摘要：本文主要介绍如何利用二维织机织造三轴向正交结构和角联锁结构两种简单的三维立体机织物板材预制件，确定了工艺的可行性，使规模化生产低成本三维机织物板材预制件成为可能，从而使原本性能优异却价格不菲的三维立体机织物板材预制件得以广泛应用。
1 前言
    纤维增强复合材料的应用日益广泛，在各种类型的纤维增强复合材料中，三维立体机织物增强是一种非常有效的增强型式，尤其是用三维立体机织物增强的复合材料板材，其整体化的纤维增强构件更是赋予材料极佳的层间剪切强度、较好的抗冲击损伤性、较高的比强度与模量和适宜的韧性。因此，纤维增强复合材料板材被广泛应用于建筑业、工业、航空航天以及汽车制造业等领域。
    传统的纤维增强复合材料板材并不是采用三维立体机织物作增强体，它一般采用单层纤维布经层压工艺而成。这类板材有一个缺点，即材料的层间剪切强度低，在冲击载荷的反复作用下，层间容易开裂。为了提高这类材料的层间剪切强度，可采用缝编的方法，但是，此种方法容易刺伤纤维，从而影响材料的力学性能，而且此法不易实现机械化生产。采用三维立体机织物作为增强体的复合材料板材就可以很好地解决材料的层间剪切强度低的问题。
    目前，大部分的三维立体机织物都是在专门的三维立体织机或正交三轴向织机上织造的，工艺和结构比较复杂，设备昂贵。本文的另一个创新点是通过确定织物组织搭配和投梭路径，成功地在普通小样织机上织造出这两种三维织物，确定了利用二维织机织造简单三维织物的可行性。
2  具体织造方法
    本节分别从预制件的结构、上机图以及具体织造步骤进行介绍，先介绍正交结构板材预制件，其次介绍角联锁结构板材预制件。
2.1  正交结构板材预制件
2.1.1  正交结构板材预制件的结构
    正交结构板材预制件的经向截面图如图1所示，1、2、3、4、5、6、7、8均为经纱，9为垂纱，黑点为纬纱。其中，1、2两层经纱和纬纱交织为一层织物，3、4两层经纱和纬纱交织成为一层织物，同样，5、6和7、8层经纱分别和纬纱交织，形成织物，然后，第9层纱即垂纱把这四层织物连接起来，形成一个厚度为四层织物的板材预制件。
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2.1.2  正交结构板材预制件的上机图
    正交结构板材预制件的上机图如图2所示，其左下方为组织图，左上方为穿综图，右下方为纹板图，右上方为提综顺序图。在组织图中，每9根经纱为一个组织循环，每8纬为一个投梭循环，涂黑的部分表示经纱提起在纬纱上方，没有涂黑的地方表示经纱沉在纬纱下方，经纬纱上下交织，形成织物。穿综采取了顺穿的方法，总共用了九片综框。穿筘时仍然采用一箱齿两人的方法，即每两根经纱穿入一个筘齿内，穿筘图从略未画。由于采用的穿综方法为顺穿法，所以纹板图和组织图是一样的，纹板图上自左向右涂黑的地方要在对应的纹板上钉上纹钉。
   
2.1.3 正交板材预制件的织制
    织制正交结构的板材预制件的步骤，包括“整经→穿综→穿筘→织造”四个环节，在这四个环节中，先应该进行的是整经，整经时，将经纱的一头缠在整经板一端的钉子上固定，按照“8”字形在整经板上来回缠绕，织造此织物时，总共用了72根经纱，整好后，先用一缕纱线将整经板上经纱来回缠绕时的交叉处绑好，以利于更加有效的分好经纱，然后再用小剪刀将缠绕在整经板两端钉子上的经纱剪断，将整好的经纱的一端吊在小样织机的机后，在纱线的交叉处用分绞棒将经纱分好，剪断绑住经纱交叉处的那缕纱线．就可以进行下一个环节-穿综了。[-page-] 
    穿综时采用顺穿法，即把一个组织循环中的各根经纱逐一地顺次穿在每一页综片上，一个组织循环中的经纱根数等于所需要的综片页数。穿综时每次可以穿两根，总共是用9片综框，穿好后，将吊起的经纱放下，并用手大致将经纱梳理一下，以便于进行下一个环节-穿筘。
    穿筘时采用筘号较小的30#钢筘，每筘齿穿两根，避免了因经纱较粗产生剧烈摩擦而断头。
    钉纹板时一定要严格按照纹板图来钉。一定要看清纹板在小样机上的走向，织制此织物时所用小样机的纹板走向是逆时针的，所以钉纹板时要采用自左向右、自上向下的方法，即纹板图上下方的横行要对应上边的块纹板，纹板图上自下向上的第二行要对应自上向下的第二块纹板，依次类推。每一横行的涂黑部分均为需要钉纹钉的地方，钉纹钉时要自左向右钉，和纹板图的顺序一致。
做完这些工作后，取来预先准备好的纬纱，就可以开始织造了。
织造时，为了撑开布幅，应该先用较粗的缕纱织前面几纬，然后再用几根细铁丝织接着的几纬，再用缕纱织几纬，后才可以用纬纱织制。织造时一定要注意打纬均匀，并且每次的送纬量也应该尽量一致，以保证布面的成形效果。
2.2 角联锁结构板材预制件
2.2.1  角联锁结构板材预制件的结构
    角联锁结构板材预制件的经向截面图如图3所示，在图中，1、2、3、4、5、6、7、8分别表示第l、2……8层经纱，黑点为纬纱，没有垂纱，其上下各层的连接是靠各根经纱自身上下交织而成的，例如，第1根经纱上下游走于各层之间，参与了每层经纱的交织，同理，第2、3、4、5、6、7、8根经纱也参与了每层的交织，即所有经纱都参与了层间连接，这种结构的织物交织紧密，经纱屈曲量一致，制成的材料受力时，纤维受力均匀，因此，这种结构的织物制成的板材具有很高的抗冲击强度和层间剪切强度，是一种理想的复合材料板材。
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2.2.2 角联锁结构板材预制件的上机图
    
    角联锁结构的板材预制件的上机图如图4所示，左下方为组织图，由组织图可知，每8根经纱为一个组织循环，在此图中，自左向右的第1、2、3、4、5、6、7、8根经纱分别对应其经向截面图（即图3中的第1、2、3、4、5、6、7、8根经纱）。由这两个图可以看出，在织制此角联锁结构的织物时，先织制上层织物，再织制第二层，再织制第三层，第四层……，其投梭顺序为由上到下依次投第1、2、3、4纬，然后再由上到下投第5、6、7纬，再由上到下投第8、9、10、11纬……直到投完下层的第56纬，然后重复从第1纬到第56纬的操作，依次类推。由此可知，织制此织物时每56纬为一个完整的投梭循环。组织图的上方为穿综图，穿综仍然采用顺穿法，总共使用了8片综框。穿筘仍采用一筘齿两入，在此并未画出穿筘图。纹板图仍然位于组织图的右方，因为每投56纬才能完成一个投梭循环，所以总共使用了56块纹板。[-page-]
2.2.3  角联锁结构板材预制件的织制
    角联锁结构板材预制件的织制方法和正交结构板材预制件的方法大致上是一样的，都是分为四个步骤“整经→穿综→穿箱→织造”。不同的是该角联锁结构的总经根数为80根。
    先在整经板上将经纱整好，并将其吊在小样织机上，接着开始穿综，穿综时仍然采用顺穿法，将各根经纱依次穿入第1、2、3、4、5、6、7、8片综框。然后开始穿筘，穿筘时仍采用筘号较小的30#钢筘，每筘齿穿两根。后开始钉制纹板，钉纹板时和前面完全一样，要按照自左向右、自上向下的原则钉制，并保证纹钉能紧紧的钉在纹板上，避免织造时纹钉脱落而影响织造。取来纬纱，就可以织造了。
    织造时注意先用几缕较粗的纱线和几根细铁丝撑开布幅，然后再开始织造。由于该角联锁结构的纹板数为56块，因此使用了小样织机上的一个撑起纹板的装置，即在小样织机右方增加了两个木制轴，这样就可以使用多块纹板了。
3 结 语
    通过对两种三维立体机织物板材预制件的试织，在小样织机上得到了纤维增强复合材料板材的预制件，证明只要通过经向截面图确定投梭路径图，此三维立体机织物完全可以用普通织机织造出来，但是也存在许多问题，由于受到小样织机综框数量的限制，不能织造出层数太多的板材预制件，一般采用手糊成型工艺对其进行复合材料整理。通过前人对三维立体机织物板材预制件的研究测试发现，三维立体机织物有着非常优越的力学性能，例如，极佳的层间剪切强度、承受载荷时变形小而强力大、较好的抗冲击损伤性、较高的比强度与比模量和适宜的韧性等等，能够达到取代传统的层合板的目的，为轻质高强的材料。