第三节 三维机织物的应用

一、在复合材料工业的应用

纺织复合材料所具有的重量轻、强度和刚度大、抗疲劳性好等特点，使其率先在航空航天领域得到应用。经过几十年的发展，目前航空、航天飞行器的许多部件都已经采用纺织复合材料，使用范围从初期的次承力部件（构件）发展到主承力部件（构件）。资料报道，美国军用飞机从F16、F18到F22，复合材料的用量分别为3.4%、12.1%和26%，使用量逐步扩大。随着主承力结构复合材料在军用飞机上的成功应用，民用飞机上应用的复合材料也越来越多，如波音B767、B777复合材料用量分别为3%、11%，到B787的用量已达到50%；空客A320、A340的复合材料用量为5.5%、8%，而A380采用了25%的复合材料。在航天飞行器中，复合材料的应用更为广泛。例如美国“北极星A-3”潜地导弹采用复合材料后比原先的金属结构质量减轻50%～60%，飞马座火箭的三级固体火箭发动机采用的复合材料已占其构件质量的94%。由于高性能复合材料的应用，尽管卫星的尺寸和有效载荷日益增加，卫星的结构质量占整星质量的比例日益减小，由过去的13%～20%向10%以下发展。

纺织复合材料在航空航天的成功应用，对其他领域的应用起到启迪和促进作用。到目前为止，纺织复合材料已渗透到几乎所有的技术领域，如建筑、交通运输、石油化工、体育器材、医疗卫生、海洋工程、纺织等。

由传统平面织物增强的复合材料层合板，存在抗冲击性能差，层间强度低，易分层破坏的缺点；在制造过程中存在手工操作多、劳动强度大、零部件多等问题，使高性能复合材料成本很高。三维织物的应用，可使这些问题得到明显解决，下面是几个三维机织物实际应用的例子。

带筋板是应用较多的复合材料结构。图1-2是一种带筋板复合材料，以整体的三维机织物作增强材料，沿纵向的加强筋和沿横向的三个加强筋与面板织物交织在一起。纤维从面板织物到加强筋织物是连续的，不仅提高了力学性能，整体性好，也不再需要传统的粘结工艺。

图1-2 整体机织带筋板复合材料

图1-3是整体三维机织物增强的桁架梁结构复合材料，通过纱线之间的连接作用，将连接板、梁帽、加强筋三部分交织成一个整体，加强筋提高了桁架梁的抗剪性能，弯曲载荷由梁帽中0°方向排列的纱线承担。分布在连接板两侧的加强筋可以对称也可呈90°交叉，90°交叉分布是连接板两侧加强筋的倾斜方向相反，呈90°交叉。

图1-3 机织桁架梁复合材料

二、在医疗卫生的应用

医疗卫生用纺织品分普通医用纺织品和高性能医用纺织品。

1.普通医用纺织品

普通医用纺织品主要包括医疗护理用布，病人及病房用布，医护人员隔离服，手术室用布等。

2.高性能医用纺织品

高性能医用纺织品主要包括保健类纺织品，如具有杀菌、防臭功能的服装和鞋帽等；治疗类纺织品，如止血、消痒的纺织品，舒适功能纺织品，抗病毒用纺织品等；仿器类纺织品，如人造血管，人造气管，人工肾等；防护类纺织品，如各种防辐射服装（防X线服装、防中子服装、防电磁辐射服装等）。其中最具科技含量的是仿器类纺织品，它既属于产业用纺织品领域，又属于医疗器材范畴，是生命、材料、纺织、机械等多学科交叉的产物，虽然产业规模不大，但知识密集，附加值很高，发展势头十分强劲。

人造血管按制造工艺的不同分机织、针织、编织、复合法等，按几何形状的不同分直筒形和分叉形。图1-4是两种分叉结构的机织人造血管。为使人造血管沿半径方向有一定的刚度和沿纵向有一定的拉伸变形能力（顺应性），需要对血管织物进行波纹化处理。最早商品化的人造血管采用了机织的平纹组织，并一直沿用至今。由于机织人造血管的管壁结构紧密、稳定且变形小，适用于血流速度较高的位置，如胸主动脉，或用于患有血液凝结机制损伤的患者。

图1-4 带分支结构的人造血管织物

图1-5所示的是高壁厚人造仿器管道，可用于人体腹腔内管状器官的修复，如心血管系统、胃肠系统、呼吸系统等。它的壁厚由多层纱线交织而成，有足够大的径向刚度使管道保持通畅，屈曲的纱线使织物纵向有顺应性，而光滑的管道内壁有利于流体的输送。

图1-5 高壁厚人造仿器管道

三、在土木工程的应用

土工织物是应用于土木工程的纺织材料，起排水、过滤、加固、防护、隔离、防渗等作用，使用的环境不同对土工织物性能的要求也不相同，可通过材料、纱线、织物结构的设计来满足这些要求。在进行土工织物的设计时，还应考虑其使用的寿命，这不仅与织物本身有关，还与应用的环境、气候等条件有很大关系。基于成本的考虑，目前土工织物主要采用机织、非织工艺织造。

图1-6是用于加固坡岸和沟渠土壤、防止水土流失的三维结构机织物。织物以两种不同热收缩率的单丝纱作原料，在织机上首先交织成单层的平面织物，再经热处理才形成三维的结构。

图1-6 防水土流失的三维机织物

四、在安全防护的应用

安全防护用纺织品是为保护穿着者抵御外部恶劣环境的伤害、避免或减小伤亡的服装或相关纺织品。这种恶劣环境的因素不仅来自于特定的作业场合，也来自于生活的方方面面。为了满足各行各业对工作服、环保用品等的需要，产品除要求具有常规的服用性能外，还需要具有某些特殊的功能，如阻燃、隔热、防静电、防毒、防菌、防弹等。同时，各种防护用纺织品的设计在注重功能性的同时，也考虑舒适性、经济性和审美性。

大多数防弹服是以聚酰胺为原料、由缝合工艺将多层重叠在一起的平面机织物缝合起来而成，织物层数的多少影响防护的水平。采用三维结构的防弹机织物作防护材料，如图1-7所示。由于织物中有较多处于伸直状态的纱线，提高了织物的面内刚度，因而可在不降低防护水平的同时，适当减小防弹服（背心）的厚度，能提高穿着舒适性。有资料预计，三维机织物将最终将取代传统的平面机织物，成为生产防弹服的主要织物结构。

图1-7 三维防弹机织物

图1-8 航天服用三维机织物

三维机织物在航空航天的应用已非常广泛，如航天服、飞机坐垫等，图1-8（a）是用于制作航天服的三维机织物结构，它由多层的经纬纱线交织而成。航天服是保证航天员生命安全的关键装备，具有充气和加压的功能，使航天员享有地球上的大气压。为了获得某些特殊的性能，如防辐射、防紫外线、隔热，织物中各层的经纬纱线可以采用不同的原料。