需织物的层数；画出纵向截面图；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=RjP=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由纵向截面图，画出组织图第一根经纱的浮沉规律：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=3 Rw=RjP=32=6fm=2P-1=22-1=3 S=P=2画出结构示意图和组织图，如图26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31 二层角联锁组织织物结构示意图和组织图 该小样的实物图见图32 所示:图32 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=4 Rw=RjP =43=12fm=2P-I=23-l=5 S=P=3画出结构示意图和组织图如图33 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33 三层角联锁组织织物结构示意图和组织图该小样的实物图见图34 所示图34 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=5 Rw=RjP=5x4=20fm=2P-1=24-1=7 S=P=4画出结构示意图和组织图如图35 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35 四层角联锁组织织物结构示意图和组织图该小样的实物图见图36 所示：图36 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=6 Rw=RjP=6x5=30fm=2P-l=25-1=9 S=P=5画结构示意图出和组织图如图37 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37 五层角联锁组织织物结构示意图和组织图该小样的实物图见图38 所示:图38 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=7 Rw=RjP=7x6=42fm=2P-1=26-1=11 S=P=6画出结构示意图和组织图如图39 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39 六层角联锁组织织物结构示意图和组织图该小样的实物图见图310 所示：图310 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=8 Rw=RjP=87=56fm=2P-1=27-1=13 S=P=7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该小样的实物图见图312 所示:图312 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=9 Rw=RjP=9x8=72fm=2P-1=28-1=15 S=P=8画出结构示意图和组织图如图313 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313 八层角联锁组织织物结构示意图和组织图该小样的实物图见图314 所示：图314 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=10 Rw=RjP=10x9=90fm=2P-1=29-1=17 S=P=9画出结构示意图和组织图如图315 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315 九层角联锁组织织物结构示意图和组织图该小样的实物图见图316 所示：图316 九层三维角联锁组织实物图4 角联锁小样织物的上机织造在国外，机织三维织物大部分需在特种专用织机上生产，但有的也可在传统织机上生产。角联锁组织织物完全可以在传统的有梭织机上进行生产，对设备不需要作改造。为提高织造质量和效率，本实验用的是实验室有Y200S型电子小样织布机，共有16页综,因此，所设计的纹板图不能超过16片综，绞综起牵扯纬纱的作用，避免纬纱卷入布身。4.1 织造过程整经：由于所用综片较少，采用顺穿法。可利用前后马达使张力适中。画纹板图：打开打样图菜单，输入最小循环纬纱数，在自动出现的意匠纸上设置好纹板图。测试：打开测试系统，从钢筘、剑杆、边剪、色纬到绞综、综框依次测试，看运作是否正常、开口是否清晰。织造：打开小样机，找到所设置好的纹板图，按下设置键，然后开始织造。4.2 制造过程中出现的问题 4.2.1 绞经的问题最初生产时绞边效果并不理想，时常出现纬纱绞不住的现象，经过仔细研究发现，使绞纱从导纱杆下面绕过小铁条便可给边纱以适当张力，即可取得理想效果。4.2.2 经纱张力方面的问题在织造时，由于极少数经纱的张力不匀，使其张力大大高于其他经纱的张力，所以在织造过程中，布面上会出现因那极少数经纱张力不匀而造成的布面上一整条类似于疵点的布面瑕疵。经过将织机后的经纱全部解开，重新在调整张力所以经纱张力一致均匀，从而使布面平整。 4.2.3 无法织造的问题开始织造常出现打纬不在正常位置上而无法织造的问题，这是经纱张力不均造成的，需慢慢调整织机后面的张力装置。总体来讲，尽管所织层数较多，但由于各根经纱是对称的，除了出现一些经纱断头张力不匀等小问题外，织造还算顺利，本实验共织出29层等8种织物。 5 角联锁织物的应用前景展望经角联锁组织织物，即三维经角度联锁织物，从结构上讲，织物厚度的增加是因为纬纱的重叠和经纱的联锁，使织物的经纱有比较大的屈曲并且纬纱易移动，这些结构特征决定其有着广泛的用途前景。织物在经纱方向上具有很好伸缩性、断裂伸长率和能量吸收性能，这一特点正好满足许多绳、带的要求，如安全帽的一次成型、女士防弹衣的织造、蹦极运动的安全绳以及各种安全带等等12。51 角联锁织物在汽车安全带上的应用近年来随着汽车工业的高速发展，交通事故已经成为一个很大的问题。汽车与障碍物冲撞的一瞬间，速度骤减，由于惯性的作用，乘者会受室内物体二次冲撞或被甩出车外，为防止或减轻这种现象，汽车安全带的使用越来越普遍，许多国家在车中安装乘者的保护装置，强制乘者使用并正在加强或法律化。汽车安全带安装在车辆内部，当车辆紧急制动或撞车时，能限制佩戴者的身体移动，以防止或减轻佩戴者受到伤害。按其作用于身体上的部位，可分为腰带、肩带和腰肩连续带，一般安装在汽车内的驾驶座或前排座位上的安全带为腰肩连续带。座椅安全带能提高汽车碰撞时的安全性，它将人体用高强度的织带约束在座椅上，避免撞车时人体由于巨大的惯性而甩出车外或与车内其他部位第二次碰撞而造成伤亡。但安全带也必须有合适的拉伸变形来吸收能量，否则，乘者有可能被安全带挤压而受伤。其中肩带的拉伸变形可达40。大量关于使用效果的调查结果证明，安全带是十分直观有效的保护装置。因安全带本身具有一定弹性，当身体向前移动时，安全带产生弹性变形，能够吸收部分能量以减小安全带作用于身体的反力，减轻肩、胸、腰、胯部分受压伤的程度。但是安全带不能保护头部(含颈部)及下肢免遭撞伤。车祸一般是因为碰撞而造成的，当一辆时速50km的汽车突然制动或碰撞时，车上的人会猛然地向前倾倒。一个体重75kg的人会产生大约3t的冲力。使用安全带可以大大减少碰撞对人的惯性力，避免乘员在车内翻滚、碰撞而造成的伤害。据调查资料显示，在扣系安全带的情况下，汽车事故死亡率可减少21，而在车速为6090kmh范围内，佩戴安全带时的事故死亡率可减少68。安全带的力量虽然全作用在胸部和腹部，然而不仅胸部和腹部的重伤可以减少2060，而且颈椎和四肢受伤的概率都能大大减少。在正面相撞事故中，后座乘客占死亡人数的一半，重伤人数的三分之一，后座乘员系安全带可使受伤减少5070。如果不系安全带，后座乘员可能被抛向挡风玻璃或撞到车项，造成头部和脊椎重伤13。在汽车事故中，安全带吸收能量后，织物的伸长越大，就越能减少负加速度在人身体上产生的作用力(以人体不碰到汽车前部的东西为限)，但如果安全带的弹性过大，则急刹车时，乘客会向后反弹而造成伤害，因此成品安全带对伸长性能有严格的要求。织带既要牢固(强力大)，又要有一定的伸长，且伸长部分不能马上恢复，发生。事故后需更换安全带，就这一点来讲，用角联锁织物做成的安全带是最理想的。为了满足顾客对安全保护的高要求，安全带制造商正千方百计地设计只有更安全、更舒适的安全带，目前，充气式安全带、舒适型安全带、智能型安全带都己成为高档轿车可选配安全配置。安全带技术朝着电子化、舒适性方向发展，这正顺应了安全带与安全气囊优化匹配的发展方向，今后的安全带将更安全、更舒适。目前，汽车安全带的弹性主要靠安全带中的弹性纤维发挥作用，但这种弹性是急弹性，恢复太快，对人体不利。角联锁机织物不仅满足了安全带弹性的要求，能量吸收的要求，同时由于在碰撞时，织物的伸长不能立即恢复，这是因纱线之间的摩擦力所致，这一点正好是汽车安全带所需要的。52 角联锁织物在防护衣上的应用5.2.1 角联锁织物用于防弹衣纺织品用于防弹，已经被国内外广泛采用，当前多用高性能纤维制作成纺织面料，然后用多层叠加，做成防弹背心或其它防弹装置，由于多层叠加，使得防弹背心或防弹衣穿着很不舒服，尤其是女警察，防弹衣对胸部有压迫感，使身体健康受到影响，而采用角联锁织物来多层叠加则可大大减轻这种部舒适感14。5.2.2 角联锁织物用于安全帽等曲面构件二维服装面料制成三维服装时对服装三维曲面造型的适合程度成为服装面料的成形性，这个指标在当今愈来愈受到重视不同服装的空间曲面造型情况差别很大，所以对面料的成形性的要求也不同，对于安全帽等类，因其厚度增加，对面料的成形性要求更高，甚至不能一次成形。目前的纺织面料作为加强材料的安全帽，采用多块面料拼接，不仅费时，且强力受到影响，基于角联锁织物的可变形性或者说良好的成形性，为曲面服装构件一次性成型，提供了良好的条件15。5.3 角联锁织物用于复合板材探索5.3.1 复合材料概述复合材料是具有优异综合性能的新型材料，是20世纪中发展最迅速的新材料之一。由它的各种性能和功能可以根据需要进行设计，通过选择合适的基体和增强体，合适的组成配比，排列分布，充分发挥组成材料性能的优势，获得单一材料金属、聚合物、陶瓷等材料难以达到的综合性能，如高比强度、高比模量、耐腐蚀、隔热、耐磨等，为复合材料制品提供了很大的设计自由度。复合材料已在航天、航空、交通运输、基础建设中发挥了巨大的作用，成为这些领域产品性能提高和升级换代的关键材料。复合材料比一般的钢材、高分子材料的比强度、比模量要高出15倍。用复合材料做成的构件，重量轻、强度高、刚性大，是一种理想的结构件。复合材料产品制造工艺多数是最终形成型，制造出的产品，不需进行机械加工，生产效率高，制造成本低。复合材料在轨道交通中有广泛的应用，对减轻车厢重量，降低噪音、振动，提高安全性、舒适性，减少维修等均有重要作用16。在纺织复合材料中，纤维是主承载部分，起增强作用；树脂将纤维粘接成一个整体，赋予复合材料各种优良的性能。纺织织物主要包括机织物、针织物、编织物和缝合织物，其中又分为二维织物(又称为平面织物)和三维织物(又称为立体织物)。用于复合材料增强体的三维织物一般是指采用连续纤维织造而成的比较厚的织物，在此织物中纤维相互交织或交叉，并且沿多个方向取向，不但沿平面内取向，而且沿平面间取向，即沿厚度方向取向，从而使织物形成一个不分层的整体结构，完全克服了传统复合材料分层的缺点，从理论上讲三维纺织复合材料可以达到任意厚度，而且沿厚度方向有增强纤维通过，这就形成了不分层的整体网状结构。从不同结构的三维机织预制件的横截面看，沿织物的厚度方向有纤维通过，并且和沿其他方向分布的纤维相互交织、交叉在一起，是一个完全整体的结构，根本不存在“层”的问题。这就大大提高了三维编织复合材料沿厚度方向的性能和其他力学性能及功能，使它完全可以制作成主承力结构件和高功能制件。同时采用三维纺织技术除了可以织造矩形截面的预制件和圆筒型预制件以外，对于各种形状的异型件例如：工型梁、T型梁、十字梁、盒型梁、型梁、噩型梁、圆锥套体、圆柱体、横截面变化的制件等都可以一次织造成型。采用碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、芳纶等高性能纤维制作三维纺织复合材料制件，再加上三维纺织预制件结构上的特点，将会使三维纺织复合材料的性能大大提高17。三维纺织复合材料合成的关键在于三维纺织预制件的加工制造，其余的制造方法与普通结构复合材料的生产方法相似。目前三维纺织预制什的制造方法分为机织法、编织法、针织法和非织造法。对于这些生产技术国外已有不少报道，国内近几年虽也有所报道但相对较少。用于复合材料预制件的3D机织物按其结构特征与成形方法，可归纳为三大类：平板状、实柱状和中空状。平板状的结构特征有三维正交互联锁、三维斜交多重互联锁和三维多层角联锁组织织物。织造设备为普通小样织机。实柱状为无交织三维正交接结，需专用织机织造。中空状为平板层波形，带状连接。平板状三维机织物采用了多组经纱、纬纱，从而使织物的厚度增加，并且沿厚度方向纱线相互交织在一起，即按一般概念其“层”之间是相互连接在一起的，提高了“层”之间的抗剪切的能力19。各种三维织物结构及其变形如下图51 所示：(a)实心交织多层织物 (b)厚度变化实心多层织物 (c)矩形变形织物(d)内三互变形 (e)斜向互联锁 (f)通过经纱相邻层互联锁结构图5-1 3D织物结构及其变形三维机织复合材料(Three Dimensional Woven Composites，简称3D-WC)是利用机织加工方法将多个系统的纱线连为空间网状结构，然后在一定条件下与基体复合而得到的一种高性能复合材料。三维机织增强结构的特点是：经向和纬向的纱柬在平面内呈90度交织或排列，以提供复合材料的面内能量，而贯穿于结构厚度方向上的接结纱束则提供了材料的稳定性。由于厚度方向上增强纤维的存在，增加了材料的层间剪切强度，减少了分层现象，并提高了其抗冲击性能，以及弯曲疲劳性能。三维机织物有较强的仿形能力，能够一次成型具有异型截面的纺织预型件，如各种正交实心板、变厚度实心板、中孔结构箱式梁、析架式结构梁、工字梁等。三维机织复合材料主要优点是可以制成复杂几何形状的整体构件，这样减少材料消耗、零件加工和连接。另外，在制造三维预形件时，只需对标准的二维织机稍作修改即可使用，因此节省了制造费用。为满足特殊需要，近年来也研制了诸如螺旋轴型、导块型、剑杆型、分裂箱型、极坐标型用三维织机。另一优点是通过控制穿过厚度的增强纱(捆扎纱)，可生产出各种纤维增强结构，最普遍的是正交织物和层间联锁结构。通过调整经纱、纬纱和捆扎纱的数量和材料类型，能制造出满足特殊要求的预形件。研究认为三维机织复合材料有较高的冲击损伤抗力和低速冲击损伤容限。例如三维机织碳-双马来酞亚胺复合材料初始损伤所需冲击能量比同等纤维体积含量的二维层合板高出60以上。冲击性能的改善，是由于捆扎纱阻止或减慢了在冲击载荷作用下形成的脱层裂纹的增长。而且捆扎纱亦使三维机织复合材料在破坏