第二節 三維機織物的軸向

在機織物中，一組平行方向的紗線系統被稱為織物的一個軸向，簡稱向。如果織物中紗線的方向可以是任意的，則構成織物的紗線系統可以是兩軸向、三軸向甚至更多的軸向，如三維四軸向（簡稱三維四向）織物，其構成立體織物的紗線具有四個方向。一般每一個平行系統的紗線由一套機構（或裝置）進行控制，例如在傳統織機上，經紗由送經機構控制，緯紗由引緯機構控制，平行系統的經紗和另一組平行系統的緯紗交織成平面機織物。

一、二維機織物的軸向

1.雙軸向織物

傳統的二維機織物由經紗和緯紗構成，可稱為雙軸向或雙向織物，經紗與緯紗相互垂直。這種織物在經紗和緯紗方向具有較高的承載能力、變形小，但在傾斜方向（如±45°）容易變形，具有明顯的各向異性特點。

在平面織物中，有時要求經紗與緯紗相互呈非90°交織，這種斜交織物也具有兩個軸向。

2.三軸向織物

平面三軸向織物是由三組紗線相互間呈60°或120°交織起來形成的平面織物，它具有各向同性的特點，即不管織物在哪個方向受力，都有較均勻的抗拉伸或抗剪切的強力和剛度。根據三組紗線相互交織的規律不同，平面三向織物分平紋結構和雙平紋結構兩種，如圖2-29所示。圖2-29（a）是三向平紋結構，它由三組x、y、z紗線呈60°或120°角相互交織而成，其相鄰的平行紗線之間距離大于紗線直徑的兩倍。在每一交叉點都是x紗在z紗之上、z紗在y紗之上、y紗在x紗之上，在相鄰的六個交叉點之間留有六角形的空隙。圖2-29（b）是雙平紋結構，是兩個平紋三向織物的疊加，其中兩根x紗與兩根y紗、兩根z紗交織時上下次序都是一上一下交替配置，因此織物的交叉點多，織物的孔眼小、結構緊密。

圖2-29 平面三軸向織物結構

3.多軸向織物

更多方向的平行紗線在平面內交織，可以形成四軸向、五軸向甚至更多軸向的織物，圖2-30是一種四軸向平面織物的結構圖。當然，隨著織物軸向數的增多，其織造的設備也越復雜。

圖2-30 二維四軸向機織物

二、三維機織物的軸向

為了清楚表示三維織物中紗線的方向，采用笛卡爾坐標系下的立方體，根據立方體內的幾個主要方向：三個坐標方向、立方體的四個對角線方向、與坐標軸垂直的面內對角線方向，可以構成多種典型的三維多軸向織物。

1.三軸向織物

在三維機織物中，其構成的紗線具有三個方向，一般相互垂直，三個紗線方向在立方體中的表示如圖2-31所示，分別與AB、AC、AE平行（沿x、y、z方向），織物的結構參見圖2-1。

圖2-31 三維機織物的三個軸向

2.四軸向織物

在三維織物中只存在沿立方體4個對角線方向的平行紗線，如圖2-32（a）中的CH、DE、GA、FB。圖2-32（b）是紗線在織物中的排列結構。

圖2-32 四軸向織物

3.五軸向織物

在三維織物中存在五個方向的紗線，分別與x、y、z三個方向和垂直于某一坐標軸的平面內的兩個對角線方向平行，如圖2-33（a）中，除了沿x、y、z三個方向的紗線外，還在垂直于x軸的平面DBHG中，存在平行于DH和GB兩個面內對角線方向。這種織物的結構如圖2-33（b）所示，它表示了沿x軸方向視圖內紗線之間的相互關系。

圖2-33 三維五向織物

與垂直于x軸的平面一樣，在垂直于y、z軸的每個平面內，還各有2條面內對角線，它們分別與x、y、z三個方向組合，還可以構成另外2種五軸向織物。

4.更多軸向的三維織物

相互垂直的x、y、z三個方向，立方體的4個對角線方向以及分別垂直于x、y、z軸的三個平面共6個面內對角線方向的不同組合，可以構成更多軸向的三維織物，典型的有7軸向、9軸向、11軸向、13軸向三維織物。

例如在7軸向三維織物中，紗線可以由x、y、z三個方向和立方體的4個對角線方向紗線構成，也可由x、y、z三個方向和兩個面內的4條對角線方向紗線構成。

更為一般的情況，若所有紗線的方向均不受限制，即在立方體的體內、面內不僅僅局限于對角線方向，甚至連x、y、z三個方向也不一定正交，則可以得到任意結構的多軸向立體織物。需要指出的是，織物的軸向數越多，織物的結構越復雜，織造的難度也越高甚至有可能難以織造。

三、三維機織物的可織性

三維機織物作為產業用紡織材料，為了滿足產品應用的需要，必須滿足一定的強力要求，織物的承載能力不僅受織物結構、紗線性能的影響，還與織物中紗線的排列方向即織物的軸向有很大關系。由于應用領域的多樣性，對織物中紗線的理想希望是能夠任意鋪放，即能夠織造任意的多軸向結構織物。復合材料的強度可設計，就是通過設計復合材料中紗線的原料、排列的方向和密度等指標參數，來滿足復合材料的各向強度要求。但隨著織物軸向數的增加，織造的技術和設備也變得復雜起來?？椩旒夹g越復雜，不僅三維織物的制造成本高，也限制了其大規模的實際應用。隨著應用領域的拓展、織造技術的進步和產量的增大，織造的成本將逐漸降低。

影響三維機織物可織性的因素很多，包括織物的結構形狀、織造方法與原理、織造的設備與工藝、原料品質、織物參數與上機工藝參數、織造環境等。

織物的形狀結構是根據織物最終應用的要求確定的，以滿足各種形狀和力學、孔隙率等性能的要求。通過織造方法與原理的設計，可為織造設備的設計和制造（或改造）提供依據。雖然織造方法的多樣性為織制的多種多樣的織物提供了條件，但目前還不能滿足所有織物形狀的織造要求，且各種織造方法都有其局限性，只能在一定品種范圍內滿足織物的織造。

三維機織物的生產工藝流程影響織物的生產成本和效率，各工序還沒有專業的紡機制造廠家，再加上三維機織物的產量還遠小于傳統機織物，一般都選用盡可能短的工藝流程，以降低生產設備的制造成本，因此生產效率還比較低。有時輔以縫合、細編穿刺等工藝增加在織物厚度方向的紗線，來提高織物的層間強度。為了提高紗線的可織性，有時需在紗線上施加助劑，以減少織造過程中紗線的起毛、斷頭現象，施加的助劑應對后工序無害或者能夠去除。例如，在織造復合材料用的多層織物前，可對紗線進行上漿或涂以油劑處理以降低其織造的難度，這些上漿材料或油劑應該不影響纖維與樹脂的界面性能，否則在復合前必須考慮去除這些助劑，但當織物結構緊密、厚度較大時，處于織物內層紗線上的助劑清除困難。因此，研究不需要清除且有助于纖維與樹脂界面結合的助劑很有必要。

紗線原料的品質對可織性影響很大，三維機織物一般采用碳纖維、玻璃纖維、石英纖維、芳綸等高性能紗線為原料，其性能與傳統的棉、毛、絲、麻和各種化纖紗線的性能差異顯著，可織性存在明顯不同。因此，在制訂織造工藝參數時，必須予以注意，以獲得較高的織造效率和織物質量。另外，紗線的結構如單紗與股線、短纖紗與長絲紗、有捻紗與無捻紗等，也都影響紗線的可織性?？椢锏膮蛋喚€的原料、粗細、排列密度與方向以及織物的組織結構等，這些參數對可織的織物范圍也有一定的影響。例如，織制傳統的平紋結構織物時，采用的經緯紗線越粗，所能織制的經緯紗極限密度就越小。同樣，對三維機織物也有類似的結果。