多轴向经编织物的现状与发展

叶伙荣+王涛

摘要：本文以经编多轴向技术为研究对象，从其机械水平、技术特点、应用实例三方面对其概述，并从中总结出经编多轴向技术的发展方向并作出展望。

关键词：多轴向经编织物；性能特点；应用领域

多轴向经编针织物最早出现在20世纪70年代后期，在短短的20年间经过不断的技术研究和性能完善，其产品被广泛应用。近年来，随着科学技术的进步，各种新型高性能纤维的出现以及各学科之间的相互交叉，产业用纺织品得到进一步的发展，其中性能完善的多轴向经编针织物凭借它独特的组织结构使材料中每个组分的性能得到充分的发挥，弥补了传统的机织复合材料的不足等优点而备受关注，其市场前景广阔。

1 多轴向经编针织物的特点

多轴向经编针织物是由多层伸直且平行排列的纱线层利用经编结构的组织绑缚在一起而形成的。这样的结构可以充分发挥每一根纱线在材料中的作用，充分利用了纱线的性能，改善了织物的拉伸、抗压、抗冲击等力学性能。

1.1 结构特征

多轴向经编织物可以在纵向、横向或是斜向直接地衬入平行的纱线，并且这些纱线能够按照使用要求平行伸直地衬在所需要的方向上，不需要弯曲，从而避免了传统的机织物纱线结构呈弯曲状、纱线的性能得不到充分发挥的缺陷，使纱线的性能得到最大程度的发挥。多轴向经编织物中，纱线呈平行排列，理论上内部应力为零，不会产生纱线的蠕变和松弛现象，当相同的纱线受到冲击时，其所承载的应力也比机织物大。

1.2 性能特点

与传统的机织物相比，多轴向经编织物具有下列优点：（1）织物的抗拉强力、弹性模量较高；（2）织物的悬垂性好，可设计性强；（3）抗撕裂性能好；（4）原料的适应性好；（5）生产成本低，生产效率高，经济性高。多轴向经编织物可以作为复合材料的基布，这类基布经树脂浸渍固化后可得到所要求的复合材料。其复合材料强度和模量可提高50%以上。这类多轴向经编织物很好地解决了机织物由于屈曲效应导致的纤维性能不能充分发挥的问题，从而进一步提高了复合材料的性能。

2 多轴向经编织物生产设备

经编设备的技术水平、质量和制造成本与经编工业的发展息息相关。自1981年世界上第一台Copcentra多轴向经编机在Liba（利巴）问世以来，先进的工业国家对它的生产和加工技术等开展广泛研究，并取得了一定的成果。德国Karl Mayer（卡尔·迈耶）公司和Liba公司作为世界上先进的经编机械生产商，其在多轴向经编机领域的研究处于世界前列。早前，Karl Mayer公司曾推出RS2DS型拉舍尔多轴向衬纬经编机，该机器在编织多轴向织物时，织得的布面清晰，但因铺线最多只能4层，而且机器结构复杂，机速只有400r/min，生产效率低，现已淘汰。随着科学技术日新月异的发展，多轴向经编机不断推陈出新，现今常用的多轴向经编机主要有Karl Mayer公司和Malimo Multiaxial系列和Liba公司的Copcentra MAX 3 CNC系列，两公司的机器在生产和设计方面各有千秋。

2.1 Karl Mayer公司Malimo Multiaxial型

Karl Mayer的Malimo Multiaxial型设备技术含量高，导纱梳栉稳定性的提高以及衬纬纱架的合理设计，使得机器的速度可达l400r/min，相应的产量达到240m/h。成圈系统采用ST导纱片（针），有利于拉紧布面，也利于梳理和分开衬经纱，防止编织时刺伤纤维层。编织点的巧妙设计使得机器在对玻璃纤维进行生产时磨损少，结构坚固，适合衬入较厚的纱层。该机的衬纬系统由伺服电机独立传动，进行衬纬纱之闭的相互连接同时形成所需要的轨迹，衬纬纱的角度可在﹣45°到﹢45°之间变化，标准配置是6层，±45°/0°/90°，一层短切毡（机后），一层非织造布（机前）。积极式的衬纬方式，使得布边损耗较传统机器（尤其是高速机器）少，同时，该机在生产碳纤维产品时，使用了带有单纱张力补偿装置的特殊筒子架， 纬纱引入织物时保证纱线平行而几乎无损伤，张力较均匀。随着技术的进一步提高，该机的产品范围进一步扩大，可以生产各种工艺底布，用于风轮叶片、车船部件、高压容器和运动装备等。为了加快玻璃纤维复合材料市场的不断发展以及满足企业对马里莫经编机的大量需求，Karl Mayer推出了Multiaxial系列的新一代多轴向经编机Malitronic。该机设计新颖、合理，生产效率、操作性能和织物品质达到前所未有的水平，深受各国青睐。

2.2 Liba公司Copcentra MAX 3 CNC型

Liba公司的Copcentra MAX 3 CNC型机器的所有功能均为电脑控制；织针机件以外的所有运动均由伺服电机驱动；织物的各种变化，尤其是铺层角度的调整，均由中央电脑控制。在铺纬方式方面，两公司的机器略有不同。Liba机器的铺纬是由铺纬滑轨运动、传输链运动、铺纬小车运动三者合成，只需改变三者的速度就能比较方便地改变铺纬角度。而Karl Mayer机器是通过传输链运动和铺纬小车运动的合成来形成所需的角度，在角度变换时还需对导轨进行机械操作，比较费时。此外，Liba机器每一纱层的运动完全可以通过程序设计在﹣20°到﹢20°之间变化，这与Karl Mayer的﹣45°到﹢45°相比有所改进，机器的标准传送架可以生产2个45°衬纬和1个90°衬纬，也可按需要进行长度延伸，延伸后的传送架最多可衬入7层衬纬纱、l层衬经纱、1层纤维网。同时，Liba机器还采用了其独特的移动复合针系统，使得复合针除了在垂直方向上下运动外，还在水平方向（即织物喂入方向）运动， 从而减小了编织过程中织针的负荷，减少了织针与纱线的摩擦，减少了穿刺造成孔洞的可能性，在很大程度上提高了织物的生产效率，改善了织物的质量。

据报道，Liba公司已成功推出了用于碳纤维产品生产的Copcentra MAX 5 CNC Carbon机型。由于碳纤维在织造过程中易产生具有导电性的碳粉，会导致机器及生产环境中的带电设备爆炸等危险情况发生， 因此该类多轴向经编机带有特殊的密封装置。在生产过程中，碳纤维增强纱线的铺纬角度可以在﹣45°、90°、﹢45°、0°等角度之间变化，铺纬层数和原料规格也可以自由选择，织物品种较丰富。

2.3 国内多轴向经编机

多轴向经编机的生产技术在国内起步较晚，1996年由原天津纺织工学院与武进纺织机械厂协作，研制成功国内第一台圆形多轴向经编机，类似于Karl Mayer的RS2DS型经编机，由干速度太低，未能得到推广。2008年，常州润源经编机械有限公司成功研发了第一台国产智能化控制的RCD-1型多轴向经编机，该设备集电脑控制的多轴向铺纬技术、多连杆式可移动（织针坯布随动）成圈技术、织物恒张力收卷技术、多速电子送经技术等于一体。最高机速可达l000r/min，其铺纬方式与Liba机器相似，铺纬角度变化范围为﹣20°到﹢20°，已接近国外先进铺纬水平。它的诞生极大地推动了我国对多轴向生产设备的研发，同时也为多轴向经编织物的生产和研究提供了先进的手段。然而，鉴于我国基础工业相对落后，机械加工能力普遍不高，仍需大量进口国外先进的经编设备。

3 应用的领域

以高性能纤维为原料的多轴向经编针织物与树脂复合后可以作为骨架材料，其性能好于传统的机织物，与传统的金属材料相比，以多轴向织物为基布的复合材料在一定程度上比金属具有更好的性能。例如使用碳纤维为原料的经编复合材料就比金属材料更加坚固，更加耐高温、耐腐蚀，而且大大减轻了质量，因此，多轴向经编复合材料常用于船舶游艇的制造、风力发电机的叶片，航空航天和汽车工业等领域。

3.1 船舶游艇业

由于游艇需要在极其恶劣的环境下工作，对其材料的性能要求也比较严格。用多轴向经编织物除了具有可减少纱线的使用量以减轻游艇的重量、减少合成树脂的用量、缩短浸渍时间等优点外，还可以保护船体不受海水侵蚀。多轴向经编织物可用来制造船艇的船身、舱壁、甲板、上部结构、桅杆、船帆等。由于多轴向织物为基布的复合材料的高性能增强作用，被广泛用于赛艇和娱乐船只（包括帆船和机动船艇）。

3.2 风力发电业

目前，风力发电是最具成本优势的可再生能源，我国幅员辽阔，地理位置优越，开发和利用风能这种绿色可再生能源具有很大的潜力，而多轴向经编织物是风力发电中不可或缺的重要组成部分。多轴向基布是制造风力发电机叶片及其他重要结构部件的主要材料，使用多轴向织物制造风力发电机的叶片，具有质量轻、强度高、刚性好等优点，能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求。

3.3 航空航天业

航空航天工业也是多轴向经编织物重要的应用领域。纤维增强复合材料因其具有很高的强质比，因此在航空航天业中的应用具有很大优势。多轴向经编材料主要用来制造飞机的蒙皮、尾翼的前缘和边缘、机身的面板、边舵的前缘及发动机面板，现在也可制造旋翼叶片。在飞机制造上使用以多轴向经编织物为骨架的复合材料，可以有效地减轻机身重量、增加飞机的使用寿命，同时能够防火、耐腐蚀以及抗化学药品。构件的强度可以根据要求进行精确设计。空中客车A320系列飞机配备采用了翼梢小翼和大量减轻重量的碳纤维复合材料，从而节省了燃油。与金属材料相比，这种碳纤维的复合材料能够使机身重量减轻约20%。

3.4 汽车工业

汽车制造业的需求是多轴向经编织物最具潜力的市场。由于多轴向经编复合材料的独特性能以及可预设性，使其被广泛应用于汽车制造业。在一些车顶棚或杂物箱、汽车或摩托车的轮胎圈、汽车的保险杠或刹车片等部位使用经编多轴向复合材料之后，不仅减轻了车体的重量，而且极大地提高了性能。

3.5 建筑业

多轴向经编复合材料正在越来越多地用于增强混凝土，重建和修复建筑物，这是多轴向增强材料较新的市场之一。在一些需要承受恶劣环境的钢筋混凝土立柱上使用这种多轴向经编复合材料作为加固修复材料，能够提高立柱的承载能力，使立柱的寿命加倍。这种复合材料多以碳纤维、芳纶为原料。

3.6 防弹头盔

防弹头盔要求轻质高强，以及必需的防护功能，它们也是多轴向复合材料发展的重要市场之一。以金属材料为骨架材料制造而成的防弹头盔，质量大，透气性差，而以非金属复合材料为骨架材料的头盔不仅质量轻而且具有较好的透气性。世界发达国家已普遍地开始使用非金属复合材料头盔代替原金属头盔。其中±45°多轴向复合织物比较贴合头盔的形状，可塑性较好。

3.7 其他应用

用高性能的多轴向经编织物制作的网球拍、雪橇、滑雪板、滑道、冲浪板、赛艇帆布、运动船等运动器材受到了市场的认可。多轴向复合材料还可以加工成储气膜用于密封气体的衬里，制成重量极轻的夹芯板材，制成网孔救援管道便于高层建筑的火灾救援等。

4 多轴向经编技术发展策略

多轴向经编技术在产业用纺织品领域是一个相对较新的发展方向，目前正处于急速上升阶段，具有良好的发展前景。然而，我国的多轴向经编技术尚处于起步阶段，为了尽快赶上或接近世界先进水平，需要采取一系列发展策略。

4.1 制定合理规划

我国多轴向经编技术基础相对薄弱，发展该技术是一项长期而艰巨的任务，需要科研机构和企业统筹兼顾，制定合理的发展规划，切忌急于求成，盲目随从。近年来，随着航空航天事业的蓬勃发展，对各种新型增强材料的需求日益增多，碳纤维低密度、高强度、高模量、耐高温的性能特点使其成为制造航空航天器材的理想材料之一。为此，我国应从实际情况出发， 制定相应的政策措施，不断加强对碳纤维多轴向经编增强复合材料的研究，进一步推动我国多轴向经编技术在航空航天领域中的应用。

4.2 引进先进设备

积极引进国外先进的多轴向设备；消化、吸收国外一流的机械设计和制造技术；加强研发投入，生产出具有高附加值、高技术含量多轴向生产设备。由于目前国产的多轴向经编机大都只适用于涤纶、玻璃纤维的生产，用于碳纤维产品生产的多轴向经编机在国内几乎是空白。因此，国内的各科研机构和企业应加强合作，不断消化和吸收国外先进的碳纤维多轴向生产设备的各项技术，研制出具有自主知识产权的碳纤维多轴向经编机，从而不断提升我国多轴向经编装备的整体水平。

4.3 加强技术交流

多轴向经编技术在国外已比较成熟，应用领域也比较广泛，而在国内才刚刚开始，因此国内的专业人士应积极参加国内外各种展会和技术交流会，收集更多的信息，力求运用最新、最佳的技术手段来发展和壮大我国的多轴向经编业。

4.4 培养优秀人才

多轴向经编技术融合了纺织、材料、力学等多门学科知识，因此高等院校应有计划地培养出具有多学科技能的交叉型、复合型人才为我国多轴向经编技术的发展注入新的活力。

5 结语

随着国民经济的不断发展，各领域对材料性能要求的不断提高，多轴向技术正逐渐成为满足纺织复合材料质量轻、强度高、效益好的一种新型的制造技术，表现出无限的发展潜力。目前，在我国这一技术还不成熟，但是我们坚信，在科学技术快速发展的浪潮下，在经编业内人士的共同努力下，我国多轴向经编技术必将朝着更科学、更经济、更实用的方向发展。

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（作者单位：广州纤维产品检测研究院）