三維立體碳纖維織物的小樣試織

王維杏，吳佳林，*，王 瑜

(1.廣東職業技術學院，廣東 佛山528041；2.佛山市緯謙紡織有限公司，廣東 佛山528000)

三維立體織物是紗線在厚度方向產生交織的一種織物種類，也是近30年來出現的一種新型的由復合材料織制成型的織物，是復合材料中異軍突起的一支新秀。它以三維整體織物為增強體，其立體結構顯著改善了復合材料多方面的力學特性，從根本上克服了傳統層合板層間剪切強度低而且易分層的缺點，在航空、航天、軍工、汽車、醫療以及高級體育器具等領域得到了廣泛應用，特別是由碳纖維復合的各種型材，可應用于工程設計制造的高性能重要位置[1]。碳纖維三維立體織物復合成的新型材料，強度能夠達到鋼的7倍左右，重量卻是鋼材的約1/4，并具有耐酸、耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊的特點，這些優勢使它適用于高精尖領域，例如導彈外殼機、飛機的螺旋槳、低高溫條件軸承座等。

1 原料及產品設計

1.1 原料及設備

碳纖維長絲紗:由紡絲加工而成的碳纖維連續長絲形成的無加捻股線(碳纖維由江蘇恒神股份有限公司提供，型號規格為:HF30S-12K-H)；小樣織機:SGA598(江陰通源紡機有限公司)。小樣機的可操作性、幅寬和厚度及織物長度只能在一定范圍內，但不影響工藝的制定和流程。工藝技術主要考慮開口機構、送經機構、卷取機構，引緯采用手工方式。

1.2 織物組織設計

品種1 三維立體織物的特點是經緯紗平行排列，平面內兩層紗線不交織，充分利用厚度方向的垂直紗，形成的三維織物具有很高的斷裂性能和耐沖擊性能。采用材料為HF30S-12K-H碳纖維，織制幅寬為15 cm，緯密厚度為10層，采用順穿方法，手動引緯裝置。織物的結構圖、紋板圖如圖1所示。

圖1 織物10層的結構圖和紋板圖

品種2 碳纖維管狀織物是由兩組經紗和一組緯紗交織而成，緯紗往復循環，上下兩層經紗交織呈螺旋狀排列，兩層經紗僅在兩側邊緣處相連接，中間部分則上、下兩層相互分離，如此循序漸進，形成連續的管狀織物，如圖2所示。

2 織造工序

碳纖維三維織物是在SGA598型小樣織機上完成的。該小樣機全機電腦監控，氣動開口、電動卷取、被動送經，手工引緯和打緯的工作方式。織造過程中的經紗準備、打緯、都需要手工操作，由于碳纖維單絲脆斷，在接觸紗線時須小心謹慎，避免損傷纖維造成人為受傷。

圖2 基礎組織5/2緞紋管狀織物載面、組織及穿綜圖

2.1 清晰度

在織機上的各頁綜框之間必須有一定間隔，防止在升降時相互磨擦碰撞，所以各頁綜框到織口的距離各不相同。在多層織物織造過程中，經緯紗相互摩擦次數增多，開口經常會出現交纏、粘連現象，特別在經紗張力不均勻時，纖維斷絲或斷頭嚴重，一般采取半清晰梭口，如圖3(2)所示。前部梭口的下層經紗在同一平面上，上層經紗散成多層，這樣適合碳纖維經紗伸長率差異較小，經紗張力差異較小的特點，在此過程中，防止綜絲碰撞磨擦，并防止損傷經紗，要求綜框高度差為3～5 mm，由前頁到后頁綜逐漸降低。

由于小樣織機是采用電磁感應氣動開口，開口時間難以確定，解決辦法為當鋼筘在后止點時，最后片綜上的經紗位置略高于筘座，不產生磨擦便可。在保持梭口清晰的情景下，盡可能降低梭口高度，確保片經紗均勻時單紗上機張力盡可能小。在這樣條件下讓經緯紗在織機內根據織物組織要求進行有規律交織。

2.2 經紗張力

形成三維織物過程中，如果采取單軸送經，由于經緯紗交織次數多和開口時間有差異，導致經紗上下層間張力不均勻，松緊不一，所以采用的是雙軸送經。在小樣織機上加裝一套送經裝置，再讓每個軸的經紗分層后再分絞，才可以進入張力裝置。這樣能明顯改善片紗不均勻狀態，每根經紗輸出時不粘連交叉；同時垂直方向經紗，第一頁和最后一頁的經紗，另加單獨張力控制[2]。由于碳纖維特性是高強低伸，在織制過程中容易出現起毛、磨斷現象，通過上述方法，織制過程能夠順利進行，提高織物質量和產量。

2.3 經緯密度

經緯密度是產品質量的重要參數，為了確保織物的緯密，卷取量和卷取時間隨著不同的織物緯密而變化。織制品種1時，采用不繡鋼綱筘規格是50×120×300，扁平的不繡鋼綜絲規格是280×0.3；織制品種2時，采用間斷式手動卷取時，由于三維立體織物經向紗線較多，形成織物張力大，而織物比較厚重，不能直接卷取。通過對小樣織機的卷取機構進行改造，采用平移直拉的方式把織物引離織口，使織物中各層經紗的長度相同，張力均勻，緯紗凹凸豐滿疊層規范[3]。形成的三維織物如圖4所示。

圖3 織口的清晰度

圖4 10層的織物復合后成品

2.4 織物平整

由于碳纖維材料特殊性能，穿綜方法常采用順穿，每筘穿入經紗根數為上層或下層經紗排列比之和或其倍數。織造品種2過程中，由于緯縮的鋼筘作用，織物邊緣經密偏大，邊經斷絲起毛，造成管狀織物整圓表面的密度不均勻。在織制中厚型管狀織物時，可采用織物兩側折幅處各增加一根加強經紗，用來控制緯紗收縮，以防止邊經紗密度增大，減少邊經紗斷絲起毛，加強經紗并不參與交織，而是夾在中間，織物織成后剝離抽出。由于碳纖維特殊的高性能，織造過程經紗張力適當大，這樣才能使緯紗彎曲，形成良好豐滿的織物。形成的三維織物如圖5所示。

3 結語

三維立體碳纖維織物，具有優異的強度和剛性，良好的耐熱性和抗腐蝕性。采用傳統半自動SGA598型小樣機，通過工藝設計及上機織造，對三維織物開發和設備的應用，更深入研究和生產，具有十分重要的意義。

圖5 5/2緞紋管狀織物