【先进织造技术】从2D到3D：探索纤维编织技术的革命性进步
为了实现航空航天领域的结构增强，增强纤维在强度、刚度、耐热性或耐化学性方面需要具有非常高的性能。而纺织结构复合材料是为结构或承载应用而设计的含有刚性织物的材料，柔性纤维材料（纤维、纱线和织物）的特定组合则被称为纺织复合材料预成型件。纺织品预成型件在纤维取向、缠结和几何形状方面有很大差异。
各种高性能纤维的结构和性能：韧性、模量、耐热性、耐化学性等必须转化到纱线和织物结构中，才能生产出具有所需性能的预成型件。在机械性能的情况下，这种转移效率将在很大程度上取决于纤维在纱线和织物结构中的取向程度。
传统的2D机织物是由经纱和纬纱在挺杆或多臂织机上交织而成，形成平纹、斜纹和缎纹结构。机织过程有五个基本动作：送纬、脱纬、引纬、打纬和收纬。有许多引纬技术可供选择，如梭子、剑杆、喷气等。采用单向开口的2D编织工艺也适用于编织一些3D编织结构，包括3D立体正交和角度互锁结构、具有织物间隔层和蜂窝结构的3D中空间隔层结构、3D壳体结构和3D节点结构。图1显示了制造2D常规和3D角度互锁编织结构的2D编织原理。
图1 二维和三维编织结构的2D编织原理说明
尽管传统的2D编织工艺可以用于生产各种3D编织的实体结构，但厚度尺寸是有限的。出于这个原因，人们开发了不同类型的专门设计的3D织机来制造3D机织物，国外最早开发了一种特殊的织机，用于生产包含X、Y和Z纱线的无交织正交结构，如图2所示。
图2 专门设计的3D织机，用于制造3D立体正交结构
在织造过程中，Z向纤维静止，X纤维首先插入，然后打成适当的位置，然后Y纤维也插入并打成适当位置。重复此操作以产生紧凑的结构，直到达到所需高度，从而产生3D矩形横截面结构。随后，国外又开发了一种采用双向开口操作的3D织机。这样的开口系统使得经纱能够与纬纱的水平和垂直交织。这种特殊的3D编织工艺还可以直接生产编织成型材料。3D完全交织的编织结构即使在织物被切割和损坏时也能提供终极的结构完整性。
三轴编织结构的制造是由传统的二维编织和自动编织技术衍生的技术实现的。一台典型的三轴织机由Dow设计并由Barber-Colman制造，如图2.28所示。这台设备使用装有锭子的转轮来铺设经纱，然后使用综边来创建用于纬纱插入的梭口。
纤维纬编和经编的原理如图4所示。纬编结构中，在同一编织周期内，每根针在针床上连续地进行送纱和成圈。更具体地讲，A、B、C、D针与同一纬纱依次进料，从而形成一段带圈的织物(E、F、G、H)。经编结构中，在同一编织周期中，在针杆中的每根针上都会发生喂纱和成圈。针杆中的所有针（A、B、C和D）同时由单独的经纱导向器(E、F、G和H)进行搭接。
图4 纤维结构的针织原理：（上图）纬编；（下图）经编
圆纬针织的主要特点是产生管状的织物结构。然而，由于具有单针选择、线圈转移、多系统编织以及使用压针器和压下沉降器的能力，平纬针织在构建不同类型的管状结构（包括单管、分叉管和多分支管）时更具灵活性。图5显示了在计算机横机上使用选定针进行的单管编织。
图5 在电脑横机上用选定的针编织单管
管状针织通过在两个针床上交替地编织一根纱线，仅在两个边处将纱线从一个针床传递到另一个针座来形成管。通过将管状针织与内部编织技术相结合，可以实现单管编织的多种变化结构。
Intarsia针织技术使针织机能够使用多种不同的纤维来编织织物的不同部分。纤维可以单独使用，也可以同时使用。利用这种技术，可以通过首先先用一根纤维编织一定长度的单管，然后引入另一个纤维，用两根纤维同时形成两根管来形成分叉管。以类似的方式，通过使用更多的纤维，可以形成多分支管状结构。
计算机横机的多功能性为编织具有更复杂形状的3D结构织物提供了可能性，如图6所示的圆顶、球体和箱形。2D重复整形段可形成编织圆顶结构(图6(b))。这种2D分段是通过反复增加和减少作用中的针数量来实现的。每个成型段代表一个逐渐加宽然后逐渐变窄织物的操作。成型段的类型会影响圆顶的角度和高底比，而成型段的数量会影响圆顶形状。通过将圆顶的椭圆形段改为三角形段，可以形成箱形结构。
图6 3D壳体的编织原理：（a）圆顶/穹顶的三维理论结构；（b）圆顶/穹顶的2D图案；（c） 箱体/长方体的三维理论结构；（d） 箱体/长方体的2D图案
如图6（d）所示，对于圆顶/穹顶结构，表示操作针数量减少或增加的直线是线性的，而不是弯曲的。成型段类型会影响正在形成的长方体的角度。正在成型和未成型的针数之比决定了所得到的箱体长宽比。改变编织针数量的能力为计算机横机形成各种3D形状提供了最大的潜力。
间隔结构是在圆形、平纬编或经编机上用两组针生产的。配备圆筒和转盘的圆形纬编机能够生产间隔织物，其单独的外层由纤维连接。圆形纬编机上的间隔织物是使用拨针和圆柱针分别编织两层不同的织物，然后在拨针和圆柱针上用褶子连接两层织物（图7）。
图7 在圆形纬编机上生产间隔织物：（a）双层针织圆形机；（b） 在圆形机器上编织间隔织物
两个单独织物层之间的距离可以通过改变拨针相对于机器圆柱的高度来调整。以这种方式预设的间隔织物厚度可以在1.5到5.5毫米之间。类似于在圆形机器上生产间隔织物，通过在前针床和后针床上分别形成两个独立的织物层，然后通过两个针床上的褶裥将它们连接起来，在平面机器上生产具有纱线间隔层的间隔织物（图8）。
图8 在电脑横机上生产间隔织物：（a）电脑横机；（b） 在平机上编织间隔织物
两个针床之间的距离决定了间隔织物的厚度。与圆形纬编机不同，平面纬编机的两个针床之间的距离通常固定在4毫米左右。经编间隔织物与其他类型间隔织物的区别在于，它们的三个基本结构元素（即顶层、底层和间隔层）在同一编织周期中编织在一起。经编间隔织物是在双针杆拉舍尔机上生产的，其原理如图9（a）所示。当导杆1和2搭接前针杆，导杆5和6搭接后针杆（分别编织顶层和底层）时，导杆3和4在两个针杆周围依次搭接间隔纱。图9(b)显示了在双杆拉舍尔机器RD 6上生产间隔织物的过程。
图9 在双针杆拉舍尔机上生产间隔织物：（上）原理示意图；（下）设备图
来源：碳纤维及复合材料技术
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