纵向厚度渐变三维机织物经纱固结方式设计

韦鑫　沈兰萍　雷蕾

摘要：纵向厚度渐变三维机织物作为纺织预制件，对形成复合材料是重要的增强体，其结构设计存在重要的价值。据此，对纵向厚度渐变三维机织物进行多层正交、多层角联锁、多层接结3种基础结构进行设计，通过逐渐减少织物层数实现厚度方向的变化，同时对减掉的经纱进行固结方式设计，以保证织物结构的相对稳定。最后通过对固结纱进行抽拔测试，实验结果表明：最佳固结方式为“S”型固结，最佳结构为多层接结。

关键词：结构设计；固结方式；抽拔实验

中图分类号：TS105.1

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2017）06-0040-05

Warp Consolidation Design of Threedimensional Woven Fabricwith Longitudinal Gradient Thickness

WEI Xin， SHEN Lanping， LEI Lei

（School of Textile and Materials， Xi'an Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract：The threedimensional woven fabric with longitudinal gradient thickness as textile preformed part is a very important reinforcing material to form a composite material， and its structural design also has very important value. Accordingly， three kinds of structural design were carried out for threedimensional woven fabric with longitudinal gradient thickness， including multilayer orthogonal， multilayer angular interlocking， and multilayer connection. A change in thickness direction was achieved by gradually decreasing the fabric layers. At the same time， consolidation design was done for the lost warp yarns to ensure the relative stability of the fabric structure. Finally， through pulling test of the consolidation of yarn， the experimental results show that： the best consolidation mode is the type of “S”， and the best structure is multilayer connection.

Key words：structural design； consolidation mode； pulling test

隨着技术的进步，各行各业所用的材料正逐渐向更轻质、更高性能、加工更方便方向发展，复合材料也逐渐在各行业广泛应用。三维纺织类增强材料由于其优异的整体性能正逐渐受到大量的关注和应用[1]，用三维机织物作为复合材料的增强体时，除了平面板状之外，还有各种截面变化的三维机织物[25]，变截面三维机织物包括横向变截面、纵向变截面、纵横双向变截面3种类型[6]，纵向厚度渐变三维机织物属于板状中的一种，在织物纵向有厚度变化，可用于风电叶片、发动机叶片、风扇叶片等厚度渐变型材料的预制件[7]。这种形状的三维机织物可以由3种织造方式实现：第1种是逐渐减少织物层数实现厚度变化，第2种是通过逐渐减少接结纱数量实现，第3种是通过改变纬纱规格的方式实现[8]，也可以结合这几种方式来共同实现更大的厚度变化。本文采用第1种方式来实现厚度变化，这种方式在织物表面会留纱头，为减少织物表面的勾丝，对剪断的经纱进行一定方式的固结。

1纵向厚度渐变三维机织物的结构设计

纵向厚度渐变三维机织物是指通过机织的方法，在织物纵向（经向）形成一定厚度变化。对3种结构（多层正交、多层角联锁、多层接结）进行织物结构设计，如图1—图3所示。

2厚度变化处固结纱固结方式设计

通过减少织物层数（减经纱）的方式实现织物厚度变化，厚度变化处织物的结构稳定性不好，因此必须对减掉的经纱进行一定的固结。而不同固结方式对织物结构稳定性影响不同，即减掉的纱线在织物中所受的力不同，固结比较紧的纱线，不容易滑脱、抽拔出来，织物结构更稳定；固结相对较松的纱线在未来使用过程中比较容易滑脱，织物易损坏，整体性不好，会影响织物的使用价值、工业价值等。

为了分析判断固结方式对织物稳定性的影响，设计了3种不同的固结方式，以角联锁结构43层为例，前6列为三层织物的组织图，最后2列为固结纱运动组织图。由于固结是在三层结构的织造过程中进行固结，因此将固结纱的组织图和三层结构的组织图结合。

2.1竖“1”型固结

第1种固结方式设计为最简单的竖“1”型固结，如图4所示。将最上层经纱置于最下层，并剪掉经纱，再进行下一厚度组织的织造。

图4（b）中，最后2列全部空白表示全部为纬组织点，不进行织造，即在织造三层结构前，将第7和第8页综框下降并剪掉其上的经纱，就实现了竖“1”型固结。

2.2下上下“S”型固结

仿照了平板状三维机织物的结接有贯穿结接与若干层间结接的方式，以此为参照，设计了层与层间的固结，固结次数为3次。下上下“S”型固结方式是指在变厚度处，将最上层经纱在下一厚度组织中进行前三纬的固结，之后将最上层经纱剪掉。图5为固结经纱与纬纱交织状态，按照起绒织物对绒根固结方式的命名，可以称其为“S”型固结。

图5（b）中最后2列为固结纱的组织图，前6列为三层结构的组织图。即在织造三层组织时，织造前，将第7和第8页综框下降，然后穿梭，再打第一纬；打第二纬前，将第7和第8页综框提升，然后穿梭，再打第二纬；打第三纬前，将第7和第8页综框下降并剪掉综框上的经纱，然后穿梭，再打第三纬，这样就实现了“S”型固结。

2.3整体换层“N”型固结

整体换层“N”型固结类似于结接组织中的贯穿结接，如图6所示，最后两页棕是在织物整体厚度方向上进行贯穿。从剖面图的状态来看，固结的形状像“N”字形，因此可以为其命名为“N”型固结。这种固结方式贯穿层数太多，经纱张力差异较大，打纬阻力很大，很有可能会在布面出现较长的浮长点，而从厚度方向上来看相邻两个层数变化组织间可能会出现空隙，厚度越大，缝隙会越大。

图6（b）中最后2列为固结纱组织图，在织造三层结构前，将第7和第8页综框下降，然后开始织造三层结构，前三纬，固结纱不进行变化。在打第四纬前，将第7和第8页综框提升，然后穿梭，打纬，织造第四纬到第六纬；打第七纬前，将第7和第8页综框下降并剪掉其上的经纱，这就实现了“N”型固结。

2.4试样织造

由于本文属于基础研究阶段，因此采用比较廉价的高强涤纶作为原料，在小样织机上进行织造，织造过程中其织造参数如表1所示，织物实物图如图7所示。

3固结纱抽拔力测试及结果

3.1固结纱抽拔力测试

为分析固结方式对织物结构稳定性的影响，通过对织物中固结纱进行抽拔，测量抽拔过程中所需要的最大力，对其进行记录并绘制表格或折线图，观察其数据变化规律，分析固结方式对抽拔力的影响，得到最佳固结方式。

测量单纱的拉伸断裂强力的过程，是通过对规定尺寸的单纱试样，以恒定伸长速度拉伸至断脱，而纱线的抽拔，是以恒定伸长速度拉伸织物中的紗线直至拔出，参考单纱强力测试实验，设计了类似的实验。类似可以用织物强力机测出织物的拉伸断裂强力一样，用它夹持织物的一端，另一端中间处于自由状态，两端被夹持，测量中间未夹持部分纱线的抽拔力。

采用YG020A型电子单纱强力机进行抽拔力测试。图8为织物测试试样的剪口端。其测试结果如表2所示。

3.2结果与讨论

3.2.1同一结构不同固结方式抽拔力分析比较

以多层接结结构为例，进行固结纱抽拔力分析比较，图9为3种固结方式下固结纱抽拔力结果。

由图9中可以看出：随着层数越来越多，抽拔力越来越小；“S”型固结抽拔力最大，其次为“N”型固结，“1”型固结下抽拔力最小。

层数越多时，纱线在织物中参与交织长度越短，因此所受摩擦力越小，抽拔时所测抽拔力越小。在同一层数变化时，“S”型固结属于层间固结，纱线屈曲较大，在织物中参与交织，与两层纬纱均形成了经纬组织点；“N”型固结属于整体固结，在织物整个厚度方向进行固结，纱线屈曲较少，与织物层间没有交织，未形成组织点，因此较“S型”固结方式下的抽拔力小；“1”型固结只对经纱进行了一次固结，没有与纬纱无交织，未形成组织点，因此抽拔力最小。

3.2.2同一固结方式不同结构抽拔力分析比较

以上得出“S”型固结方式最好，对比在“S”型固结方式下，各结构织物的抽拔力，分析结构对抽拔力的影响，图10为各结构固结纱抽拔力结果。

由图10中可以得出：相同层数时，多层接结结构抽拔力最大，其次是多层角联锁、最后为多层正交。

由剖面图可以看出：相比于其他两种结构，多层正交结构最疏松，同时也最薄，固结纱在织物中所受到的阻力最小，因此抽拔力最小。多层角联锁结构中，接结点都在同一方向，其中一根固结纱与织物形成3次交叉，而多层接结结构中接结纱接结点不在同一方向上，其中一根固结纱与织物形成5次交叉，抽拔时所受到摩擦力更大，两种结构中的另外一根固结纱与织物交织次数相同，因此多层接结结构抽拔力大于多层角联锁结构。

4结论

通过对3种基础结构进行设计，顺利织造出了纵向厚度渐变三维机织物。对被减纱进行固结方式设计，并对其进行抽拔力测试，得到：在3种固结方式中，“S”型固结最好，对织物的结构稳定性影响最小；“S”型固结方式下，多层接结结构最稳定。这将为在改变织物层数方式下，织造三维厚度渐变机织物提供一定的理论参考。

参考文献：

[1] 李嘉禄，陈利，焦亚男.三维整体编织复合材料的结构和主要力学性能（英文）[J].西安工程大学学报，2009（2）：500-506.

[2] 祝成炎，田伟，申小宏.纵向变截面立体机织结构与组织设计[J].浙江工程学院学报，2003（2）：21-24.

[3] 祝成炎.非平面状3D结构织物及其织造技术综述[J].浙江工程学院学报，2000（2）：3-7.

[4] 祝成炎.3D立体机织物及其复合材料[J].丝绸，2005（1）：44-47.

[5] 李刚，郭兴峰，刘兰芳.三维机织物的设计与织造方法探讨[J].河北纺织，2008（1）：17-22.

[6] 祝成炎.渐变形截面立体机织结构及其复合材料[C].//中国复合材料学会.中国复合材料学会2004年年会论文集.北京：2004.

[7] 曾文敏.连续变厚度平面板状三维机织物的研制[D].上海：东华大学，2015.

[8] 王鹏.变厚度三维机织物的制备与结构分析[D].上海：东华大学，2012.

（责任编辑：张会巍）