多軸向經編織物的現狀與發(fā)展

葉伙榮+王濤

摘要：本文以經編多軸向技術為研究對象，從其機械水平、技術特點、應用實例三方面對其概述，并從中總結出經編多軸向技術的發(fā)展方向并作出展望。

關鍵詞：多軸向經編織物；性能特點；應用領域

多軸向經編針織物最早出現在20世紀70年代后期，在短短的20年間經過不斷的技術研究和性能完善，其產品被廣泛應用。近年來，隨著科學技術的進步，各種新型高性能纖維的出現以及各學科之間的相互交叉，產業(yè)用紡織品得到進一步的發(fā)展，其中性能完善的多軸向經編針織物憑借它獨特的組織結構使材料中每個組分的性能得到充分的發(fā)揮，彌補了傳統(tǒng)的機織復合材料的不足等優(yōu)點而備受關注，其市場前景廣闊。

1 多軸向經編針織物的特點

多軸向經編針織物是由多層伸直且平行排列的紗線層利用經編結構的組織綁縛在一起而形成的。這樣的結構可以充分發(fā)揮每一根紗線在材料中的作用，充分利用了紗線的性能，改善了織物的拉伸、抗壓、抗沖擊等力學性能。

1.1 結構特征

多軸向經編織物可以在縱向、橫向或是斜向直接地襯入平行的紗線，并且這些紗線能夠按照使用要求平行伸直地襯在所需要的方向上，不需要彎曲，從而避免了傳統(tǒng)的機織物紗線結構呈彎曲狀、紗線的性能得不到充分發(fā)揮的缺陷，使紗線的性能得到最大程度的發(fā)揮。多軸向經編織物中，紗線呈平行排列，理論上內部應力為零，不會產生紗線的蠕變和松弛現象，當相同的紗線受到沖擊時，其所承載的應力也比機織物大。

1.2 性能特點

與傳統(tǒng)的機織物相比，多軸向經編織物具有下列優(yōu)點：（1）織物的抗拉強力、彈性模量較高；（2）織物的懸垂性好，可設計性強；（3）抗撕裂性能好；（4）原料的適應性好；（5）生產成本低，生產效率高，經濟性高。多軸向經編織物可以作為復合材料的基布，這類基布經樹脂浸漬固化后可得到所要求的復合材料。其復合材料強度和模量可提高50%以上。這類多軸向經編織物很好地解決了機織物由于屈曲效應導致的纖維性能不能充分發(fā)揮的問題，從而進一步提高了復合材料的性能。

2 多軸向經編織物生產設備

經編設備的技術水平、質量和制造成本與經編工業(yè)的發(fā)展息息相關。自1981年世界上第一臺Copcentra多軸向經編機在Liba（利巴）問世以來，先進的工業(yè)國家對它的生產和加工技術等開展廣泛研究，并取得了一定的成果。德國Karl Mayer（卡爾·邁耶）公司和Liba公司作為世界上先進的經編機械生產商，其在多軸向經編機領域的研究處于世界前列。早前，Karl Mayer公司曾推出RS2DS型拉舍爾多軸向襯緯經編機，該機器在編織多軸向織物時，織得的布面清晰，但因鋪線最多只能4層，而且機器結構復雜，機速只有400r/min，生產效率低，現已淘汰。隨著科學技術日新月異的發(fā)展，多軸向經編機不斷推陳出新，現今常用的多軸向經編機主要有Karl Mayer公司和Malimo Multiaxial系列和Liba公司的Copcentra MAX 3 CNC系列，兩公司的機器在生產和設計方面各有千秋。

2.1 Karl Mayer公司Malimo Multiaxial型

Karl Mayer的Malimo Multiaxial型設備技術含量高，導紗梳櫛穩(wěn)定性的提高以及襯緯紗架的合理設計，使得機器的速度可達l400r/min，相應的產量達到240m/h。成圈系統(tǒng)采用ST導紗片（針），有利于拉緊布面，也利于梳理和分開襯經紗，防止編織時刺傷纖維層。編織點的巧妙設計使得機器在對玻璃纖維進行生產時磨損少，結構堅固，適合襯入較厚的紗層。該機的襯緯系統(tǒng)由伺服電機獨立傳動，進行襯緯紗之閉的相互連接同時形成所需要的軌跡，襯緯紗的角度可在﹣45°到﹢45°之間變化，標準配置是6層，±45°/0°/90°，一層短切氈（機后），一層非織造布（機前）。積極式的襯緯方式，使得布邊損耗較傳統(tǒng)機器（尤其是高速機器）少，同時，該機在生產碳纖維產品時，使用了帶有單紗張力補償裝置的特殊筒子架， 緯紗引入織物時保證紗線平行而幾乎無損傷，張力較均勻。隨著技術的進一步提高，該機的產品范圍進一步擴大，可以生產各種工藝底布，用于風輪葉片、車船部件、高壓容器和運動裝備等。為了加快玻璃纖維復合材料市場的不斷發(fā)展以及滿足企業(yè)對馬里莫經編機的大量需求，Karl Mayer推出了Multiaxial系列的新一代多軸向經編機Malitronic。該機設計新穎、合理，生產效率、操作性能和織物品質達到前所未有的水平，深受各國青睞。

2.2 Liba公司Copcentra MAX 3 CNC型

Liba公司的Copcentra MAX 3 CNC型機器的所有功能均為電腦控制；織針機件以外的所有運動均由伺服電機驅動；織物的各種變化，尤其是鋪層角度的調整，均由中央電腦控制。在鋪緯方式方面，兩公司的機器略有不同。Liba機器的鋪緯是由鋪緯滑軌運動、傳輸鏈運動、鋪緯小車運動三者合成，只需改變三者的速度就能比較方便地改變鋪緯角度。而Karl Mayer機器是通過傳輸鏈運動和鋪緯小車運動的合成來形成所需的角度，在角度變換時還需對導軌進行機械操作，比較費時。此外，Liba機器每一紗層的運動完全可以通過程序設計在﹣20°到﹢20°之間變化，這與Karl Mayer的﹣45°到﹢45°相比有所改進，機器的標準傳送架可以生產2個45°襯緯和1個90°襯緯，也可按需要進行長度延伸，延伸后的傳送架最多可襯入7層襯緯紗、l層襯經紗、1層纖維網。同時，Liba機器還采用了其獨特的移動復合針系統(tǒng)，使得復合針除了在垂直方向上下運動外，還在水平方向（即織物喂入方向）運動， 從而減小了編織過程中織針的負荷，減少了織針與紗線的摩擦，減少了穿刺造成孔洞的可能性，在很大程度上提高了織物的生產效率，改善了織物的質量。

據報道，Liba公司已成功推出了用于碳纖維產品生產的Copcentra MAX 5 CNC Carbon機型。由于碳纖維在織造過程中易產生具有導電性的碳粉，會導致機器及生產環(huán)境中的帶電設備爆炸等危險情況發(fā)生， 因此該類多軸向經編機帶有特殊的密封裝置。在生產過程中，碳纖維增強紗線的鋪緯角度可以在﹣45°、90°、﹢45°、0°等角度之間變化，鋪緯層數和原料規(guī)格也可以自由選擇，織物品種較豐富。

2.3 國內多軸向經編機

多軸向經編機的生產技術在國內起步較晚，1996年由原天津紡織工學院與武進紡織機械廠協作，研制成功國內第一臺圓形多軸向經編機，類似于Karl Mayer的RS2DS型經編機，由干速度太低，未能得到推廣。2008年，常州潤源經編機械有限公司成功研發(fā)了第一臺國產智能化控制的RCD-1型多軸向經編機，該設備集電腦控制的多軸向鋪緯技術、多連桿式可移動（織針坯布隨動）成圈技術、織物恒張力收卷技術、多速電子送經技術等于一體。最高機速可達l000r/min，其鋪緯方式與Liba機器相似，鋪緯角度變化范圍為﹣20°到﹢20°，已接近國外先進鋪緯水平。它的誕生極大地推動了我國對多軸向生產設備的研發(fā)，同時也為多軸向經編織物的生產和研究提供了先進的手段。然而，鑒于我國基礎工業(yè)相對落后，機械加工能力普遍不高，仍需大量進口國外先進的經編設備。

3 應用的領域

以高性能纖維為原料的多軸向經編針織物與樹脂復合后可以作為骨架材料，其性能好于傳統(tǒng)的機織物，與傳統(tǒng)的金屬材料相比，以多軸向織物為基布的復合材料在一定程度上比金屬具有更好的性能。例如使用碳纖維為原料的經編復合材料就比金屬材料更加堅固，更加耐高溫、耐腐蝕，而且大大減輕了質量，因此，多軸向經編復合材料常用于船舶游艇的制造、風力發(fā)電機的葉片，航空航天和汽車工業(yè)等領域。

3.1 船舶游艇業(yè)

由于游艇需要在極其惡劣的環(huán)境下工作，對其材料的性能要求也比較嚴格。用多軸向經編織物除了具有可減少紗線的使用量以減輕游艇的重量、減少合成樹脂的用量、縮短浸漬時間等優(yōu)點外，還可以保護船體不受海水侵蝕。多軸向經編織物可用來制造船艇的船身、艙壁、甲板、上部結構、桅桿、船帆等。由于多軸向織物為基布的復合材料的高性能增強作用，被廣泛用于賽艇和娛樂船只（包括帆船和機動船艇）。

3.2 風力發(fā)電業(yè)

目前，風力發(fā)電是最具成本優(yōu)勢的可再生能源，我國幅員遼闊，地理位置優(yōu)越，開發(fā)和利用風能這種綠色可再生能源具有很大的潛力，而多軸向經編織物是風力發(fā)電中不可或缺的重要組成部分。多軸向基布是制造風力發(fā)電機葉片及其他重要結構部件的主要材料，使用多軸向織物制造風力發(fā)電機的葉片，具有質量輕、強度高、剛性好等優(yōu)點，能夠滿足開發(fā)大型化、輕量化、高性能、低成本的發(fā)電葉片的要求。

3.3 航空航天業(yè)

航空航天工業(yè)也是多軸向經編織物重要的應用領域。纖維增強復合材料因其具有很高的強質比，因此在航空航天業(yè)中的應用具有很大優(yōu)勢。多軸向經編材料主要用來制造飛機的蒙皮、尾翼的前緣和邊緣、機身的面板、邊舵的前緣及發(fā)動機面板，現在也可制造旋翼葉片。在飛機制造上使用以多軸向經編織物為骨架的復合材料，可以有效地減輕機身重量、增加飛機的使用壽命，同時能夠防火、耐腐蝕以及抗化學藥品。構件的強度可以根據要求進行精確設計?？罩锌蛙嘇320系列飛機配備采用了翼梢小翼和大量減輕重量的碳纖維復合材料，從而節(jié)省了燃油。與金屬材料相比，這種碳纖維的復合材料能夠使機身重量減輕約20%。

3.4 汽車工業(yè)

汽車制造業(yè)的需求是多軸向經編織物最具潛力的市場。由于多軸向經編復合材料的獨特性能以及可預設性，使其被廣泛應用于汽車制造業(yè)。在一些車頂棚或雜物箱、汽車或摩托車的輪胎圈、汽車的保險杠或剎車片等部位使用經編多軸向復合材料之后，不僅減輕了車體的重量，而且極大地提高了性能。

3.5 建筑業(yè)

多軸向經編復合材料正在越來越多地用于增強混凝土，重建和修復建筑物，這是多軸向增強材料較新的市場之一。在一些需要承受惡劣環(huán)境的鋼筋混凝土立柱上使用這種多軸向經編復合材料作為加固修復材料，能夠提高立柱的承載能力，使立柱的壽命加倍。這種復合材料多以碳纖維、芳綸為原料。

3.6 防彈頭盔

防彈頭盔要求輕質高強，以及必需的防護功能，它們也是多軸向復合材料發(fā)展的重要市場之一。以金屬材料為骨架材料制造而成的防彈頭盔，質量大，透氣性差，而以非金屬復合材料為骨架材料的頭盔不僅質量輕而且具有較好的透氣性。世界發(fā)達國家已普遍地開始使用非金屬復合材料頭盔代替原金屬頭盔。其中±45°多軸向復合織物比較貼合頭盔的形狀，可塑性較好。

3.7 其他應用

用高性能的多軸向經編織物制作的網球拍、雪橇、滑雪板、滑道、沖浪板、賽艇帆布、運動船等運動器材受到了市場的認可。多軸向復合材料還可以加工成儲氣膜用于密封氣體的襯里，制成重量極輕的夾芯板材，制成網孔救援管道便于高層建筑的火災救援等。

4 多軸向經編技術發(fā)展策略

多軸向經編技術在產業(yè)用紡織品領域是一個相對較新的發(fā)展方向，目前正處于急速上升階段，具有良好的發(fā)展前景。然而，我國的多軸向經編技術尚處于起步階段，為了盡快趕上或接近世界先進水平，需要采取一系列發(fā)展策略。

4.1 制定合理規(guī)劃

我國多軸向經編技術基礎相對薄弱，發(fā)展該技術是一項長期而艱巨的任務，需要科研機構和企業(yè)統(tǒng)籌兼顧，制定合理的發(fā)展規(guī)劃，切忌急于求成，盲目隨從。近年來，隨著航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對各種新型增強材料的需求日益增多，碳纖維低密度、高強度、高模量、耐高溫的性能特點使其成為制造航空航天器材的理想材料之一。為此，我國應從實際情況出發(fā)， 制定相應的政策措施，不斷加強對碳纖維多軸向經編增強復合材料的研究，進一步推動我國多軸向經編技術在航空航天領域中的應用。

4.2 引進先進設備

積極引進國外先進的多軸向設備；消化、吸收國外一流的機械設計和制造技術；加強研發(fā)投入，生產出具有高附加值、高技術含量多軸向生產設備。由于目前國產的多軸向經編機大都只適用于滌綸、玻璃纖維的生產，用于碳纖維產品生產的多軸向經編機在國內幾乎是空白。因此，國內的各科研機構和企業(yè)應加強合作，不斷消化和吸收國外先進的碳纖維多軸向生產設備的各項技術，研制出具有自主知識產權的碳纖維多軸向經編機，從而不斷提升我國多軸向經編裝備的整體水平。

4.3 加強技術交流

多軸向經編技術在國外已比較成熟，應用領域也比較廣泛，而在國內才剛剛開始，因此國內的專業(yè)人士應積極參加國內外各種展會和技術交流會，收集更多的信息，力求運用最新、最佳的技術手段來發(fā)展和壯大我國的多軸向經編業(yè)。

4.4 培養(yǎng)優(yōu)秀人才

多軸向經編技術融合了紡織、材料、力學等多門學科知識，因此高等院校應有計劃地培養(yǎng)出具有多學科技能的交叉型、復合型人才為我國多軸向經編技術的發(fā)展注入新的活力。

5 結語

隨著國民經濟的不斷發(fā)展，各領域對材料性能要求的不斷提高，多軸向技術正逐漸成為滿足紡織復合材料質量輕、強度高、效益好的一種新型的制造技術，表現出無限的發(fā)展?jié)摿?。目前，在我國這一技術還不成熟，但是我們堅信，在科學技術快速發(fā)展的浪潮下，在經編業(yè)內人士的共同努力下，我國多軸向經編技術必將朝著更科學、更經濟、更實用的方向發(fā)展。

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（作者單位：廣州纖維產品檢測研究院）