多通管織物織造研究進展

景書娟，鄭天勇，李盛仙，張香俊，趙志祥

（中原工學院，鄭州450007）

多通管織物織造研究進展

景書娟，鄭天勇，李盛仙，張香俊，趙志祥

（中原工學院，鄭州450007）

分析了多通管織物的成型及織造難點，并介紹了目前多通管織物的織造方法，包括短纖維手糊法、針織法、編織法和機織法等.用短纖維手糊法和針織法所織造的多通管織物強力低；而編織法的加工機構復雜，設備必須定制，成本昂貴；在機織法中，三維織機所織造的多通管織物雖比較理想，但是生產成本較高，一般采用普通織機生產.

多通管；短纖維手糊法；機織法；針織法；編織法

多通管織物是一種類似于車輪輻條式的管狀3D織物（如圖1所示）.它由若干個直徑不一樣的管子在中心匯集而成，每個管子的直徑、組織結構可以變化，最簡單的是三通管和四通管織物.用這種織物作基體的復合材料比強度高、比模量大，因而在衛星桁架結構、航空材料上得到了廣泛應用.本文主要分析了多通管織物的成型及織造難點，并介紹了織造多通管織物的方法，如短纖維手糊法、針織法、編織法和機織法等.

圖1 常見的多通管織物圖

1 多通管織物成型及織造的難點

1.1 多通管織物成型的難點

多通管織物在普通織機上織造時是平面狀結構，下機后可撐開成立體狀，但織物中的管子多數不能正常撐開成圓形.即使是最簡單的每個部分都采用同樣的織物組織結構的T形管織物，若將該織物撐開成立體狀結構，由于織物中每個部分的伸長能力大致相當，織物撐開后的相貫線處會起皺，因此，撐開后的織物中每個管子都不能正常撐開，即使有撐開的管子，也僅為極少數.若從另外一個角度考慮，假如有能夠完全撐開的T形管織物存在，要將該織物壓成平面狀，則由于T形管中的縱、橫管子壓平后向不同的方向伸展，使得該T形管在撐開時相貫線上的一個點將對應于壓平后相貫線的上兩個點，對應情況如圖2所示，即圖2（a）中的c點（織物撐開時相貫線上的一個點）對應的是圖2（b）中的c1點（c點所對應的織物壓扁后縱向管相貫線上的一個點）、c2點（c點所對應的織物壓扁后橫向管相貫線上的另一個點）.這種情況不符合成型要求.

圖2 T形管織物成型難點圖

恰當的織物相貫線和織物組織的設計可以有助于織物中管子的無皺撐開，其中織物相貫線的設計較困難.即使是最簡單的多通管織物（T形管織物）的設計，對設計者專業知識和經驗的要求也很高，需要做相貫線的手工繪圖工作，自動化程度低，設計速度慢；若是復雜的多通管織物，設計人員幾乎無法對相貫線進行設計.

1.2 多通管織物織造的難點

為了使多通管織物能夠無皺撐開，要求織物具有一定的伸長能力.普通紗線的伸長能力一般在10%以上，利于多通管織物撐開成型.但是由于普通紗線的強力低，用這種織物制作復合材料意義不大.高強紗線雖然本身強力高，但其伸長率僅為1%～2%，且在織造時易產生靜電、起毛或勾絲糾纏，造成開口不清而斷頭，故織造這種多通管織物難度較大.

2 多通管織物的織造方法

多通管織物是一種用于制作三維紡織復合材料的骨架材料.三維紡織復合材料在工程上的應用始于20世紀60年代［1］，當時用來制作航空飛機的零部件及其他構件.隨著制造工藝的發展，三維增強紡織復合材料也得到了相應發展，其應用擴大到了汽車工業、土木工程、建筑、醫藥與體育等領域.1985－1997年，在以美國為首的研究部門通過的ATC計劃（Advance Composite Technology Program）的推動下，三維紡織預制件技術在先進復合材料制造方面得到了較大的發展［2－3］.

20世紀90年代中后期，北京航空制造工程研究所在國內率先開展了縫合／RTM復合材料的研究［4－8］.但這種方法已逐漸被淘汰，主要原因是用此方法生產的織物在一定的載荷下會存在易分層及抗沖擊性能和層間抗剪切性能較差等問題.此后，相繼出現了機織法、針織法、編織法、短纖維手糊法等方法［9－10］.

2.1 短纖維手糊法

手糊法是作業者用手工方法來制作復合材料的一種成型工藝.其工藝過程是：先在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子、壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻浸漬并排除氣泡，再涂刷樹脂混合物并鋪貼第二層纖維織物，重復上述過程，直至達到所需厚度為止.然后，在一定壓力作用下加熱固化成形（熱壓成形），或者利用樹脂體系固化時放出的熱量固化成形（冷壓成形），最后脫模得到復合材料制品.其生產效率受多種因素影響，如制品大小、厚度、形狀、精度要求、所用原材料和制品的生產規模、環境及作業標準的準備情況、工人的操作水平等，特別是生產環境、作業標準的準備情況及工人的操作水平對生產效率的影響最大.

使用該方法的最主要問題是，用此方法所生產的織物由于纖維的取向差而不能有效利用纖維的強度，導致織物的強度低，因此這種織物不適于制作三維復合材料的預制件.另外，此方法機械化程度低、生產周期長、所得產品質量不穩定、機械性能不高，因此該方法一直未得到人們的重視［11］.

2.2 針織法

有關三維針織物復合材料的研究較少.針織物用于復合材料的制作始于20世紀90年代［12－13］.針織物的最大特點是在織物中存在相互串套的紗圈.與機織物相比，針織物加工工藝流程短、產量高、成本低.由于紗圈相互串套，針織物復合材料的抗沖擊性好，具有較高的彈性.它的線圈受負荷時能產生較大變形.利用其變形大的特點，可制成形狀多樣的構件，如T形管.線圈可在復合材料中形成孔，并且由于孔邊纖維連續，從而減少了因纖維不連續而造成強度和承載能力降低的可能性［14－15］.

針織物因其變形大的特點可用作柔性增強復合材料的基體，但該特點也使這類復合材料具有尺寸穩定性差、容易變形等缺點，所以這類復合材料往往剛性不夠，不適宜用作承載構件.另外，針織物線圈的彎曲，雖提高了織物的整體可變形性，但同時也影響了織物的剛度和強度，且在加工成針織物時紗線也受到一定的損傷，從而降低了復合材料的力學性能，因而其用途受到限制.

2.3 編織法

三維編織法是最早應用于三維復合材料預制件制作的紡織工藝.20世紀60年代后期，出現了碳－碳三維編織復合材料，用于替代火箭發動機部件的高溫金屬合金，使發動機的重量減輕30%～50%.當時采用的是四步法編織，其特點是幾乎所有的編織紗線與面內和厚度方向之間偏離角度不大.用該方法所制編織預制件的紗線排列方式如圖3所示.20世紀80年代中期，出現了圓形編織四步法、六步法和多步法.后來，二步法編織和聯鎖編織亦得到普及，用這兩種方法所制得的編織預制件的紗線排列方式分別如圖4、圖5所示［11］.

三維編織預制件的空間結構決定了三維編織復合材料具有以下優點［16］：

（1）通過改變紗線的排列方式即可編織出形狀多樣的構件，并且加工復雜預制件的成本比較低；

（2）抗分層性能好，沖擊損傷容限高；

（3）能夠自動控制生產過程，從而提高生產效率和預制件質量.

從理論上說，幾乎任意形狀的構件都能用三維整體編織法生產，圖6所示即為三維編織T形管.但是由于三維編織復合材料預制件的尺寸問題（目前大多數工業編織機僅能生產截面寬度小于100mm的預制件，若要加工大尺寸的編織物，必須開發大型昂貴的編織機械），導致此方法的應用仍然不是很廣泛［17－18］.

圖6 編織T形管

2.4 機織法

用機織法所織造的多通管織物，其紗線在經、緯兩個方向上基本呈直線狀態，兩個方向上的織物強力都比較高，比采用編織法所得多通管織物強力高30%以上，是比較理想的基體材料.由于多通管織物為立體狀結構，所以在三維織機上織造較好，但目前三維織機正處于開發中，即使開發成功，其生產成本也將較高.因此，采用普通織機織造多通管織物比較理想.

1996年，Zhao L等報道了一種利用計算機新技術在普通小樣織機上織出的厚度與寬度相似的三維機織物［19－20］.2002年，顧平等通過實驗證明，利用“壓扁—展開”法在普通織機上織造三維機織物是完全可行的［21－22］.2005年，郭興峰等采用平紋組織，經紗和緯紗的線密度均為110tex的中堿玻璃纖維長絲，8頁綜框等，在多臂織機上織出縱、橫管半徑相同的T型管織物，它的經、緯紗密度均為62根／10cm.經計算，這種T形管織物面積的最大變化率達48%，已能滿足其在復合成型時45%的理論變形要求［23］.2008年，陳曉鋼等通過設計合理的上機工藝，采用三維緯向正交組織結構，在電子提花織機上織出了T形管織物.該研究對組織結構為正交組織結構且造型復雜的復合材料預制件的設計具有一定參考價值［24－25］.姚駿采用幾種不同設計思路在電子提花織帶機織出了相應的T形管織物［26］.本文作者通過設計一種可以使織物自伸長的織物組織結構及合適的織物相貫線，在提花織機上進行試織，所得T形管織物的伸長能力超過20%；用這種方法所得T形管織物有著較好的變形能力，可以滿足其復合成型時的變形要求.織物實圖如圖7所示.從圖7可以看出，T形管織物在相貫線附近容易起皺.可見，要使T形管織物能無皺撐開，關鍵是提高相貫線附近的織物變形能力.

圖7 T形管機織物圖

3 結 語

（1）采用三維機織物成型的多通管織物雖是最理想的基體材料，但其生產成本高，因此一般在普通織機上生產.隨著紡織復合材料應用的逐步擴大，應加強多通管織物相關研究，以滿足更多應用領域的使用要求.

（2）研究多通管織物組織、織造方法及相貫線的設計，有助于多通管的無皺撐開.建立多通管織物相貫線的數學模型，是下一步要研究的內容.

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Progress of Weaving Multi－way Tube Fabric

JING Shu－juan，ZHENG Tian－yong，LI Sheng－xian，ZHANG Xiang－jun，ZHAO Zhi－xiang（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

The difficulty of forming mechanism and weaving for multi－way tube fabric were analyzed，and the present weaving muti－way tube fabric methods including hand－molding of short fiber，knitting，braiding，weaving were reviewed.Both hand－molding and knitting have problems with low strength；for knitting technology，its processing mechanisms are too complex，the equipments must be customization and cost too much；compared with the first three method，the weaving technology is best，considering the high cost of specially made weaving machines or devices，conventional machines for making multi－way tube fabric is choosed.

multi－way tube；hand－molding of short fiber；weaving；knitting；braiding

TS10

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2011.06.007

1671－6906（2011）06－0033－04

2011－10－24

河南省高校科技創新人才支持計劃項目（2010HASTIT010）

景書娟（1984－），女，河南鄭州人，碩士.