三维编织是从二维编织发展起来的，但在机器的构造、编织的原理和织物的结构方面，二者有着很大的不同。

三维编织的最大特点是所织造的织物具有一定的厚度，厚度至少是参加编织的纱线或纤维束直径的三倍，而且是一个不分层的整体结构，即在厚度方向必然有编织纱线或纤维束通过并且交织。因此，由三维整体编织物增强的复合材料的性能，特别是厚度方向上的性能比二维编织物增强复合材料的性能具有明显的优越性。

两种主要的三维编织工艺和技术为四步法三维编织和二步法三维编织。

2.3.2.1四步法三维编织

基本的四步法三维编织如图2-11所示，只有一个纱线系统，即编织纱系统。编织纱沿织物成型的方向排列，在编织过程中，每根编织纱按一定的规律同时运动，从而相互交织，形成一个不分层的三维整体结构。

图2-11　基本的四步法三维编织

（1）定义。编织时，纱线在机器上的排列方式经过四个机器运动步骤之后又恢复到原来的排列方式，即四个机器运动步骤为一个循环，故称四步法三维编织。

基本的四步编织法是使每根纱线在织物中按不同的路径通过长、宽、厚三个方向，并且都不与织物成型方向平行，形成一个相互交织的三维四向结构。利用四步编织法可以织造出多种异型复合材料骨架，如圆管、锥套体、条带、I形梁、T形梁、L形梁、口形梁、盒形梁等。同时，沿织物成型的方向，在编织过程中加入另一组纱线系统，即轴纱系统，使最终的复合材料制件在此方向的力学性能得到提高。

（2）四步法三维编织机的分类。

①从编织骨架的形状分：方型编织机——编织截面为矩形组合的骨架；圆型编织机——编织截面为圆形的骨架。

②从编织纱线引入的方向分：立式编织机——编织纱线沿竖直方向配置；卧式编织机——编织纱线沿水平方向配置。

（3）编织工艺。

采用四步法三维编织得到的三维骨架，即厚度要超过三根编织纱的直径。而且要有编织纱通过厚度方向，因此，与二维编织是有区别的。编织过程如下。

①首先根据所编织骨架的横截面形状选择编织机。如果骨架的横截面是矩形或矩形的组合，则选择方型编织机；如果骨架的横截面是圆形或圆环，则应采用圆型编织机。

②根据所编织骨架的截面尺寸和形状，以及编织纱的粗细和骨架的结构参数，计算纱线根数并设计纱线的排列位置。

③按设计要求将纱线放置在底盘上，将纱线的一端和提升机构相连，调整纱线张力。

④开动机器，驱动编织纱携纱器在底盘上按设定的运动规律运动。由于编织纱的一端固定在提升机构上，所以，此端不会运动，而编织纱的另一端在运动，这样编织纱就相互编织在一起，制备织物。

⑤编织结束后，通过提升机构将编织物引离编织区。

编织纱在机器底盘上排列的基本形式及编织规律如下。一般来说，编织纱在机器底盘上排列的方式决定了最终骨架横截面的形状，例如，需要编织一个横截面为工字形的骨架，就应当在机器底盘上将编织纱排列成工字形状。方形编织和圆形编织的编织纱在底盘上排列的基本形式如下。

a.方形编织：编织横截面为矩形骨架时，编织纱在机器底盘上按照行和列的方式排列成一个矩形，称为主体部分；主体部分外面，再间隔排列编织纱，即图中方框外面的纱线，称为边纱。边纱在排列时没有特定的规则，但要保证由主体纱和边纱所形成的每一行（或每一列）上的纱线根数要和另一行（或另一列）上的纱线相同。在编织过程中，由于纱线的运动，每根编织纱在某一时刻可能是主体纱，而在另一时刻则可能是边纱。

在方形编织中，基本的1×1组织要求携纱器在机器底盘上按列和行来运动。以编织一个截面为矩形的骨架为例，图2-12（a）是携纱器在机器底盘上排列的初始状态。携纱器运动的第一步是按行运动，即有携纱器连续排列的行都运动，运动时相邻的行做相反方向运动，其目的是把现有的边纱推进主体纱中，而在列的另一端形成新的边纱。

第一步运动后，携纱器在机器底盘上的排列形式如图2-12（b）所示。从图中可以看出，两边排有不连续携纱器的行没有参加运动。携纱器运动的第二步是按列运动，即有携纱器连续排列的列都运动，运动时相邻的列做相反方向的运动，其目的是把现有的边纱推进主体纱中，而在列的另一端形成新的边纱。

第二步运动后，携纱器在机器底盘上的排列形式如图2-12（c）所示。从图中可以看出，两边排有不连续携纱器的列没有参加运动。携纱器运动的第三步是按行运动，即每一行携纱器按与此行第一步运动的相反方向运动。

第三步运动后，携纱器在机器底盘上的排列如图2-12（d）所示。携纱器运动的第四步是按列运动，即每一列携纱器按和此列第二步运动的相反方向运动。

第四步运动后，携纱器在机器底盘上的排列形式如图2-12（e）所示。携纱器经过四步运动后，它们在机器底盘上的排列形式又恢复到了初始状态。一般称携纱器的这四步运动为一个机器循环。由于携纱器的四步运动构成一个机器循环，所以，通常把这种编织方式称为四步法三维编织。(www.daowen.com)

图2-12　四步法示意图

携纱器每次运动一个携纱器的距离，所形成的织物为1×1组织结构。当这样的机器循环继续下去时，携纱器就会在整个机器底盘上运动，从而使纱线相互交织，形成具有一定宽度、厚度和长度的整体织物。

b.圆形编织：圆形编织物编织成型是通过携纱器在机器底盘上按一定的规律运动，带动纤维束或纱线产生相互位移或错位，使纱线相互交织形成一个不分层的整体三维结构织物。

图2-13为编织一横截面为圆环状的骨架时，编织纱在机器底盘上的排列形式。所有编织纱均沿圆周和直径方向排列。图中最大与最小两个圆环之间的纱线称为主体部分。在主体部分中，编织纱按不同直径的圆周排列，这些圆周都是同心圆。同时，处在不同圆周的纱线又按直径方向排列，而且要求每个圆周上的纱线根数相等。一般每一个圆周称为一层，圆周数或层数用m表示，每一层上的纱线数用n来表示，n也可称为圆形编织的列数。在主体部分的外面和里面，沿着列的方向也即沿着直径的方向再间隔排上编织纱，这部分编织纱称为边纱。边纱的排列要保证由主体纱和边纱构成的每一列上的纱线根数应与其他列上的纱线根数相同。同时，边纱要间隔排列，因此，要求列数n应为偶数。

在基本的1×1组织圆形编织中，携纱器在底盘上沿半径方向和圆周方向运动。以编织圆管为例，如图2-11所示。图2-13（a）是携纱器在机器底盘上排列的初始状态。携纱器运动的第一步是沿半径方向运动，相邻的列做相反方向的运动，目的是把现有的边纱推进主体纱中，而在列的另一端形成新的边纱。

第一步运动后，携纱器在机器底盘上的排列形式如图2-13（b）所示。携纱器运动的第二步是沿圆周运动，即凡是具有携纱器连续排列的层都运动，运动时，相邻的层做方向相反的运动。要注意的是，在1×1组织结构中，携纱器只移动一个携纱器距离。

第二步运动后，携纱器在机器底盘上的排列形式如图2-13（c）所示。携纱器运动的第三步和第四步分别是列和层的运动，它们的运动方向与携纱器的列和层在第一步及第二步中运动的方向相反，如图2-13（d）和图2-13（e）所示。

图2-13　圆环截面骨架的编织

携纱器经过这四步运动后，在机器底盘上的排列形式又恢复到初始状态。四步运动形成一个机器循环。当这样的机器循环不断进行下去时，携纱器就会在整个机器底盘上运动，从而使纱线相互交织，形成下一个具有一定厚度、一定直径、一定长度的圆管骨架。

2.3.2.2　二步法三维编织

二步法三维编织是一种比较新的编织技术，运动机构少，而且不需要打紧机构，能很容易地实现编织过程的自动化。此技术可以编织出各种复杂截面的异型或变截面的骨架，包括T形梁、带有预制孔的梁、交叉的骨架等。

（1）二步法编织的特点。由于轴纱在所有纱线中的比例很大，而且沿同一方向排列（即沿织物成型方向排列），在编织过程中，它保持不动和伸直状态，因此，由二步法三维编织骨架增强的复合材料，在这个方向上具有优良的性能。另外，在二步法三维编织中只有编织纱运动，而且编织纱在纱线中的比例较小，即运动纱线少，便于实现编织自动化。同时，根据需要，轴纱和编织纱可以采用不同的纤维。

与四步法不同，二步法（图2-14）包括大量轴向固定的纱线和较少的编织纱线。轴向载体的布置决定了要编织的预制件形状。这一过程包括两个步骤，其中编织载体完全通过轴向载体之间的结构移动。这个相对简单的运动序列可以形成任何形状的预成型，包括圆形和空心。该运动还允许编织时被拉紧，且紧靠纱线张力，因此，二步法的过程不需要机械压紧，与四步法的过程不同。

图2-14　二步法工艺示意图

（2）编织工艺。二步法三维编织纱线路径如图2-15所示。从表面上看，它和四步法很相似，所有的纱线都沿着织物成型的方向排列。但二步法编织有两个基本纱线系统，一个是轴纱，轴纱排列的方式决定了所编织骨架的横截面形状，构成了纱线的主体部分，轴纱在编织过程中是伸直和不动的；另一个是编织纱，编织纱位于轴纱所形成的主体纱的周围。在编织过程中，编织纱按一定的规律在轴纱之间运动，这样编织纱不但相互交织，而且把轴纱捆绑起来，从而形成不分层的三维整体结构。在编织过程中，纱线在机器上的排列形式经过两个机器运动步骤后又恢复到初始状态，即两个机器运动步骤为一循环，称作二步法三维编织。

图2-15　二步法三维编织

二步法编织和四步法编织一样，它所形成的织物也是三维整体结构。同样可以编织出各种异型件，也可分为方形编织和圆形编织两种基本的编织方式。

a.方形编织：图2-16为编织一横截面为矩形的骨架时，纱线在机器底盘上排列的方式。轴纱的排列为：相邻排上的轴纱交错排列，而且彼此相差一根纱线，最外边应是排有轴纱根数多的轴纱排。编织纱排列在轴纱所形成的主体纱的外面，并且是间隔排列。由行转到列时，编织纱也必须间隔排列。

图2-16　二步法方形编织

如图2-16所示的编织一般命名为二步法m×n方型骨架编织，m表示排有较多根轴纱的排数，n表示在排有较多根轴纱的排中包含轴纱的根数。根据这个命名，图2-16所示的则为二步法3×7方形骨架编织。

b.圆型编织：如图2-17所示为编织一横截面为圆环的骨架时，纱线在底盘上的排列形式。轴纱排列在不同直径的同心圆的圆周上，每一圆周称为一层，用m表示圆周数，一般m为奇数。各圆周上的纱线根数相等，但相邻圆周上的纱线交错排列。每一层上的轴纱数量用n表示，n应为偶数。编织纱间隔排列在轴纱形成的圆环的内部和外部，同一半径上只能有一根编织纱。

二步法圆形编织仍以轴纱的排列形式命名，即m×n圆形编织，m和n的定义如上所述。图2-17所示为二步法3×24圆形编织。

图2-17　二步法圆形编织