平面四軸向機織物的基本結構分析

陳 杰 陳旭煒 李毓陵

(東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，201620)

平面四軸向機織物是一種新結構織物，如圖1所示。它由四組紗線，即0°緯紗、90°經紗以及45°斜紗和－45°斜紗兩組移動經紗組成，在交織點處成米字形結構，如圖2所示。

圖1 平面四軸向機織物

圖2 米字形結構

由圖2可見，四組紗線沿四個方向均勻分布構成整個織物，因此平面四軸向機織物比傳統織物和三向織物能更好地滿足各向同性的要求，并且四組紗線相互阻止各自靠攏，使得形成的織物結構穩定性比較好。由于其各向同性好，織物所受的力分布于四個軸向上，使織物能承受的負荷大大增加。前人已經對平面四軸向機織物的結構穩定性、頂破性能及撕裂性能等進行了測試，證明了以上理論［1］。

國外在20世紀70年代就開始對四軸向機織物進行研究，至今已經制造出能夠量產的平面四軸向機織物織機［2］，并可以生產多種原料的四軸向織物。而我國在這方面還處于初級研究階段，前人已經做出了簡易的機構能夠織造出簡單的四軸向織物，但是還沒有人對平面四軸向機織物的基本結構進行過分析。

本文對平面四軸向機織物的基本結構進行理論分析，為織造出多種結構的四軸向織物提供基礎。

1 平面四軸向織物結構分析

1.1 平面四軸向機織物結構

平面四軸向機織物由四組紗線組成，要考慮四根紗線之間的交織方式，所能形成的基本組織遠多于傳統織物。在平面四軸向機織物組織中，一個組織循環內，四組不同的紗線共同形成一個米字形結構，本文將這個結構稱為基本結構。因為一個基本結構是由四組紗線相互交織而成的，交織的方式不同，形成米字結構的方式也不一樣。本文根據四根紗線之間的交織結構來分析平面四軸向機織物的基本結構。

由四組紗線組成的米形字結構，如果直接分析四根紗線之間的交織比較復雜，本文將米字形結構的形成過程分為四個階段：第一階段是一根紗線時，第二階段是有兩根紗線交織時，第三階段是有三根紗線交織時，第四階段是有四根紗線交織即米字形結構時。先單獨考慮每個階段的交織情況，最后總結出四根紗線能夠形成的米字形結構的種類，這樣就比較容易分析。

如果沒有米字形結構的限制，單獨一根紗線可以放在任何方向。但是在米字形結構中，一根紗線只能有四個方向，如圖3所示：0°緯紗、90°經紗、±45°斜紗。由于本文以考慮在米字形結構中四根紗線之間的交織方式為出發點，所以不管第一根紗線為0°方向的緯紗還是45°方向的斜紗，對其他紗線與這根紗線交織的情況沒有影響;同理，不管第二、第三和第四根紗線放在哪個方向，對其他紗線與其交織的情況也沒有影響。因此本文暫且定義第一根紗線為0°方向的緯紗，第二根為90°方向的經紗，第三根為45°方向的斜紗，第四根為－45°方向的斜紗。

圖3 米字形結構中的紗線方向

1.2 第一階段

如果只有一根紗線，沒有其他紗線與其交織，那么這根紗線只有一個狀態，如圖4所示，用(1－0)作為代碼。

1.3 第二階段

在第一階段的基礎上，加入第二根紗線，則第二根紗線有兩種狀態：一是放在第一根紗線之上，二是放在第一根紗線之下。如圖5所示，用(1－1)和(1－2)作為代碼。

圖4 第一階段的紗線狀態

圖5 第二階段的紗線狀態

1.4 第三階段

在第二階段的基礎上加入第三根紗線時，有三個位置可放，以(1－1)為例，如圖6所示。

圖6 第三階段的紗線位置

當以(1－1)為基礎時，第三根紗線放在位置1處，則第三根紗線與(1－1)有四種交織狀態，如圖7所示，代碼編寫方式與第二階段類似。如：(1－1－1)表示第三根紗線在0°緯紗和90°經紗之上;(1－1－2)表示第三根紗線在0°緯紗之上，90°經紗之下，等等。

圖7 第三階段紗線的四種交織狀態

從圖7中可以看出，(1－1－1)、(1－1－2)和(1－1－4)的第三根紗線與另外兩根紗線不交織。在不交織的情況下，由于沒有紗線阻止其滑動，所以第三根紗線在(1－1)的基礎上可以隨意滑移。因此，第三根紗線處于位置1、2和3時，與(1－1)交織形成的狀態實際上是同一種狀態。所以對于交織狀態(1－1－1)、(1－1－2)和(1－1－4)來說，不論第三根紗線處在哪一個位置，每個位置中紗線的交織狀態都是一樣的，只需考慮一個位置即可。

對于(1－1－3)交織情況來說，第三根紗線只有位置1和位置3可以放，在每個位置中其與(1－1)狀態中的紗線交織關系都一樣。由于第三根紗線受到0°緯紗和90°經紗的阻礙而不能隨意滑移，所以從表面上看每個位置的交織狀態都不相同。但是在織物組織中，第三根紗線在這兩個位置所形成的交織狀態都是一樣的。圖8為多個循環狀態，從圖中可以看到，狀態1和狀態2中的45°斜紗是同一根紗線，這根紗線在狀態1中放在位置1，而在狀態2中放在位置3。所以在織物組織中第三根紗線在位置1和位置3都是一樣的，也只需要考慮一個位置即可。

同理，當第一根紗線和第二根紗線以(1－2)為基礎時，第三根紗線與其交織，能夠形成的狀態也只有四種。所以在第三階段，三根紗線有8種交織狀態，如表1所示。

圖8 每種交織狀態時紗線的位置

表1 第三階段中紗線的交織狀態

1.5 第四階段

在第四階段中，第四根紗線在第三階段的基礎上，與其中的每一個狀態進行交織所形成的結構即為本文所描述的米字形結構。如第四根紗線在－45°方向與圖7(1－1－1)中的三根紗線的交織形式如圖9(b)所示，可以看出，第四根紗線與(1－1－1)交織形成三個交點，其中每個交點處都是兩根紗線交織，有兩種交織方式。所以第四根紗線與(1－1－1)共有23種交織方式，能形成的米字形結構有23=8種，如圖10所示，代碼編寫方式與第三階段類似。

圖9 在第三階段基礎上第四根紗線的交織情況

因為第三階段中有8種不同狀態，所以第四階段中總共有64種米字形結構，即平面四軸向織物有64種基本結構，具體形式如表2所示。

2 基本結構的分類

仔細觀察，發現64種基本結構可分為兩大類：不穩定結構和穩定結構。

2.1 不穩定結構

不穩定結構中有一根或多根紗線可以隨意滑移，即與其他紗線不交織，沒有其他紗線阻止其滑移，單獨循環應用這種結構不能形成穩定織物。如圖11中的(1－1－4－1)，四根紗線都可以隨意滑動，紗線之間相互不交織。(1－1－4－2)的－45°斜紗、45°斜紗和0°緯紗相互交織，90°經紗與其他三根紗線不交織，單獨存在，可以隨意滑移。因此這一類結構單獨應用都不能形成穩定織物。

圖11 不穩定結構

分析表2中的64種基本結構，可以發現不穩定結構共有40種，如表2中的未加粗代碼所示。

2.2 穩定結構

穩定結構為四根紗線相互交織，紗線之間相互阻止滑動，形成一個穩定的基本結構，如表2中的(1－1－3－2)。單獨循環應用這種結構可以形成穩定織物。

分析表2中的米字形結構，屬于穩定結構的總共有24種，如表2中的加粗代碼所示。

3 織造可行性

由于現有的織造裝置［1，3-5］在織造時將所有的90°經紗按照一定順序固定在一個可移動裝置上，經紗在水平方向進行前后運動，兩組斜紗懸掛在一個只可以進行左右運動的斜紗裝置上，所以斜紗的移動只負責實現±45°方向，而不能實現相互交織。通過前后移動90°經紗，使其與兩組斜紗相交形成織口，最后引入0°緯紗形成基本結構。因此利用現有織造裝置織造時，引緯裝置在作緯向運動時只能位于兩根斜紗的同一側，緯紗也只能在兩根斜紗的同一側，且所有的經紗也只能在緯紗的同一側，得到的其實就是(1－2－1－3)。可見，現有織造裝置具有一定的局限性。

可行織造的結構如表3所示。在表3中有25種屬于不穩定結構，8種屬于穩定結構。因為在不穩定結構中，交點比較少，交織不復雜，對織造機構的運動要求較低。文獻［1，3-6］中所應用的大多數屬于不穩定結構。對于穩定結構，四組紗線相互交織，能夠形成很穩定的織物組織。但是由于交織點太多，機器織造困難。雖然文獻顯示也織造出了一些穩定結構［6］，但是并沒有表明是否采用了自動的機器織造。

表2 64種基本結構

4 結語

平面四軸向機織物由四組紗線組成，在一個組織循環內，四組不同的紗線共同形成一個米字形結構，本文將此結構稱為基本結構。

表3 可行織造結構

(1)平面四軸向機織物共有64種基本結構，根據紗線的交織情況可分為穩定結構和不穩定結構兩大類。

(2)不穩定結構有40種，這類結構中至少有一組紗線是獨立的，能夠隨意滑移，不受限制，單獨循環應用不能形成穩定織物。

(3)穩定結構有24種，這類結構中四組紗線相互交織，因此每種結構單獨循環織造就能夠形成穩定織物。

［1］陳培偉.平面四軸向機織物的制備與力學性能研究［D］.上海：東華大學紡織學院，2013.

［2］DIMA公司.四軸向織物的生產和用途［J］.陳廷，譯.國際紡織導報，1998(3)：46-47.

［3］DINI Mamiliano.Tetraxial fabric and weaving machine for the manufacture：EP，92117143.5［P］.1992-08-10.

［4］DINI Mamiliano.Tetraxial fabric and machine for its manufacture：US，2005/0011576 A1［P］.2005-01-20.

［5］馬米利亞諾·迪尼.四軸向織物以及用于其制造的機械：中國，1555436 A［P］.2004-12-15.

［6］SHIGENOBU Iida，CHIKAJI Ohmori，TAKAO Ito，et al.Multi-axial fabric with triaxial and quartaxial portions：US，5472020［P］.1995-12-05.