一种法向增强2.5D织物及其织造方法 【技术领域】
本发明涉及立体织物及其织造技术，具体为一种法向增强2.5D织物及其织造方法。
背景技术
2.5D织物及其织造技术是近年来迅速发展的一种新型三维织物织造技术。2.5D织物是在机织三维织造设备的基础上，利用多眼综丝使经纱形成多层开口，按一定顺序引入纬纱后形成的一类多层立体织物。2.5D织物中，纬纱基本处于平直状态，经纱弯曲穿过相邻的纬纱层，形成层层浅联织物结构。由于经纱未贯穿整个织物厚度，该类织物通常被称作2.5D织物(或称层层角联锁织物)。
2.5D织物增强的复合材料具有结构紧密、整体性好、力学性能优良等特点，同时可实现大尺寸异型结构件的近净形成型，在航空、航天、能源、交通、体育等领域具有广泛的应用。中国专利申请CN1182813A提出的三维立体织物织造方法可以织造三纬、六纬或九纬不同厚度的织物。中国专利申请CN1540052A提出了一种用于复合材料变截面的三维立体织物的织造方法，涉及三维正交立体结构、准正交立体结构、角联锁结构。中国专利申请CN1570234A提出了一种异型截面机织三维织物的织造工艺，采用多眼综丝实现了层层直交浅联结构织物和层层弯交浅联结构织物的成型。航空材料学报(杨彩云等，树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究，2006，26(5)：51-55)研究了四种2.5D织物结构及其增强的复合材料的性能。四种织物包括普通层层角联锁织物、衬经层层角联锁织物、衬纬层层角联锁织物和衬经衬纬层层角联锁织物。从四种织物增强的复合材料性能比较可以看出，复合材料沿经纱方向的压缩强度仅为拉伸强度的三分之一。虽然2.5D织物在厚度方向上经纱相互弯曲联锁，显著提高了复合材料的层间抗剪切性能，但是由于2.5D织物结构中经纱弯曲程度较高，当受到沿经纱方向的压缩载荷作用时，弯曲的经纱更容易发生失稳破坏，使得2.5D织物增强复合材料的经向抗压性能较差。
【发明内容】
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种法向增强2.5D织物及其织造方法。该2.5D织物具有贯穿织物厚度方向的法向纱线，由该2.5D织物制成的复合材料具有更高的层间(法向)连接强度，可以有效减少经纱的压缩失稳，显著提高复合材料的经向抗压性能。该织造方法是在现有2.5D织物织造技术的基础上，增加了一个法向纱线系统，该法向纱沿纬纱方向按一定的引入方式由引纱装置逐列垂直引入相邻的经纱列之间，工艺简单，可操作性强。
本发明解决所述织物技术问题的技术方案是：设计一种法向增强2.5D织物，包括经纱系统和纬纱系统，且经纱系统和纬纱系统相互交织成层层角联锁结构，其特征在于还包括法向纱系统，法向纱系统垂直于交织的经纱系统与纬纱系统，贯穿织物的厚度，并由相邻的经纱和纬纱夹持，构成所述的法向增强2.5D织物。
本发明解决所述织造方法技术问题的技术方案是：设计一种法向增强2.5D织物的织造方法，该织造方法用于织造本发明所述的法向增强2.5D织物，在现有2.5D织物织造方法基础上，增加了一个法向纱线系统，法向纱沿纬纱方向按一定的引入方式由引纱装置逐列垂直引入相邻的经纱列之间，贯穿织物的厚度方向，并由相邻的纬纱列夹持，实现法向增强2.5D织物的织造，具体工艺步骤包括：
(1)、初始排纱，根据织物的形状和尺寸设计要求在三维织机的前后综框中的多眼综丝上排列M层N列经纱；
(2)、开口运动，提综装置控制前后综框上下相对运动，带动经纱形成M+1层梭口，
(3)、引入纬纱，在形成的M+1层梭口中，由一个引纬装置依次逐层引入纬纱，或者由一个以上的引纬装置同时多层引入纬纱；引纬完成后，打纬机构向织口平移，把纬纱打入织口；
(4)、引入法向纱，法向开口装置沿纬向运动，使经纱逐列开口，形成N-1列梭口，引纱装置按一定引入方式依次在相邻经纱列间梭口中垂直引入法向纱；所述法向纱的一定引入方式包括绕结方式和植入方式，所述绕结方式是将法向纱在经纱列间由上至下或由下至上引入，穿过所有经纱层后，再绕过经纱列从相邻经纱列间由下至上或由上至下引出，并逐列进行，直至所有经纱列间全部引入法向纱；所述植入方式是将法向纱在经纱列间由上至下或由下至上引入，穿过所有经纱层后，再从同一经纱列间由下至上或由上至下引出，并逐列进行，直至所有经纱列间全部引入法向纱；
(5)、二次开口运动，提综装置控制前后综框上下相对运动，相邻经纱层相互交错，经纱弯曲并将平直的纬纱捆绑起来，形成新的M+1层梭口；
(6)、二次引入纬纱，在新的M+1层梭口中，按步骤(3)的方式分别在每一层梭口中二次引入纬纱，引入的纬纱将法向纱夹持起来，打纬机构向织口平移，把纬纱和法向纱同时打入织口；
(7)、重复所述工艺步骤(4)-(6)，即获得本发明所述的法向增强2.5D织物。
与现有技术相比，本发明法向增强2.5D织物除了具有现有2.5D织物的典型结构特征以外，还具有沿纬纱方向引入的贯穿织物厚度方向的垂直的法向纱，进一步增强了织物层间(法向)结构的整体性，有效减少了经纱的压缩失稳，显著提高了2.5D织物复合材料的经向抗压性能，可用于航空、航天、能源等领域的主承力结构和防热结构复合材料的支撑材料。本发明织造方法是在现有的2.5D织物织造技术的基础上，增加了一个法向纱线系统，法向纱沿纬纱方向按一定地方式由引纱装置逐列垂直引入相邻的经纱列之间，具有工艺简单，织造效率高，可操作性强等特点。
【附图说明】
图1为现有技术的2.5D织物基本结构示意图；图中1为经纱，2为纬纱。
图2为现有技术的纬向增强2.5D织物结构示意图；图中3为纬向增强纱。
图3为现有技术的经向增强2.5D织物结构示意图；图中4为经向增强纱。
图4为现有技术的经纬向增强2.5D织物结构示意图。
图5为本发明法向增强2.5D织物织造方法一种实施例的经纱初始排列结构示意图。图中的N1-N6为经纱列编号；N1、N3 N5为奇数列经纱；N2、N4 N6为偶数列经纱。
图6为本发明法向增强2.5D织物织造方法一种实施例的经纱开口运动示意图；图中的K1为前综框，K2为后综框。
图7(a)和(b)为本发明法向增强2.5D织物织造方法一种实施例的纬纱引入示意图；
图8为本发明法向增强2.5D织物织造方法的法向纱引入方法一种实施例(实施例1)示意图；图中5为法向纱，J1为第J1根经纱，J2为第J2根经纱。
图9为本发明法向增强2.5D织物一种实施例(实施例1)的结构示意图；其中，图9(a)为纬向截面织物结构示意图，图9(b)为经向截面织物结构示意图。
图10为本发明法向增强2.5D织物织造方法的法向纱引入方法另一种实施例(实施例2)示意图。
图11为本发明法向增强2.5D织物另一种实施例(实施例2)的结构示意图；其中，图11(a)为纬向截面织物结构示意图，图11(b)为经向截面织物结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。
本发明所述法向增强2.5D织物(简称2.5D织物)，包括经纱系统和纬纱系统，且经纱系统和纬纱系统相互交织成层层角联锁结构，其特征在于还包括法向纱系统，法向纱系统垂直于交织的经纱系统与纬纱系统，贯穿织物的厚度，并由相邻的经纱和纬纱夹持，构成所述的法向增强2.5D织物。
本发明的法向增强2.5D织物由三个相互垂直的纱线系统组成。三个相互垂直的纱线系统分别为经纱系统、纬纱系统和法向纱系统。经纱系统是多层经纱结构，经纱层数可以根据产品要求的织物厚度设计。纬纱系统水平垂直于多层经纱系统，依次逐层或同时多层引入经纱层。经纱系统和纬纱系统相互交织形成层层角联锁结构。交织的经纱系统和纬纱系统基本同于现有技术的2.5D织物。本发明的创新设计是在现有的2.5D织物(参见图1-4)基础上适当引入了法向纱系统。法向纱系统垂直于交织的经纱系统与纬纱系统，贯穿织物的厚度，并由相邻的经纱和纬纱夹持，构成本发明所述的法向增强2.5D织物。
本发明同时设计了所述法向增强2.5D织物的织造方法(简称织造方法，参见图5-11)，该织造方法是在现有2.5D织物(参见图1-4)及其织造方法的基础上实现的。本发明织造方法的改进特征是，增加了一个法向纱线系统，法向纱沿纬纱方向按一定的引入方式由引纱装置逐列垂直引入相邻的经纱列之间，贯穿织物的厚度方向，并由相邻的纬纱列夹持，进而实现法向增强2.5D织物的织造。
本发明织造方法具体包括如下工艺步骤：
(1)、初始排纱。根据织物的形状和尺寸设计要求在三维织机的前后综框中的多眼综丝上排列M层N列经纱；
(2)、开口运动。提综装置控制前后综框上下相对运动，带动经纱形成M+1层梭口，
(3)、引入纬纱。在形成的M+1层梭口中，由一个引纬装置依次逐层引入纬纱，或者由一个以上的引纬装置同时多层引入纬纱，打纬机构向织口平移，把纬纱打入织口；
(4)、引入法向纱。法向开口装置沿纬向运动，使经纱逐列开口，形成N-1列梭口，引纱装置按一定的引入方式依次在相邻经纱列间梭口中垂直引入法向纱；
(5)、二次开口运动。提综装置控制前后综框上下相对运动，相邻经纱层相互交错，经纱弯曲并将平直的纬纱捆绑起来，形成新的M+1层梭口；
(6)、二次引入纬纱。在新的M+1层梭口中，按步骤(3)的方式分别在每一层梭口中二次引入纬纱，引入的纬纱将法向纱夹持起来，打纬机构向织口平移，同时把纬纱和法向纱打入织口；
(7)、重复所述工艺步骤(4)、(5)、(6)，即获得本发明所述的法向增强2.5D织物。
以上工艺过程根据实际循环进行。
本发明织造方法中，步骤1、2、3、5、6为现有技术的工艺方法，用于织造2.5D织物的基本结构(参见图1)；步骤4为本发明的创新工艺步骤，用于实现在2.5D织物基本结构基础上适当引入法向纱，织造本发明法向增强的2.5D织物。
本发明织造方法所述的引入法向纱的引入方式有两种：
一是绕结方式：法向纱在经纱列间由上至下或由下至上引入，穿过所有经纱层后，再绕过经纱列从相邻经纱列间由下至上或由上至下引出，并逐列进行，直至所有经纱列间全部引入法向纱。
二是植入方式：法向纱在经纱列间由上至下或由下至上引入，穿过所有经纱层后，再从同一经纱列间由下至上或由上至下引出，并逐列进行，直至所有经纱列间全部引入法向纱。
所述法向纱两种引入方式的区别在于：采用法向纱植入方式织成的织物中，同一经纱列间有两根法向纱；而法向纱绕结方式织成的织物中，同一经纱列间只有一根法向纱。因此，为了提高法向纱在整体2.5D织物中所占的比例，在法向纱粗细不变的情况下，宜采用植入方式引入法向纱。
本发明未述及之处适用于现有技术。
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于详细说明本发明的2.5D织物及其织造方法，并不限制本发明的权利要求。
实施例1
经纱为190tex石英纤维×3股，纬纱为190tex石英纤维×6股，法向纱为190tex石英纤维×1股，经纱层数为6层，织物经密为90根/10厘米，纬密为20根/10厘米，织物宽度为100厘米，织物结构为法向增强层层角联锁结构。
经纬纱工艺参数设计：
(1)、经纱列数N＝织物宽度×经密＝100×90÷10＝900列；
(2)、经纱层数M＝6层，纬纱层数＝M+1＝7层；
具体实施步骤：
1、初始排纱。经纱排列为6层900列，为说明简单，选取6层6列为示意(参见图5，○代表奇数列中的经纱，●代表偶数列中的经纱，将经纱分别穿入前后(片)综框中，其中○代表的经纱穿入前综框K1中，●代表的经纱穿入后综框K2中)。
2、开口运动。将前综框K1向上移动一个经纱的位置，而将后综框K2向下移动一个经纱的位置，形成经纱的初始位置(参见图6)。经纱相互交替运动形成梭口。
3、引入纬纱。从上至下由引纬装置将纬纱2依次引入由经纱1形成的多层梭口(参见图7(a))。纬纱的层数为7层。引纬完成后，打纬机构向织口平移，把纬纱打入织口。
4、引入法向纱。采用绕结方式将法向纱5沿纬纱方向由左至右引入经纱列中(参见图8)，即法向纱5从第N1列经纱和第N2列经纱之间由上向下垂直引入，穿过所有经纱层后，绕结经纱J1形成纱圈，再从第N2列经纱和第N3列经纱之间由下而上垂直引入，穿过所有经纱层后，绕过经纱J2形成纱圈，再从第N3列经纱和第N4列经纱之间由上向下垂直引入，如此沿纬纱方向依次逐列在相邻经纱列之间垂直引入了法向纱5。
5、二次开口运动。将前综框K1向下移动两个经纱位置，而将后综框K2向上移动两个经纱位置，相邻经纱层相互交错，经纱弯曲并将平直的纬纱捆绑起来，形成新的梭口。
6、二次引入纬纱。从下而上由引纬装置将纬纱2依次引入梭口(参见图7(b))。引入的纬纱将法向纱夹持起来。引纬完成后，打纬机构向织口平移，同时把纬纱2和法向纱5打入织口。
7、重复所述工艺步骤4、5、6，即获得本发明所述的法向增强2.5D织物(参见图9)。
实施例2
经纱为190tex石英纤维×4股，纬纱为190tex石英纤维×5股，法向纱为190tex石英纤维×5股，经纱层数为6层，织物经密为57根/10厘米，纬密为40根/10厘米，织物宽度为100厘米，织物结构为法向增强层层角联锁结构。
经纬纱工艺参数设计：
1、经纱列数N＝织物宽度×经密＝100×57÷10＝570列。
2、经纱层数M＝6层，纬纱层数＝M+1＝7层。
具体实施步骤：
1、初始排纱。经纱排列为6层570列，选取6层6列为示意(参见图5，○代表奇数列中的经纱，●代表偶数列中的经纱，将这些经纱分别穿入前后片综框中，其中○代表的经纱穿入前综框K1中，●代表的经纱穿入后综框K2中)。
2、开口运动。将前综框K1向上移动一个经纱的位置，而将后综框K2向下移动一个经纱的位置，形成经纱的初始位置(参见图6)。经纱相互交替运动形成梭口。
3、引入纬纱。从上至下由引纬装置将纬纱2依次引入由经纱1形成的多层梭口(参见图7(a))。纬纱的层数为7层。引纬完成后，打纬机构向织口平移，将纬纱打入织口。
4、引入法向纱。采用植入方式将法向纱5沿纬纱方向由左至右引入经纱列中(参见图10)，即法向纱5从第N1列经纱和第N2列经纱之间由下向上垂直引入，穿过所有经纱层后，从第1列经纱J1和第2列经纱J2之间由上而下返回，再绕过经纱J1后，从第N2列经纱和第N3列经纱之间由下向上垂直引入，穿过所有经纱层后，又从第N2列经纱和第N3列经纱之间由上而下返回，如此沿纬纱方向依次逐列在相邻经纱列之间垂直引入了法向纱5。
5、二次开口运动。将前综框K1向下移动两个经纱位置，而将后综框K2向上移动两个经纱位置，相邻经纱层相互交错，经纱弯曲并将平直的纬纱捆绑起来，形成新的梭口。
6、二次引入纬纱。从下而上由引纬装置将纬纱2依次引入梭口(参见图7(b))所示。引入的纬纱2将法向纱7夹持起来。引纬完成后，打纬机构向织口平移，同时将纬纱2和法向纱5打入织口。
7、重复所述工艺步骤4、5、6，即获得本发明所述的法向增强2.5D织物(参见图11)。