高性能纤维立体织造技术根据成型原理和结构形式的不同，可分为三维编织、三维机织、三维针织、三维缝合及针刺等主要类型，不同的纺织工艺路线和预制体结构，具有各自独特的编织机制和性能特点。本期将介绍三维针织技术与其他立体织造技术。
Part.1 三维针织技术
针织是将纱线沿经向或纬向形成线圈并相互串套而形成织物的过程，通过多轴向衬纱加经编线圈的立体交织，实现纤维增强体的一体化成型。针织物具有良好的成型性能，特别适用于作为柔性复合材料的增强结构。三维针织复合材料在20世纪90年代才得到初步研究，其特点在于作为复合材料增强体时具有良好层间剪切力与适形力。但是在针织过程中成圈纱线受到严重的弯曲，玻璃纤维、碳纤维等一类脆性纤维不适于用作成圈纱线。因此，普通的纬编和经编织物较少作为高性能复合材料的增强结构使用。
郑小号等提出一种垂面串套三维纬编针织结构，可有效解决空气层织物易抽丝和勾丝的难题，并且有效增加了织物维度，使织物间隔得到更大范围变化；且这种结构做成的预制体在衬入纱线或以其他方式提高结构稳定性后用途广泛，可用作产业用、服装用或军事用产品。
垂面串套三维纬编结构俯视图
天津工业大学研发的纬编双轴向织物因特殊的编织方法和结构，在设计上有很大的空间，织物可设计成多层，目前最多可达 5 层，每层衬纱可以设计使用不同原料，而衬纱的角度也可设计成多角度。纬编双轴向多层衬纱织物大多采用碳纤维、玻璃纤维、芳纶等高性能纤维制备而成，其复合增强材料多用于军用装备、航空航天等领域。
Part.2 其他立体织造技术
三维机织、编织等技术是直接成型的三维纤维拓扑结构工艺，而针刺和缝合技术则属于对二维叠层预制体的二次增强，归类为层间增韧技术。针刺技术通过带倒钩刺针垂直穿刺纤维叠层，钩取面内纤维，形成非连续Z向纤维簇，从而实现层间增韧；缝合技术则通过高强线材贯穿预制体，构建连续Z向缝线网络，进行层间增强。
针刺技术采用高频阵列刺针沿厚度方向机械穿刺预制体，将水平铺置的短切纤维束机械迁移至厚度方向，形成随机分布且三维交织的纤维桥联网络。尽管针刺工艺在面内纤维损伤和局部孔隙率方面存在挑战（针刺密度通常为10 ～ 40针/cm?），但其可同步完成纤维层间锁合与预成型，使层间断裂韧性提高到未针刺样品的150%以上，显著抑制冲击后分层扩展。天津工业大学与航天材料及工艺研究所联合开发的多轴联动数控针刺平台，已实现≥50 mm厚碳/玻混杂预制体的梯度密度针刺，并配备在线深度－张力闭环监控系统。该工艺路线已在高超音速飞行器热防护舱段、火箭发动机喷管扩张段等超厚C/C－SiC构件上验证。
缝合技术则采用高强线材沿法向机械贯穿预制体，通过锁式或链式缝迹建立连续Z向增强体系。虽然缝合技术在设备投资和生产效率方面受到一定限制（线迹密度 1 ～ 5 针/cm?），但其能使层间剪切强度提升至基体的200%以上，彻底解决了应用于航空航天主承力结构中的分层失效风险。如南京玻纤院在多针缝合装备领域已取得阶段性成果，其研制的携纱导向片－铺纱一体化装置可在≥100 mm厚立体织物预制体中实现变轨迹铺纱，并具备缝线张力闭环调节功能；该工艺路径预期可将火箭燃料贮箱端框等超厚复合材料构件的冲击后压缩强度保留率提升至80%以上。该技术推动了立体织造技术从平面层合向整体化结构的跨越，成为抗冲击部件和极端环境装备的核心制造工艺。
来源：纺织导报
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