第一节 三维机织物的组织结构
平纹、斜纹和缎纹是传统机织物中最简单的三种组织，称为三原组织。由这三种组织的变化和组合，可以生成许许多多的织物组织。与传统织物类似，三维机织物可分为正交、角联锁和三向（或多向）交织三种最为简单的织物组织，这三种组织的变化、组合，可以衍生出丰富的三维机织物结构。在这三种组织中，正交组织和角联锁组织可以在传统的多臂、提花织机上织造，或对传统织机进行改造后织造。而三向交织组织的织物，必须使用具有两向开口功能的三向织机才能生产；至于多向交织的三维机织物，目前有关生产设备的报道还不太多。
一、正交组织
正交组织由三组相互呈正交状态的纱线构成，如图2-1（a）所示，三组纱线分别与x、y、z轴平行，图2-1（b）所示为在笛卡尔坐标系上三组纱线的排列关系。可见，呈水平状态的x向纱和y向纱各有多层，x向纱和y向纱交替排列，z向纱垂直穿过多层的x向纱、y向纱。一般排列纱线时，将经、纬纱安排在x向、y向，分别构成织物的长度和宽度，每层经、纬纱的根数与织物的长度、宽度以及纱线的排列密度有关。z向纱沿织物的厚度方向，也称接结纱、捆绑纱或垂纱。织物沿经纱方向的长度可以很大，沿纬纱方向的幅宽受织造设备的宽度限制。与织物的长度和宽度相比较，织物在厚度方向的尺度相对要小得多，特别是采用传统织机织造平板状织物时，更是如此。由于正交组织的结构简单，织物中纱线呈直线状态，有利于纱线承载能力的充分发挥，因此在三维机织物的应用最为广泛。
图2-1 正交组织的纱线排列
在图2-2所示的极坐标系上，三组呈正交状态的纱线分别是与轴向平行的轴向纱、沿圆周方向的周向纱和沿半径方向的径向纱。这种组织常用于管状、柱状等圆形截面的织物，径向纱将多层的周向纱和轴向纱固结成为圆形结构的整体织物，径向纱的长度决定了所交织的管状织物壁厚或圆柱直径的大小，一般要比织物的轴向长度小得多。
图2-2 极坐标正交组织的纱线排列
由于极坐标正交组织与笛卡尔坐标正交组织的结构类似，为了方便，下面以笛卡尔坐标正交组织为例进行讨论。根据接结纱与经、纬纱层交织方法的不同，正交组织分为贯穿正交组织、层间正交组织两种类型，每种类型又有多种变化。
（一）贯穿正交组织
1.贯穿正交组织的交织结构
在图2-3所示的贯穿正交组织中，两种呈对称规律的z向纱从织物的表层（或底层）穿过所有的经纬纱层到达织物的底层（或表层），然后再从织物的底层（或表层）返回到织物的表层（或底层），从而完成一个交织循环。依靠z向纱（或称接结纱）对多层经纱和纬纱的固结作用，才能形成一个结构稳定的整体织物。若将x向纱定为经纱，则y向纱为纬纱，如图2-3中的标注；也可将x向纱定为纬纱，则y向纱为经纱。在织造正交组织的织物过程中，若接结纱沿经纱方向引入，则称为经纱接结的正交组织，接结纱被称为接结经纱，图2-3所示的接结纱沿经纱方向引入，是经纱接结的正交组织；若接结纱沿纬纱方向引入，则称为纬纱接结的正交组织，接结纱被称为接结纬纱。正交组织的经、纬纱层数总是相差1层，在经纱接结的正交组织中，纬纱比经纱多一层；而在纬纱接结的正交组织中，经纱比纬纱多一层。由于接结经纱与所有的经、纬纱层相交织，屈曲程度大，而经纱呈直线状态，使接结经纱与经纱在织造过程中的消耗率不同，因此，织造设备必须满足这种经纱织入长度的差异要求，应具备双纱轴或双送经系统。同样，若接结纱沿纬纱方向引入，则接结纬纱的长度大于各层的纬纱长度，织机的引纬装置也应满足这种差异要求。
图2-3 贯穿正交组织的立体结构图
考虑到经纱接结的正交组织与纬纱纱接结的正交组织具有相似的结构，下面除了特别指出，都是以经纱接结的正交组织为例进行说明。
由于图2-3所示的立体结构图绘制不方便，实际应用中常采用图2-4所示的交织结构图，来表达正交组织三组纱线之间的相互交织关系。为了绘图方便，图中用实线（也可用虚线）表示纱线沿纵向的分布，用符号“〇”或“●”代表纱线的截面，而线条的粗度及圆圈的大小，并不代表纱线的实际粗细，仅仅是为了表示纱线之间的相对关系。
图2-4 贯穿正交组织的交织结构图
图2-4（a）所示的正交组织由4层经纱、5层纬纱构成，依靠两种不同运动规律的接结经纱，将各层经纬纱固结成整体织物。但图2-4（a）仅表达清楚了沿经纱方向各层经纱、接结经纱与各层纬纱之间的交织关系，还需沿纬纱方向的图2-4（b），来表示接结经纱与各层经纱之间的相互关系，它是图2-4（a）在A—A处的截面图，由图2-4（b）可见，在相邻的两个经纱列之间分布着一根接结经纱。需要指出，在图2-4（a）上选取的截面位置不同，截面图的形状也有差异，图2-4（c）是在B—B处的截面图，它与图2-4（b）所表达的接结经纱与各层经纱之间的关系是一致的。若接结纱沿纬纱方向的分布规律已知，则仅画出图2-4（a）的交织结构图即可。
2.贯穿正交组织织物的织造
使用传统织机是织造正交组织织物最为经济的方法，下面以图2-5（a）所示的贯穿正交组织为例说明其在有梭织机上织造的过程，接结纱采用了经纱接结的方法。为了方便上机，首先由交织结构图绘制组织图，结果如图2-5（b）所示，图中符号“■”表示经组织点，符号“□”表示纬组织点，经纱列之间有一根接结纱a1或a2。
图2-5 交织结构图与组织图
图2-6为该正交组织的上机工艺简图。接结经纱a1、a2分别穿在靠前的综框1、综框2，以适应其较大的织缩率要求，经纱b1～b6依次穿在后面的3～9页综框，控制其运动的综框在图中未画出。纬纱c由梭子引入梭口，并依靠钢筘的往复摆动打紧纬纱，由于纬纱在布边是连续性的，因此形成的织物具有整洁连续的光边。
图2-6 上机工艺简图
织物的形成过程如下：在图2-6所示的梭口中，经纱a1处于梭口的上层，其余经纱位于梭口的下层，此时引入纬纱1，然后由钢筘将纬纱打入织口；之后经纱b1被提起形成新的梭口，而其他经纱保持在原位置不动，由梭子引入纬纱2，钢筘打纬，之后经纱b2被提起……直至引入纬纱7，完成了第一个纬纱列（纬纱1～7）的引入，如图2-7（a）所示。在引入第二个纬纱列（纬纱8～14）之前，接结纱a1、a2交换位置，如图2-7（b）所示。图2-7（c）所示的是纬纱8～14的引入过程，然后图2-7（d）为接结经纱再次交换位置，从而完成一个纬纱循环的织造。不断重复这种循环织造，便形成了正交组织的织物。采用的这种纬纱的引入次序，每次开口运动的综框页数少，有利于梭口清晰，综框运动平稳。
图2-7 织造的过程
3.贯穿正交组织的变化
改变经纱和纬纱的层数、接结纱的浮长和分布，可以得到多种变化的贯穿正交组织。
图2-4所示的贯穿正交组织为4层经纱、5层纬纱，图2-5为6层经纱、7层纬纱的贯穿正交组织，接结纱的浮长都为1，即接结经纱每经过一个纬纱列就上下交织一次。图2-8所示的正交组织接结纱浮长为2，即每经过两个纬纱列接结经纱上下交织一次。
图2-8 接结纱浮长为2的贯穿正交组织
接结纱的分布方式也影响正交组织的结构，包括间距和排列两个方面。所谓接结纱的间距，是指相同运动规律的接结纱所间隔的最小经纱（或纬纱）列数；所谓接结纱的排列，是指两个不同运动规律的接结纱，是集中排列还是分散在不同的经纱（纬纱）列之间。例如，沿图2-8的A—A截面，画出了图2-9所示的4种接结经纱分布方式。在图2-9（a）中，相同运动规律的接结经纱1（或接结经纱2）的最小间隔是1个经纱列，图2-9（b）、（c）的间隔都是2个经纱列，而图2-9（d）间隔了4个经纱列。在图2-9（a）、（c）中，不同运动规律的接结经纱1和2，集中排列在了同一个经纱列的间隔内，图2-9（b）、（d）中不同运动规律的接结经纱，分散排列在经纱列的两个间隔中。接结纱的间距和排列方式，直接影响接结纱在织物中的排列密度。
图2-9 接结纱的分布
图2-10 非对称接结的正交组织
上述图2-4、图2-5和图2-8中的接结纱，都是采用了两种呈对称运动规律的接结纱，称为双接结纱接结或对称接结。也可以只采用一种运动规律的接结纱来对经纬纱层进行固结，称为单接结纱接结或非对称接结，如图2-10所示。由于只有一种运动规律的接结经纱，每个纬纱列在织物的上表面或下表面，都存在一根不能参与交织的纬纱，因此织物的表面平整性不及对称接结。
图2-11（a）是非对称接结正交组织的织造原理简图。地经纱8从纱轴1引出，在开口导杆组3、4的控制下分成多层，然后在综框5的综丝间、钢筘6的筘齿间穿过。接结经纱9引自纱轴2，穿过综框5的综丝综眼和钢筘6。纬纱10由梭子引入，每引入一根纬纱后，开口导杆组3、4控制一层地经纱向上（或向下）运动，形成一个新的供下一纬引入的梭口；当完成一个纬纱列的引入后，钢筘前后移动打纬，将新引入的一列纬纱打入织口，同时综框5向上（或向下）运动，对纬纱列进行固结。所形成织物7的结构如图2-11（b）所示。
图2-11 非对称接结正交组织的织造
1—地经纱轴 2—接结经纱轴 3、4—开口导杆组 5—综框 6—钢筘 7—织物 8—地经纱 9—接结经纱 10—纬纱
（二）层间正交组织
若某一运动规律的接结纱只在部分经、纬纱层之间进行固结，则形成的是层间正交的三维织物。例如在如图2-12（a）所示的层间正交组织中，共有5层纬纱和4层经纱，接结纱1、2与靠近织物表面的1～3层纬纱交织，而接结纱3、4与靠近织物底面的3～5层纬纱交织，依靠第3层纬纱的桥接作用，形成了整体结构织物。
图2-12 层间正交组织
改变接结纱固结的经纬纱层数，也可以改变正交织物的结构，在图2-12（b）中，虽然经、纬纱的层数与图2-12（a）相同，但每个接结纱只与2层的纬纱相交织，因而织物结构不同，需使用3对不同运动规律的接结纱。由于每种运动规律的接结经纱必须由一页综框单独进行控制，贯穿正交组织最多只要2种运动规律的接结纱，可见，层间正交组织需要较多的综框对接结经纱进行控制，织机的开口装置必须满足这种要求才能织造，且不同运动规律的接结纱数量与层间接结的方式有关系。
与贯穿的正交组织类似，接结纱可沿经纱方向引入，也可沿纬纱方向引入。改变接结纱的浮长、间距和分布，可以获得不同的层间正交结构。
二、角联锁组织
角联锁是三维机织物组织中的一个重要分支，由接结经纱（或接结纬纱）、纬纱（或经纱）、衬经（填充经纱）和衬纬（填充纬纱）等纱线系统组成，前两个系统是构成三维角联锁结构所必需的纱线，而后两个系统纱线则可以选择。图2-13是包含有三个纱线系统的角联锁三维织物结构示意图。接结纱一方面将其他系统的纱线固结起来形成整体织物，另一方面在织物厚度方向呈一定角度的配置，增加了织物的层间连接强度。根据织造方法的不同，接结纱可沿经纱方向引入也可沿纬纱方向引入，沿经纱方向引入与纬纱交织的接结纱称为接结经纱，沿纬纱方向引入与经纱交织的接结纱称为接结纬纱，图2-13所示是经纱接结的角联锁组织，以后若无特别说明，都以经纱接结的角联锁组织为例进行说明。与正交组织相比，角联锁组织的交织规律更为复杂，织物结构多种多样，主要包括贯穿角联锁、层间角联锁、带衬经或衬纬或两者兼而有之的角联锁等组织结构。按照交织结构的规律性，可分为正则角联锁组织和变则角联锁组织两种。正则角联锁属规则结构，类似于缎纹组织中的正则缎纹，当给定组织参数后，能唯一地确定其组织图；而变则角联锁组织则不然，当给定组织参数后，其组织图仍具有不确定性。
图2-13 角联锁组织交织结构示意图
（一）贯穿角联锁组织
对于正则的角联锁织物，接结纱以一定的倾斜角贯穿整个织物的厚度，与各层纬纱进行角联锁状交织，且角联锁时2根接结经纱形成的斜交叉口中均织入1根纬纱，如图2-14（a）所示，图中4层纬纱与5种不同运动规律的接结经纱交织，接结纱倾斜的贯穿织物厚度，将各层纬纱固结起来构成整体织物。当纬纱细度相同时，为了绘图方便，通常将接结经纱贯穿织物厚度的倾斜角绘成±45°，但实际倾斜角的大小还与纬纱列间距即纬纱的列密度有关，纬纱列间距大、纬密小则倾斜角小，反之倾斜角大。若采用的接结经纱较细，则织物的厚度主要决定于纬纱的粗度和层数，因此纬纱的层数在有的文献中也被称为织物的纱线层数或结构层数。
图2-14 贯穿角联锁组织
由交织结构图可以画出织物的组织图，如图2-14（b）所示，进而可以得到上机图。
由于交织结构的规律性，经纱循环数Rj、纬纱循环数Rw、经纱飞数Sj、组织最大浮长数Fm等织物组织参数与纬纱层数n具有如下关系。
Rj=n+1 （2-1）
Rw=n（n+1） （2-2）
Sj=n （2-3）
Fm=2n－1 （2-4）
只含有接结经纱和纬纱两个纱线系统的角联锁组织，由于接结经纱的弯曲特性，使织物在经纱方向的承载能力不足，可通过加入填充经纱的方法，使这个问题得到解决，如图2-15所示是带衬经的贯穿角联锁组织。由于衬经与接结经纱在织物中的屈曲程度不同，接结经和衬经需要独立的送经装置，以满足两者不同织缩率的要求。同样，对于纬纱接结的贯穿角联锁组织，在纬纱方向加入填充纬纱，也可以提高织物的纬向强力。
图2-15 带衬经的贯穿角联锁组织
（二）层间角联锁组织
若接结经纱以一定的倾斜角只与若干层的纬纱进行角联锁状交织，则构成层间角联锁织物组织，如图2-16所示。图中面经纱1、2分别在织物的表层和底层，有8种不同运动规律的接结经纱，每种接结经纱只穿越三层纬纱，将部分纬纱固结，形成整体结构织物。可见，8种接结经纱的织缩率相同，可采用一个送经系统，而面经纱的织缩率较小，需采用不同的送经系统，因此该结构织物至少需两套送经系统，才能上机织造。
图2-16 层间角联锁组织
经纱循环数Rj、纬纱循环数Rw、纬纱层数n、接结的纱线层数m之间具有如下关系。
Rj=n+1 （2-5）
Rw=n（m+1） （2-6）
由于正则角联锁组织交织结构的规律性，有的文献用“［纬纱层数、接结纱穿越的纬纱层数］”来表示角联锁的结构，其中纬纱层数≥接结纱穿越的纬纱层数。当纬纱层数与接结纱穿越的纬纱层数相等时，即为贯穿角联锁，否则是层间角联锁。例如图2-14的角联锁组织记作［4，4］，是贯穿角联锁，图2-16的角联锁组织记作［9，3］，是层间角联锁。
同样，层间角联锁组织也有带衬经或衬纬的结构，图2-17所示的是带有衬经纱的层间角联锁组织。图2-17中的接结经纱、面经纱和衬经纱具有不同程度的屈曲，因此至少需三个送经系统才能满足织造的要求。
图2-17 带衬经的层间角联锁组织
（三）接结纱呈对称规律的角联锁组织
采用两组呈对称规律的接结纱，将多层的纬纱（或经纱）固结起来构成整体的三维结构机织物，根据接结纱的倾斜程度不同，分为斜交角联锁和正交角联锁两种组织。
1.斜交角联锁组织
（1）贯穿斜交角联锁。在贯穿角联锁组织中，如果两根接结经纱所形成的斜交叉口中，有纬纱空缺的情况存在，即构成空口结构的角联锁组织。如图2-18所示，将图2-18（a）中标记为阴影的纬纱列空缺，纬纱按列交替的空缺，则形成如图2-18（b）所示的具有空口结构的角联锁结构，它的接结纱1、2、3运动规律分别与接结纱4、5、6对称，构成两组呈对称规律的接结纱。图2-18（c）为其组织图，由组织图可绘出上机图。
图2-18 具有空口结构的对称接结角联锁结构
由于纬纱层数的变化，经纱循环数Rj、纬纱循环数Rw、经纱飞数Sj、组织最大浮长数Fm等织物参数与纬纱层数n的关系也发生变化。
Rj=2n （2-7）
Rw=2n2 （2-8）
Sj=n （2-9）
Fm=2n－1 （2-10）
在图2-18的角联锁结构中，n=3，由式2-7～式2-10可得经纱循环数Rj、纬纱循环数Rw、经纱飞数Sj、组织最大浮长数Fm分别为6、18、3、5。
（2）层间斜交角联锁。如果接结经纱只在部分的纬纱层之间交织，则构成层间斜交的角联锁组织，如图2-19所示。除了面经纱外，图2-19（a）中的接结经纱在2层纬纱间交织，图2-19（b）中的接结经纱在3层纬纱间交织。
图2-19 层间斜交角联锁结构
经纱循环数Rj、纬纱循环数Rw、纬纱层数n、接结的纱线层数m之间具有如下关系。
Rj=2n （2-11）
Rw=2nm （2-12）
（3）带衬经的斜交角联锁。图2-20（a）是带衬经的贯穿斜交角联锁组织，它除了12种不同运动规律的接结经纱和6层纬纱以外，还有5层衬经纱；图2-20（b）为层间斜交的角联锁组织，它除了只与表（底）层纬纱交织的面经纱外，接结经纱在两层纬纱间交织。
图2-20 带衬经的斜交角联锁结构
2.正交角联锁组织
接结经纱在相邻的两个纬纱列之间穿越，与不同层的纬纱相交织，由于接结纱近乎垂直地穿越织物的厚度方向，因此称为正交角联锁组织。为了避免不同层的纬纱出现重合（重纬）现象，这种组织没有贯穿结构只有层间接结的角联锁结构，因此有的文献也将这种结构称为2.5D（或2.5维）织物。工程中常用的接结层数是2，因此下面仅对这种结构进行讨论。根据接结方式的不同，可分为正交角联锁和稀疏正交角联锁两种组织结构。
（1）正交角联锁组织。如图2-21（a）中只有两组分别呈对称运动规律的接结经纱与纬纱交织，而图2-21（b）中除了接结经纱、纬纱外，还有衬经纱。与层间正交组织相比较，两者具有完全相同的交织规律，可见层间正交组织仅是正交角联锁组织的一个特例。经纱循环数Rj、纬纱循环数Rw与纬纱层数n具有如下关系。
Rj=2（n-1） （2-13）
Rw=2n （2-14）
图2-21 正交角联锁结构
图2-22是以图2-21（a）为基础，在交叉口中加入衬纬，构成带衬纬的正交角联锁结构。由图2-22可见，这种结构在不同层的纬纱密度不同，表层和底层的密度小，中间层的密度大。进一步与图2-19（a）比较发现，两者除了表（底）层的结构不同外，中间具有相同的交织结构。
图2-22 带衬纬的正交角联锁结构
图2-23所示的正交层间角联锁结构，有助于提高纬纱的密度，接结纱的屈曲程度较小，不同运动规律的接结经纱数等于纬纱层数减1。当纬纱层数为奇数时，接结经为偶数，是两组分别呈对称运动规律的纱线，如图2-23（a）所示；当纬纱层数为偶数时，接结经纱数为奇数，除了最上层（或最下层）的一根接结经纱外，其余接结经也分别呈对称的运动规律，如图2-23（b）所示。
图2-23 正交层间角联锁结构
（2）稀疏正交角联锁结构。当纬纱层数n≥5的奇数时，可采用较少根数的接结经纱构成稀疏结构的正交角联锁织物。图2-24所示的是7层纬纱构成的稀疏角联锁结构。其中图2-24（a）没有衬经，图2-24（b）带有衬经。它们只含有8种不同运动规律的接结经，与相同层数的正交角联锁结构相比，接结经纱减少了4种，因此减少了对开口机构控制经纱能力的要求。由于存在面经纱，故需两套送经机构才能保证接结经和面经纱不同缩率的需要。经纱循环数Rj、纬纱循环数Rw与纬纱层数n的关系如下。
Rj=n+1 （2-15）
Rw=2n （2-16）
图2-24 稀疏正交角联锁结构
由分析可知，当纬纱层数为3时，稀疏正交角联锁和正交角联锁具有相同的接结经纱数，都为4根，但稀疏正交角联锁存在两种缩率的经纱，而正交角联锁的经纱缩率都相同，因此采用正交角联锁更为有利织造，只有当纬纱层数大于3时，使用稀疏正交角联锁结构，才能减少接结经纱数，且纬纱层数越多，接结经减少的量也越大。
图2-25 带衬经的正交角联锁结构
（3）带衬经的正交角联锁结构与正交结构的转化。由图2-21（b）、图2-24（b）可见，带衬经的正交角联锁结构实际上也是一种正交结构。当接结经固结的纬纱层数大于2后，由于衬经的分隔作用，纬纱也不会重合，可构成典型的层间正交结构，如图2-25所示。因此，角联锁组织与正交组织在一定条件下可以相互转化。
图2-26 多层缝合结构
（四）多层缝合结构
在图2-26中，某层经纱只与一层的纬纱交织，形成单层的机织物，在织造过程中，多层的经纱与不同层的纬纱织造，同时形成了多个单层织物。图中所示的单层织物是平纹组织，根据交织方法的不同，还可以采用方平、斜纹、缎纹等其他组织。接结经1、2分别从织物的上、下两面穿过织物的厚度方向，将多层织物固结起来形成整体。可见，这种结构类似于将传统的单层织物层合起来，再经过缝合方法构成。这种织物结构具有正交和角联锁组织的双重特点，可认为是正交与角联锁的混合组织结构。
三、三向交织组织
在织造传统的平面织物过程中，纬纱引入由经纱形成的梭口中，经纱与纬纱相互垂直交织，所形成的织物可称为两个方向纱线的交织物。在三维机织物中，如果Z向纱（图2-27）既与X向纱交织，同时还与Y向纱交织，则形成三向交织的机织物。根据交织规律的不同，Z向纱与X向纱，Z向纱与Y向纱可呈平纹交织、斜纹交织等，图2-27（b）所示的是三向平纹交织结构。这种结构的织物由于纱线在三个方向进行交织，结构稳定性好，裁剪后纱线不易脱散，是一种可加工的织物结构。
图2-27 三向交织平纹组织
图2-28 带填充纱的三向交织结构
在织造三向交织物的过程中，Z向纱既要做Y方向的运动，以便形成引入X向纱的梭口，又要作X方向运动，以形成引入Y向纱的梭口，因此，控制Z向纱运动的开口机构，应具有形成两个方向梭口的能力，这种开口机构复杂，目前只能实现沿x向和y向的较小动程，交织三向平纹、斜纹结构的立体织物，而Z向纱穿越整个x、y方向的整体交织还比较困难。
为了提高纱线的排列密度，可以在X、Y、Z的任意一个、两个或者三个方向加入不与Z向纱交织的填充纱，图2-28是在三个方向都有填充纱的结构。
如果再增加倾斜方向的纱线与Z向纱相交织或引入填充纱，则可以产生更多方向纱线相交织的织物组织，但织造这种织物的设备也将更为复杂。