魏小玲， 李瑞雪， 秦 卓， 胡新荣， 林富生， 刘泠杉， 龚小舟

(1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院， 湖北 武汉 430200； 2. 湖北省服装信息化工程技术研究中心, 湖北 武汉 430200； 3. 三维纺织湖北省工程研究中心， 湖北 武汉 430200)

纺织结构的复合材料具有高比强度、高比刚度和耐疲劳性以及耐腐蚀性等性能[1-2]。传统的由二维织物构件制成的层合板复合材料，在外力达到或超过其极限强度时，极易发生层间界面破坏的情况[3]。利用三维纺织技术织造三维异型结构的机织物作为复合材料增强体[4]，由于织物本身在厚度方向上的纱线增强，以及接结纱的存在使织物“层”与“层”连结，将多层排列的经、纬纱连结成相互绑定的整体结构，使织造的三维机织物预制体整体性大大提高，层间剥离现象不易发生。而且制备三维整体机织物复合材料，不仅降低了复合材料制造成本，而且具有高耐损伤容限和高抗弯刚度等优异的力学性能[5-6]。

近几年来，由于三维纺织品在各领域的广泛应用，使得各种立体异型结构的研究逐渐增多。朱红等[7]采用纬向正交结构，研究织造了T 型+柱体内置纱线的立体混合造型, 设计出纬纱路径的交叉T型三维机织物，但这种方法的上机织造工艺比较繁琐复杂。陈思霞等[8]以角联锁组织为基础，设计了结构为T型、工字型及纬向回型的3种典型的三维异型件，但未说明在普通织机上的可织性。张雪飞等[9]设计了一种模拟汽车脚踏板的整体织造的纺织异型结构件，并设计出了带孔管纬向T字型三维机织物的经向截面图及上机图，在普通小样织机上进行了试织，但这种方法受到织机综框的限制，只能织造小尺寸的织物。吕丽华等[10]研究了不同梁高的T字型三维机织物复合材料的力学性能，但对织造工艺未进行详细说明。

本文通过设计织造由经纱绑定T字型立体结构的整体机织物，计算了T型截面不同区域内纱线层数以及所用的纱线数，设计经、纬纱线排列分布规律，同时对三维机织物结构进行了优化改进以及对织物的织造工艺进行了改善。讨论了相同运动规律的接结纱跨越的纬纱列数对织物梁高的影响。通过经纱实现织物“层”与“层”的接结，织造连续的T结构三维机织物预制体，以期为后续织造其他异型结构预制体提供参考。

1 T字型三维机织物结构设计与织造

1.1 织物尺寸参数设计

图1 T结构机织物经向截面图Fig.1 Warp section of T-structure woven fabric

1.2 基本组织结构选择

本文实验采用正交结构作为基本组织，如图2所示。选取其中一个截面，其经纬走向如图3(a)所示。图中圆圈表示纬纱；数字①,②,…,⑧表示纬纱数；曲线1，5表示接结经纱;直线2，3，4则表示衬垫经纱。根据经、纬纱的交织规律，画出其结构组织图，如图3(b)所示，横行的数字对应图3(a)中的经纱，竖列的数字对应纬纱。采用图2中的结构作为基本组织，织造经纱接结的T字型结构三维机织物。

图2 正交结构示意图Fig.2 Schematic diagram of orthogonal structure

图3 正交结构截面图Fig.3 Cross section of orthogonal structure. (a)Warp and weft direction chart； (b)Weave diagram

1.3 织物结构设计与织造

根据图1所示的织物经向截面图，本文实验要求梁高H1与底面厚度H2尺寸相等,设计T结构织物的经向组织循环图,如图4所示。从理论计算可得到，A区域的织物层数应是B区域的织物层数的2倍，然后根据总经纱数计算每个区的经纱根数，穿综时A区域经纱为330根，B区域为165根。穿综采用顺穿法，筘号选用40；投纬时10根棉纱并捻投1纬；接结经纱沿衬垫经纱方向引入。由此织造出的织物T字型横梁会出现跨越整个B区域的浮长线，实物图如图5所示。

图4 带浮长线的织物经、纬纱走向组织循环图Fig.4 Warp and weft direction weave cycle diagram of fabric with floating yarn

图5 实物图Fig.5 Physical image

2 T结构三维织物优化设计及工艺改进

2.1 结构优化设计

若织物中衬垫经纱层数(Nw)与纬纱层数(Nf)之间的关系为

Nw=Nf-1

(1)

RA=NwA+nNfA

(2)

RB=NwB+nNfA

(3)

RA=2RB

(4)

式中：RA表示A区域内的总纱根数；RB表示B区域的总纱根数；NwA表示A区域的经纱层数；NfA表示A区域的纬纱层数；NwB表示B区域的经纱层数；n表示纬纱列数。

本文实验设计中，确定T结构三维机织物A区域纬纱层数NfA=21，取纬纱列数n=10。由式(1)～(4)可得，RA=230根，RB=115根，则B区域织物纬纱层数NfB=10.5，取NfB=10，则经纱层数NwB=9，即确定了B区域的织物层数。设计优化后的T字型结构织物的组织循环图如图6所示，组织图如图7所示。

图6 整体T结构经、纬纱走向组织循环图Fig.6 Overall T-structure warp and weft yarn trend weave cycle diagram

图7 整体T结构织物组织图Fig.7 Overall T-structure fabric weave diagram

2.2 上机织造

进行上机织造时，适当调节纱线张力，使织造顺利进行，上机织造过程如下。

1)穿综。A、B区域均采用顺穿法，A区域部分穿入2～22页综，B区域部分穿入13～21页综，接结经纱穿入第1、22页综。

2)穿筘。为了减少提综动程过程中纱线与筘齿的摩擦，将T字型结构中1个横截面内或半个截面内的纱线穿入同一筘齿中，本次实验采用11根纱线为1筘。

3)送经。采用分轴送经和筒子架结合的方式。将A区域、B区域的纱线分别绑在不同经轴上送经。接结纱在织造过程中和经、纬纱互相交织，屈曲程度较大，导致接结纱送经量大，需要筒子架送经。

4)织造。为增加织物的整体厚度，采用增加投纬纱线数的方式，即用10根纱线投1纬。根据图6上机织造，实物图如图8所示。

图8 织物实物图①Fig.8 Physical drawing of fabric ①

为进一步优化织物的梁高H1和织物表面的平整度，使T字型结构三维机织物凸起部分更加明显，即梁高达到总厚度的一半。将相同运动规律的接结纱跨越的纬纱列数改为2，将A区域的浮线均匀下沉到B区域的每一经纱层，织物组织循环如图9所示。织物组织如图10所示。织造实物如图11所示。

图9 接结纱跨越2个纬纱列的经、纬纱走向组织循环图Fig.9 Warp and weft direction weave cycle of junction yarn crossing two weft yarn rows

图10 跨越2个纬纱列的织物组织图Fig.10 Fabric weave diagram spanning two weft rows

图11 织物实物图②Fig.11 Physical drawing of fabric ②

按图4、6、9所示的组织循环图进行织造，所得试样编号分别为a，b，c。A区域、B区域为1个完整的组织循环，1个组织循环内的经、纬纱数如表1所示。

表1 各区域组织循环经纬纱数Tab.1 Number of warp and weft yarns in different regions

2.3 T结构三维机织物

织造完成后，测量T字型三维整体机织物各区域的尺寸，数据结果见表2。

表2 T结构三维机织物各区域的尺寸Tab.2 Size of T-structure 3-D woven fabric mm

从表2数据可发现:相同运动规律的接结纱跨越2个纬纱列的织物②总高度H为7.0 mm,梁高H1为3 mm;而接结纱跨越1个纬纱列的织物①总高度H为6.5 mm,梁高H1为2 mm。可见，接结纱跨越2个纬纱列的织物比跨越1个纬纱列的织物梁高尺寸大，且更接近参数设计的理论高度。观察图8、11中的实物图发现，接结纱跨越2个纬纱列的织物T字型结构更明显，且织物表面更加平整。

在织造过程中，将图4中A区域的1～12页综框的衬垫纱下沉，造成了纱线在T型的拐角处聚集。由于衬垫纱需要均匀地下沉到B区域的每一层中，并且在A区域部分衬垫纱下沉时，纱线屈曲程度发生了变化，导致B区域织物受到纱线拉扯，造成了底面厚度与理论设计的偏差。另外织物的成型性还受纱线张力和打纬力度等其他不可控因素的影响，实际织造织物的各部分尺寸大小还是和理论设计有所不同。如果在织造中纱线都用筒子架供纱，每根纱线的张力就可得到很好地控制，织物呈现效果会更好。

3 结 论

1)通过对织物结构优化设计和上机工艺的改善，对T结构织物各区域的纱线数及经、纬纱层数的计算，以及合理分布经、纬纱布线规律，成功织造出一次成型的T结构三维机织物。

2)接结纱跨越2个纬纱列时，织物总高度H为7.0 mm，梁高H1为3 mm，T结构织物的梁高更接近于理论设计的高度。

3)织造一次成型的T结构三维立体预制体，可通过公式计算织物层数，确定T结构织物的梁高，为织造其他异型结构机织物提供更多的参考。通过合理调整结构设计参数，该纺织结构机织物可作为复合材料增强体满足在建筑墙体、桥梁中的应用要求。

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