平面四轴向机织物的基本结构分析

陈 杰 陈旭炜 李毓陵

(东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620)

平面四轴向机织物是一种新结构织物，如图1所示。它由四组纱线，即0°纬纱、90°经纱以及45°斜纱和－45°斜纱两组移动经纱组成，在交织点处成米字形结构，如图2所示。

图1 平面四轴向机织物

图2 米字形结构

由图2可见，四组纱线沿四个方向均匀分布构成整个织物，因此平面四轴向机织物比传统织物和三向织物能更好地满足各向同性的要求，并且四组纱线相互阻止各自靠拢，使得形成的织物结构稳定性比较好。由于其各向同性好，织物所受的力分布于四个轴向上，使织物能承受的负荷大大增加。前人已经对平面四轴向机织物的结构稳定性、顶破性能及撕裂性能等进行了测试，证明了以上理论［1］。

国外在20世纪70年代就开始对四轴向机织物进行研究，至今已经制造出能够量产的平面四轴向机织物织机［2］，并可以生产多种原料的四轴向织物。而我国在这方面还处于初级研究阶段，前人已经做出了简易的机构能够织造出简单的四轴向织物，但是还没有人对平面四轴向机织物的基本结构进行过分析。

本文对平面四轴向机织物的基本结构进行理论分析，为织造出多种结构的四轴向织物提供基础。

1 平面四轴向织物结构分析

1.1 平面四轴向机织物结构

平面四轴向机织物由四组纱线组成，要考虑四根纱线之间的交织方式，所能形成的基本组织远多于传统织物。在平面四轴向机织物组织中，一个组织循环内，四组不同的纱线共同形成一个米字形结构，本文将这个结构称为基本结构。因为一个基本结构是由四组纱线相互交织而成的，交织的方式不同，形成米字结构的方式也不一样。本文根据四根纱线之间的交织结构来分析平面四轴向机织物的基本结构。

由四组纱线组成的米形字结构，如果直接分析四根纱线之间的交织比较复杂，本文将米字形结构的形成过程分为四个阶段：第一阶段是一根纱线时，第二阶段是有两根纱线交织时，第三阶段是有三根纱线交织时，第四阶段是有四根纱线交织即米字形结构时。先单独考虑每个阶段的交织情况，最后总结出四根纱线能够形成的米字形结构的种类，这样就比较容易分析。

如果没有米字形结构的限制，单独一根纱线可以放在任何方向。但是在米字形结构中，一根纱线只能有四个方向，如图3所示：0°纬纱、90°经纱、±45°斜纱。由于本文以考虑在米字形结构中四根纱线之间的交织方式为出发点，所以不管第一根纱线为0°方向的纬纱还是45°方向的斜纱，对其他纱线与这根纱线交织的情况没有影响;同理，不管第二、第三和第四根纱线放在哪个方向，对其他纱线与其交织的情况也没有影响。因此本文暂且定义第一根纱线为0°方向的纬纱，第二根为90°方向的经纱，第三根为45°方向的斜纱，第四根为－45°方向的斜纱。

图3 米字形结构中的纱线方向

1.2 第一阶段

如果只有一根纱线，没有其他纱线与其交织，那么这根纱线只有一个状态，如图4所示，用(1－0)作为代码。

1.3 第二阶段

在第一阶段的基础上，加入第二根纱线，则第二根纱线有两种状态：一是放在第一根纱线之上，二是放在第一根纱线之下。如图5所示，用(1－1)和(1－2)作为代码。

图4 第一阶段的纱线状态

图5 第二阶段的纱线状态

1.4 第三阶段

在第二阶段的基础上加入第三根纱线时，有三个位置可放，以(1－1)为例，如图6所示。

图6 第三阶段的纱线位置

当以(1－1)为基础时，第三根纱线放在位置1处，则第三根纱线与(1－1)有四种交织状态，如图7所示，代码编写方式与第二阶段类似。如：(1－1－1)表示第三根纱线在0°纬纱和90°经纱之上;(1－1－2)表示第三根纱线在0°纬纱之上，90°经纱之下，等等。

图7 第三阶段纱线的四种交织状态

从图7中可以看出，(1－1－1)、(1－1－2)和(1－1－4)的第三根纱线与另外两根纱线不交织。在不交织的情况下，由于没有纱线阻止其滑动，所以第三根纱线在(1－1)的基础上可以随意滑移。因此，第三根纱线处于位置1、2和3时，与(1－1)交织形成的状态实际上是同一种状态。所以对于交织状态(1－1－1)、(1－1－2)和(1－1－4)来说，不论第三根纱线处在哪一个位置，每个位置中纱线的交织状态都是一样的，只需考虑一个位置即可。

对于(1－1－3)交织情况来说，第三根纱线只有位置1和位置3可以放，在每个位置中其与(1－1)状态中的纱线交织关系都一样。由于第三根纱线受到0°纬纱和90°经纱的阻碍而不能随意滑移，所以从表面上看每个位置的交织状态都不相同。但是在织物组织中，第三根纱线在这两个位置所形成的交织状态都是一样的。图8为多个循环状态，从图中可以看到，状态1和状态2中的45°斜纱是同一根纱线，这根纱线在状态1中放在位置1，而在状态2中放在位置3。所以在织物组织中第三根纱线在位置1和位置3都是一样的，也只需要考虑一个位置即可。

同理，当第一根纱线和第二根纱线以(1－2)为基础时，第三根纱线与其交织，能够形成的状态也只有四种。所以在第三阶段，三根纱线有8种交织状态，如表1所示。

图8 每种交织状态时纱线的位置

表1 第三阶段中纱线的交织状态

1.5 第四阶段

在第四阶段中，第四根纱线在第三阶段的基础上，与其中的每一个状态进行交织所形成的结构即为本文所描述的米字形结构。如第四根纱线在－45°方向与图7(1－1－1)中的三根纱线的交织形式如图9(b)所示，可以看出，第四根纱线与(1－1－1)交织形成三个交点，其中每个交点处都是两根纱线交织，有两种交织方式。所以第四根纱线与(1－1－1)共有23种交织方式，能形成的米字形结构有23=8种，如图10所示，代码编写方式与第三阶段类似。

图9 在第三阶段基础上第四根纱线的交织情况

因为第三阶段中有8种不同状态，所以第四阶段中总共有64种米字形结构，即平面四轴向织物有64种基本结构，具体形式如表2所示。

2 基本结构的分类

仔细观察，发现64种基本结构可分为两大类：不稳定结构和稳定结构。

2.1 不稳定结构

不稳定结构中有一根或多根纱线可以随意滑移，即与其他纱线不交织，没有其他纱线阻止其滑移，单独循环应用这种结构不能形成稳定织物。如图11中的(1－1－4－1)，四根纱线都可以随意滑动，纱线之间相互不交织。(1－1－4－2)的－45°斜纱、45°斜纱和0°纬纱相互交织，90°经纱与其他三根纱线不交织，单独存在，可以随意滑移。因此这一类结构单独应用都不能形成稳定织物。

图11 不稳定结构

分析表2中的64种基本结构，可以发现不稳定结构共有40种，如表2中的未加粗代码所示。

2.2 稳定结构

稳定结构为四根纱线相互交织，纱线之间相互阻止滑动，形成一个稳定的基本结构，如表2中的(1－1－3－2)。单独循环应用这种结构可以形成稳定织物。

分析表2中的米字形结构，属于稳定结构的总共有24种，如表2中的加粗代码所示。

3 织造可行性

由于现有的织造装置［1，3-5］在织造时将所有的90°经纱按照一定顺序固定在一个可移动装置上，经纱在水平方向进行前后运动，两组斜纱悬挂在一个只可以进行左右运动的斜纱装置上，所以斜纱的移动只负责实现±45°方向，而不能实现相互交织。通过前后移动90°经纱，使其与两组斜纱相交形成织口，最后引入0°纬纱形成基本结构。因此利用现有织造装置织造时，引纬装置在作纬向运动时只能位于两根斜纱的同一侧，纬纱也只能在两根斜纱的同一侧，且所有的经纱也只能在纬纱的同一侧，得到的其实就是(1－2－1－3)。可见，现有织造装置具有一定的局限性。

可行织造的结构如表3所示。在表3中有25种属于不稳定结构，8种属于稳定结构。因为在不稳定结构中，交点比较少，交织不复杂，对织造机构的运动要求较低。文献［1，3-6］中所应用的大多数属于不稳定结构。对于稳定结构，四组纱线相互交织，能够形成很稳定的织物组织。但是由于交织点太多，机器织造困难。虽然文献显示也织造出了一些稳定结构［6］，但是并没有表明是否采用了自动的机器织造。

表2 64种基本结构

4 结语

平面四轴向机织物由四组纱线组成，在一个组织循环内，四组不同的纱线共同形成一个米字形结构，本文将此结构称为基本结构。

表3 可行织造结构

(1)平面四轴向机织物共有64种基本结构，根据纱线的交织情况可分为稳定结构和不稳定结构两大类。

(2)不稳定结构有40种，这类结构中至少有一组纱线是独立的，能够随意滑移，不受限制，单独循环应用不能形成稳定织物。

(3)稳定结构有24种，这类结构中四组纱线相互交织，因此每种结构单独循环织造就能够形成稳定织物。

［1］陈培伟.平面四轴向机织物的制备与力学性能研究［D］.上海：东华大学纺织学院，2013.

［2］DIMA公司.四轴向织物的生产和用途［J］.陈廷，译.国际纺织导报，1998(3)：46-47.

［3］DINI Mamiliano.Tetraxial fabric and weaving machine for the manufacture：EP，92117143.5［P］.1992-08-10.

［4］DINI Mamiliano.Tetraxial fabric and machine for its manufacture：US，2005/0011576 A1［P］.2005-01-20.

［5］马米利亚诺·迪尼.四轴向织物以及用于其制造的机械：中国，1555436 A［P］.2004-12-15.

［6］SHIGENOBU Iida，CHIKAJI Ohmori，TAKAO Ito，et al.Multi-axial fabric with triaxial and quartaxial portions：US，5472020［P］.1995-12-05.