为克服二维织物复合材料层间强度低的缺点，先进复合材料中由三维整体纺织结构增强。在二维织物的基础上，增加织物的厚度，在织物的厚度方向上必然存在部分经纱或纬纱，在织物中沿着三个方向都排列着纱线。应用三维机织可把纤维或纱线束织成三维立体织物，即通过多重经纱织造，由于采用多重经纱，从而使织物厚度增加，并且沿厚度方向纱线或纤维相互交织在一起，即按一般概念的“层”之间是相互连接在一起的，提高了织物“层”间抗剪切的能力。目前，可以织造出由17层经纱和纬纱相互交织的立体织物。

1.三维机织物特点

织物内，经向和纬向纱束在平面内呈垂直交织或排列，以提供复合材料的面内性能，而贯穿于结构厚度方向上的接结纱束则提供材料的稳定性。

交织纱线的方向数为3层或更多；织物厚度大，多达几十层；织物内纱线大多是挺直的，表面纱线有180°的转向；可制成各种形状，如T字形，工字形等；通常采用高性能纱线加工；可采用专用设备，或在一般织机上加辅助机构织造。

2.不同结构三维机织物预制件

（1）三维正交织物。各向同性比较好，是用相同层数、粗细一样的纱线织成的织物，比较厚；三维织物中捆绑纱不必像经纱那样紧密地排列，相邻纱间可以有一定的距离，这样可以降低经、纬纱的屈曲。由于织物中的经、纬纱屈曲较小，可以最大限度地发挥纱线的强力特性。

由于厚度方向上有增强纤维的存在，增加了复合材料层间剪切强度，减少了分层现象，并提高了抗冲击性能。三维正交机织物的理想结构如图2-8所示，经纱、纬纱和Z纱三个系统上的纱线都是两两垂直，各个系统纱线之间没有任何的缠结和卷曲，经向和纬向纱线在平面内成垂直排列。

（2）三维角联锁织物。指经纱通过整个厚度方向的角联锁结构，如图2-9所示，经纱只通过相邻两层的角联锁结构，此织物柔软性较好。

三维角联锁机织结构复合材料具有增强的抗分层、抗冲击、抗断裂、抗损伤和尺寸稳定性等优点，可以获得较高的厚度弹性和强度。

3.三维织机的工作原理

无论在机器结构上，还是在工作原理上，三维织机与普通织机都有较大的区别。在三维织机上，要使用三组纱线，分别为经纱、纬纱、固结纱或缝经纱。三组纱线相互交织形成三维立体织物。

图2-8　三维正交机织物理想结构示意图

图2-9　三维角联锁织物(www.daowen.com)

对于高性能的纤维来说，纱线在织造过程中由于与织机发生摩擦和磨损，使得织造过程中纱线的一些力学性能降低，势必影响三维正交机织物最终的力学性能，如拉伸性能、压缩性能和剪切性能等。因此，减少纤维在轴向的卷曲和在织造过程中的磨损破坏是提高三维织物力学性能的关键，织造原理如图2-10所示。

图2-10中，四层经纱相互平行伸直穿入织机后，形成了四层互相不接触且平行的经纱层，然后五根纬纱在剑杆的带动下沿着垂直于经纱的方向往复喂入，并穿过经纱层和上下两层Z纱所形成的空隙。Z纱则与经纱和纬纱所在的空间里各成90°上下交织，形成的织物并不像二维织物一样会发生经纱的移动，而是相互平行运动，从而减少了经纱的磨损。三维织物是利用第三个方向纱线来缝编整个织物，这种制造过程难免发生纱线之间的穿刺，很容易产生经、纬纱线的断裂或者损伤。三维正交织机能够巧妙地利用两排综丝的上下运动，从而带动Z方向纱线上下交叉运动来绑定整个织物，最大程度地减少纱线的损伤和断裂。

图2-10　三维正交机织物的织造原理图

4.织造问题及解决方案

（1）碳纤维、玻璃纤维、芳纶的单丝细度细，一旦经纱断裂或起毛，便与邻纱纠缠，导致开口不清，影响载纬器的正常飞行。

目前，解决此问题的途径有两个。

①经纱上浆。浆料使纤维贴伏，不易摩擦起毛。对于较薄的织物，在复合前要退浆，将浆料除去；对于厚重织物，将浆料完全去除是不可能的，因此，要求浆料在复合时要易于与树脂亲和，对最终构件要有必要的增强作用。

②经纱加捻。经纱加捻后，纱体中的长丝不再平行排列，这会引起应力集中，同时也不能充分利用经纱的强力。

（2）织物层数的增加，就意味着综框数的增加，而过多的综框是引起开口不清的因素之一。

（3）织物层数过多，经纱密度必然很大，经纱之间、经纱与筘齿之间的摩擦会对经纱造成损伤。

（4）整经过程中，纱线与导路的摩擦会对纱线造成损伤。由于碳纤维等弹性极小、卷绕张力不易控制，纱线的每一次再卷绕，都会使纱线受损并造成卷绕张力不匀，因此，应尽量减少卷绕次数。一般认为，直接用筒子为织机输送经纱，省去整经工序，是较好的方法。

（5）碳纤维、玻璃纤维、芳纶等弹性变形小，张力不易调节，为了保证开口的清晰，可以将经纱与橡皮筋或弹簧相连，在外力作用下，经纱无论综平还是开口都始终保持伸直状态。