第二节 三维机织物的轴向

在机织物中，一组平行方向的纱线系统被称为织物的一个轴向，简称向。如果织物中纱线的方向可以是任意的，则构成织物的纱线系统可以是两轴向、三轴向甚至更多的轴向，如三维四轴向（简称三维四向）织物，其构成立体织物的纱线具有四个方向。一般每一个平行系统的纱线由一套机构（或装置）进行控制，例如在传统织机上，经纱由送经机构控制，纬纱由引纬机构控制，平行系统的经纱和另一组平行系统的纬纱交织成平面机织物。

一、二维机织物的轴向

1.双轴向织物

传统的二维机织物由经纱和纬纱构成，可称为双轴向或双向织物，经纱与纬纱相互垂直。这种织物在经纱和纬纱方向具有较高的承载能力、变形小，但在倾斜方向（如±45°）容易变形，具有明显的各向异性特点。

在平面织物中，有时要求经纱与纬纱相互呈非90°交织，这种斜交织物也具有两个轴向。

2.三轴向织物

平面三轴向织物是由三组纱线相互间呈60°或120°交织起来形成的平面织物，它具有各向同性的特点，即不管织物在哪个方向受力，都有较均匀的抗拉伸或抗剪切的强力和刚度。根据三组纱线相互交织的规律不同，平面三向织物分平纹结构和双平纹结构两种，如图2-29所示。图2-29（a）是三向平纹结构，它由三组x、y、z纱线呈60°或120°角相互交织而成，其相邻的平行纱线之间距离大于纱线直径的两倍。在每一交叉点都是x纱在z纱之上、z纱在y纱之上、y纱在x纱之上，在相邻的六个交叉点之间留有六角形的空隙。图2-29（b）是双平纹结构，是两个平纹三向织物的叠加，其中两根x纱与两根y纱、两根z纱交织时上下次序都是一上一下交替配置，因此织物的交叉点多，织物的孔眼小、结构紧密。

图2-29 平面三轴向织物结构

3.多轴向织物

更多方向的平行纱线在平面内交织，可以形成四轴向、五轴向甚至更多轴向的织物，图2-30是一种四轴向平面织物的结构图。当然，随着织物轴向数的增多，其织造的设备也越复杂。

图2-30 二维四轴向机织物

二、三维机织物的轴向

为了清楚表示三维织物中纱线的方向，采用笛卡尔坐标系下的立方体，根据立方体内的几个主要方向：三个坐标方向、立方体的四个对角线方向、与坐标轴垂直的面内对角线方向，可以构成多种典型的三维多轴向织物。

1.三轴向织物

在三维机织物中，其构成的纱线具有三个方向，一般相互垂直，三个纱线方向在立方体中的表示如图2-31所示，分别与AB、AC、AE平行（沿x、y、z方向），织物的结构参见图2-1。

图2-31 三维机织物的三个轴向

2.四轴向织物

在三维织物中只存在沿立方体4个对角线方向的平行纱线，如图2-32（a）中的CH、DE、GA、FB。图2-32（b）是纱线在织物中的排列结构。

图2-32 四轴向织物

3.五轴向织物

在三维织物中存在五个方向的纱线，分别与x、y、z三个方向和垂直于某一坐标轴的平面内的两个对角线方向平行，如图2-33（a）中，除了沿x、y、z三个方向的纱线外，还在垂直于x轴的平面DBHG中，存在平行于DH和GB两个面内对角线方向。这种织物的结构如图2-33（b）所示，它表示了沿x轴方向视图内纱线之间的相互关系。

图2-33 三维五向织物

与垂直于x轴的平面一样，在垂直于y、z轴的每个平面内，还各有2条面内对角线，它们分别与x、y、z三个方向组合，还可以构成另外2种五轴向织物。

4.更多轴向的三维织物

相互垂直的x、y、z三个方向，立方体的4个对角线方向以及分别垂直于x、y、z轴的三个平面共6个面内对角线方向的不同组合，可以构成更多轴向的三维织物，典型的有7轴向、9轴向、11轴向、13轴向三维织物。

例如在7轴向三维织物中，纱线可以由x、y、z三个方向和立方体的4个对角线方向纱线构成，也可由x、y、z三个方向和两个面内的4条对角线方向纱线构成。

更为一般的情况，若所有纱线的方向均不受限制，即在立方体的体内、面内不仅仅局限于对角线方向，甚至连x、y、z三个方向也不一定正交，则可以得到任意结构的多轴向立体织物。需要指出的是，织物的轴向数越多，织物的结构越复杂，织造的难度也越高甚至有可能难以织造。

三、三维机织物的可织性

三维机织物作为产业用纺织材料，为了满足产品应用的需要，必须满足一定的强力要求，织物的承载能力不仅受织物结构、纱线性能的影响，还与织物中纱线的排列方向即织物的轴向有很大关系。由于应用领域的多样性，对织物中纱线的理想希望是能够任意铺放，即能够织造任意的多轴向结构织物。复合材料的强度可设计，就是通过设计复合材料中纱线的原料、排列的方向和密度等指标参数，来满足复合材料的各向强度要求。但随着织物轴向数的增加，织造的技术和设备也变得复杂起来。织造技术越复杂，不仅三维织物的制造成本高，也限制了其大规模的实际应用。随着应用领域的拓展、织造技术的进步和产量的增大，织造的成本将逐渐降低。

影响三维机织物可织性的因素很多，包括织物的结构形状、织造方法与原理、织造的设备与工艺、原料品质、织物参数与上机工艺参数、织造环境等。

织物的形状结构是根据织物最终应用的要求确定的，以满足各种形状和力学、孔隙率等性能的要求。通过织造方法与原理的设计，可为织造设备的设计和制造（或改造）提供依据。虽然织造方法的多样性为织制的多种多样的织物提供了条件，但目前还不能满足所有织物形状的织造要求，且各种织造方法都有其局限性，只能在一定品种范围内满足织物的织造。

三维机织物的生产工艺流程影响织物的生产成本和效率，各工序还没有专业的纺机制造厂家，再加上三维机织物的产量还远小于传统机织物，一般都选用尽可能短的工艺流程，以降低生产设备的制造成本，因此生产效率还比较低。有时辅以缝合、细编穿刺等工艺增加在织物厚度方向的纱线，来提高织物的层间强度。为了提高纱线的可织性，有时需在纱线上施加助剂，以减少织造过程中纱线的起毛、断头现象，施加的助剂应对后工序无害或者能够去除。例如，在织造复合材料用的多层织物前，可对纱线进行上浆或涂以油剂处理以降低其织造的难度，这些上浆材料或油剂应该不影响纤维与树脂的界面性能，否则在复合前必须考虑去除这些助剂，但当织物结构紧密、厚度较大时，处于织物内层纱线上的助剂清除困难。因此，研究不需要清除且有助于纤维与树脂界面结合的助剂很有必要。

纱线原料的品质对可织性影响很大，三维机织物一般采用碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、芳纶等高性能纱线为原料，其性能与传统的棉、毛、丝、麻和各种化纤纱线的性能差异显著，可织性存在明显不同。因此，在制订织造工艺参数时，必须予以注意，以获得较高的织造效率和织物质量。另外，纱线的结构如单纱与股线、短纤纱与长丝纱、有捻纱与无捻纱等，也都影响纱线的可织性。织物的参数包括纱线的原料、粗细、排列密度与方向以及织物的组织结构等，这些参数对可织的织物范围也有一定的影响。例如，织制传统的平纹结构织物时，采用的经纬纱线越粗，所能织制的经纬纱极限密度就越小。同样，对三维机织物也有类似的结果。