新型三維筒狀織物的成型方法*

楊婷婷 李毓陵 馬顏雪 胡壽豐 張 建

(1.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海，201620;2.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620;3.中航商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，上海，200241)

筒狀結(jié)構(gòu)件是一種廣泛應(yīng)用于工程的基本構(gòu)件，使用筒狀織物作為增強體的復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比剛度與比強度高、耐疲勞性能優(yōu)異、耐腐蝕性能好等特點。隨著輕質(zhì)高強復(fù)合材料需求的不斷增加，三維筒狀織物的織造已成為一個重要的研究方向。三維筒狀織物可用于制作罩殼、輸送管道、襯套等產(chǎn)品，在航空航天、能源輸送、生物化工等諸多領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景［1-2］。

三維纖維結(jié)構(gòu)預(yù)型件是使纖維在三維空間中沿著多個方向分布并相互交織在一起，進(jìn)而形成不分層的整體結(jié)構(gòu)的織物，由它作為增強體的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件具有高強度、不分層、基體損傷不易擴展、抗沖擊性能和綜合力學(xué)性能好等優(yōu)點。航空航天等相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ捎萌S纖維結(jié)構(gòu)的筒狀預(yù)型件有著非常大的需求，因此三維筒狀織物織造技術(shù)的研發(fā)受到業(yè)界的高度重視。

本文概述了三維筒狀織物織造技術(shù)，介紹了一種織造三維筒狀織物的新型成型方法，即圓軌道法。運用該方法，通過特定規(guī)律的開口方式及引緯方式可實現(xiàn)引緯的連續(xù)化和編織過程的自動化，從而實現(xiàn)三維筒狀織物的規(guī)格化、連續(xù)化生產(chǎn)，可適用于高性能纖維織造，具有產(chǎn)品適應(yīng)性好等特點。

1 現(xiàn)有筒狀立體織物的成型方法

筒狀織物的研究最早始于19世紀(jì)90年代末，國外對于三維筒狀織物成型技術(shù)的研究已有100多年的歷史，早在1897年就有了圓織機的相關(guān)專利?？v觀國內(nèi)外相關(guān)專利及論文，三維筒狀織物的三維紡織成型方法主要有三維圓形編織法、壓扁-織造-還原法和環(huán)形織造法等［3-4］。

1.1 三維圓形編織法

三維圓形編織法較早就用于織造筒狀構(gòu)件，發(fā)展至今也是最為成熟的一種方法，如文獻(xiàn)［5-6］的專利介紹了與三維圓形編織法相關(guān)的成型原理及設(shè)備。如圖1所示，三維圓形編織法一般是利用攜紗器沿圓周和直徑方向交叉設(shè)置的編織軌道，按設(shè)計規(guī)律運行實現(xiàn)編織目的［7-8］。由于三維圓形編織法中，一臺裝置的編織軌道和攜紗器數(shù)量是固定的，這意味著一臺裝置可加工的織物規(guī)格很少，靈活性非常低，故應(yīng)用受到較大的限制。

改進(jìn)型三維圓形編織法如圖2所示，它是由在中間芯模的四周均勻分布若干矩形“四步法”三維編織模塊而組成的，增減模塊數(shù)量即可方便調(diào)節(jié)三維筒狀編織預(yù)型件的尺寸和規(guī)格。但在編織過程中，各矩形模塊之間必須進(jìn)行的沿周向的編織纖維交換目前只能采用手動方式，因此編織效率極低;同時“四步法”三維編織的單胞結(jié)構(gòu)也是固定的，很難有所變化。

圖1 三維圓形編織法

圖2 改進(jìn)型三維圓形編織法

1.2 壓扁-織造-還原法

壓扁-織造-還原法是指先將具有三維形狀的筒狀預(yù)制件壓扁，使之成為一種平面筒狀織物，再利用多層織物的織造原理織制出這一織物(圖3)，下機后展開成所需的筒狀預(yù)型件的三維形狀［9］。壓扁-織造-還原法的三維筒狀織物可在傳統(tǒng)平織機上織制而成，但受織機開口機構(gòu)與引緯的限制，三維筒狀織物的厚度增加較難［10］。

圖3 平織筒狀織物結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 環(huán)形織造法

環(huán)形織造法采用圓織機的織造原理，如圖4所示。該方法是將從多個織軸或紗架上引出的經(jīng)紗排列在圓形芯模的周圍，在圓周方向形成一個(或多個)梭口，一把(或多把)梭子在梭口內(nèi)圍繞芯模作圓周運動，引入梭口的緯紗與經(jīng)紗相交織，形成與芯模表面形狀一致的圓形織物［11-13］。改變經(jīng)紗的升降規(guī)律就可以得到不同組織結(jié)構(gòu)的三維筒狀織物，這些組織結(jié)構(gòu)都?xì)w屬為機織結(jié)構(gòu)。目前市場上已經(jīng)開發(fā)出多種應(yīng)用該方法的自動化設(shè)備，但由于該方法是在圓周方向形成梭口，梭口是密閉的，推動梭子作周向運動的機械力通常必須先作用在經(jīng)紗上，再由經(jīng)紗傳遞到梭子，經(jīng)紗會受到劇烈的擠壓和摩擦，極易受損，故該方法只適用于強韌性都非常好的纖維材料。也有采用與圖2類似方式的改良型環(huán)形織造法，存在的最大問題是效率太低。

圖4 環(huán)形織造法

綜上所述，現(xiàn)有三維筒狀織物成型的方法較多，且各具特色，但是這些方法均存在一些問題，或織物組織結(jié)構(gòu)單一，或生產(chǎn)效率低，或纖維品種適應(yīng)性差等。

2 新型三維筒狀織物成型方法

針對上述問題，本文提出一種織造三維筒狀織物的新型成型方法——圓軌道織造法，通過特定規(guī)律的開口、引緯和打緯方式，完成三維筒狀織物的自動連續(xù)織造，并具有較強的纖維品種適應(yīng)性和織物結(jié)構(gòu)多樣性。

2.1 織物成型過程

圖5 圓軌道織造法的織物成型過程

新型圓軌道織造法的織物成型過程見圖5，三維筒狀織物的軸向紗線(經(jīng)紗)掛在可沿圓軌道移動的滑塊上，沿圓軌道某一半徑位置分開各層圓軌道上滑塊，就會形成如圖5(a)所示的開口——徑向梭口，從徑向梭口引入徑向紗(緯紗)后，再沿軸向?qū)⒁氲木暭喆虻皆O(shè)定的位置，即完成了一次織物成型(織造)過程。沿順時針或逆時針方向撥動圓軌道上的滑塊，就會再次形成徑向梭口，將引入的緯紗打到設(shè)定位置，即完成新的成型過程。因此按照組織結(jié)構(gòu)設(shè)定規(guī)律沿圓軌道撥動滑塊，從所形成的徑向梭口沿徑向不斷往復(fù)引入緯紗，實現(xiàn)織物的完整成型過程。在織物成型過程中，因開口機構(gòu)、引緯機構(gòu)和打緯機構(gòu)相對獨立，它們之間不發(fā)生干擾。

在上述運動規(guī)律的基礎(chǔ)上，如圖5(b)所示，可實現(xiàn)織機在多位置進(jìn)行引緯，一次形成多個梭口進(jìn)行織造。同時在織機的外側(cè)可安裝相應(yīng)的送經(jīng)架，其位于形成的徑向梭口的上方，進(jìn)而實現(xiàn)周向墊紗的引入，因周向墊紗不參與交織，僅需在織物起頭時加入即可。

2.2 織物組織結(jié)構(gòu)

2.2.1 正交結(jié)構(gòu)

撥動奇數(shù)層圓軌道上的滑塊開口，偶數(shù)層圓軌道上的滑塊保持不動，當(dāng)奇數(shù)層圓軌道上的滑塊掛滿紗線，偶數(shù)層圓軌道上只在開口位置的某一個滑塊上掛上紗線，則可以織造出如圖6所示的正交組織結(jié)構(gòu)。此時保持不動的滑塊上的紗線成為正交組織結(jié)構(gòu)的墊紗。在圓軌道之間的空隙通過墊紗裝置插入墊紗［圖5(b)］，可以更有效地利用圓軌道。

2.2.2 斜交結(jié)構(gòu)

撥動圓軌道上的滑塊開口時，如果奇數(shù)層圓軌道上的滑塊與偶數(shù)層圓軌道上的滑塊移動的距離保持一定的相對差異，則織物將形成如圖7所示的斜交組織結(jié)構(gòu)，即奇數(shù)層軸向紗和偶數(shù)層軸向紗之間存在一個夾角，這是其他三維筒狀織物成型方法都難以實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。

2.2.3 多層接結(jié)結(jié)構(gòu)

如果每次按一定規(guī)律撥動部分圓軌道層上的滑塊，并相應(yīng)采取多根緯紗引入的技術(shù)措施，則可以得到多層接結(jié)組織結(jié)構(gòu)織物，如圖8所示。

由此可知，新型圓軌道織造法所織造的三維組織結(jié)構(gòu)非常豐富。

圖6 正交組織結(jié)構(gòu)

圖7 斜交組織結(jié)構(gòu)

圖8 多層接結(jié)組織結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

新型圓軌道織造法的優(yōu)點在于：

(1)圓軌道的層數(shù)和各圓軌道層上的滑塊數(shù)可以依據(jù)需要設(shè)定和選用，織物規(guī)格變化大;

(2)可選擇性分開各圓軌道層的滑塊，使軸向紗形成各種開口，從而得到各種織物組織結(jié)構(gòu)，織物結(jié)構(gòu)多樣性強;

(3)可在圓軌道上設(shè)置多個滑塊分開裝置、引緯裝置和打緯裝置，實現(xiàn)多梭口織造，織物成型效率高;

(4)徑向梭口是開放的，引緯過程對經(jīng)紗的影響非常小，纖維品種適應(yīng)性強;

(5)由于周向開口、徑向引緯和軸向打緯運動之間沒有相互干擾，實現(xiàn)圓軌道織造過程的機械化和自動化相對簡單和容易。

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