三维编织技术及其复合材料发展前景

近几年来三维编织结构复合材料的发展较为迅速，各种新型编织机及其相应的产品不断出现，其性能研究也逐步深入，从而大大推动了编织结构复合材料的发展与应用。

三维编织好处很多，最主要的一点是其克服了传统复合材料夹层式结构，提高了抗分层能力，在一些结构件中可以做到一次成型，是一种连续纤维的增强结构。正由于这个巨大优势，使其非常适合各种曲面体、异形结构件，其材料损耗小、自动化程度高。主要应用在航空航天领域，未来，三维编织技术将向着大尺寸超厚高密度曲面体三维编织技术、超大截面尺寸三维编织技术等方向发展。

三维编织复合材料编织工艺

简单的来说，三维编织是在二位编织的基础上增加了厚度方向的纱线，从而织出立体整体的织物高新纺织技术。三维编织复合材料的编织工艺有两步法、四步法、多层联结编织法和多步法等，其中四步法和两步法是目前该领域使用最主要的两种方法。四步法可以编织许多不同截面的结构，如板状、管状、半柱状和柱状等。两步法适合编织非常厚的结构，可以编织板状、管状等结构。

国外有种编织工艺QISO就是单层中混用三轴向结构，即在周向上加入第三组纱线，为斜交纱线，它们位于轴向纱线的上下。因此，可以在部件所需部位提供精准单项增强与偏轴向增强双重作用， 从而提高织物损伤容限，改善能量吸收。美国Spirit航空公司制作的集成化飞机桁条加强版就是采用此种技术。

还有一种比较典型的是干纤维自动编织技术。具体是将编织物缠绕铺放在模具当中，经过环氧树脂浸渍，再通过真空树脂传递模塑工艺固化成型。一般可用于飞机上结构进气系统。

三维编织复合材料成型工艺

三维整体编织复合材料的成型工艺主要有模压成型、挤拉成型、真空浸渍成型、RTM 成型和 VARTM 成型等， 其中以RTM ( 树脂传递模塑) 工艺和真空浸渍法最为常用。

1. RTM成型工艺

RTM是树脂传递模塑工艺(Resin Transfer Molding)，一般指在模具的型腔里预先放置增强材料，夹紧后，在一定的温度和压力下将树脂注入模具，浸渍织物增强体并固化，最后脱模得到制品的复合工艺。RTM成型工艺是从湿法铺层和注塑工艺演衍出来的一种新的复合材料成型工艺，是目前航天航空先进复合材料的发展方向之一。

2. 真空浸渍法

相比RTM工艺，真空浸渍法简单方便。其制备工艺如下：先将环氧树脂基体加热至某一温度，进行真空脱气处理，然后注入到预先铺好三维织物的模具内，再次抽真空脱气，待气泡完全排出后，按所需温度进行固化，冷却后脱模即可。但是该成型方法形成的制件孔隙率比较高，大概在3%～5%之间，适合于强度要求较低的制件成型。

三维编织复合材料应用领域

由于三维编织复合材料是完全的整体结构不分层，所以其比强度、比模量高，具有优良的力学性能和功能，使采用复合材料来制作主承力结构件和特殊的具有多种功能的制件成为可能。但由于三维编织复合材料制造成本非常高，导致目前主要应用于国防军工、航空航天等领域。比较典型的有航空涡扇发动机风扇叶片、飞机起落架、螺旋桨、大曲率机骨架、机翼、飞机蒙皮、飞机进气道、航空发动机机匣、飞船关键连接件、火箭发动机喷管及密封调节片、卫星桁架、燃烧室内衬、导弹头锥以及氮化硅纤维增强的导弹天线罩透波材料、耐磨损刹车片材料各类固体火箭发动机喉衬材料等功能件和承力连接件。现就其它应用领域前景做介绍。

热塑性CFRTP推广相对较缓，主要是因为熔融的热塑性树脂粘度较高，比较难以浸润到碳纤维之间。但随着近几年可将碳纤维和热塑性树脂薄膜通过层压加热方式，提高热塑性树脂浸润碳纤维的能力，使得热塑CFRTP板材和带状板材得以发展。而三维编织技术，可使纤维相互交错制造中空管材。具体制作程序为：使用CFRTP单向预浸带，通过编织成型制造中空管材，再将编织成型的中空管材加热，使之熔融，施加压力的同时进行冷却，最终成型中空管材。此外，因为使用了热塑性树脂，使其加工的管材更具多样性，比如加热后可以根据用途改变形状，并可接合且无需粘结剂。

 

2.突破传统的异形构件—“飞扬”火炬

2022年“飞扬”火炬是变径，变曲率的异形构件。加上表面自上而下的祥云条纹，制作难度很高。而此火炬就是由云路复合材料有限公司采用自动化立体编织工艺制备而成。

3.刹车盘—碳/碳复合材料预制体

国外采用3D织物制备的碳/碳复合材料先进预制体已多年，但在国内普及和商用并不多。在此领域，三维编织技术可应用于飞机刹车盘。目前世界上60余种型号飞机采用碳/碳复材刹车盘，但传统碳/碳复材刹车（大部分采用针刺技术）盘有其弊端，比如抱和力较差，分层变形等。三维编织可克服传统工艺缺点，改善分层问题，并提升综合力学性能。

 

4.光伏热场—碳/碳复合材料坩埚

随着光伏热场领域里晶硅制造行业向大尺寸、高品质方向发展，碳/碳复合材料坩埚也逐渐超大尺寸方向发展。但传统的碳/碳复合材料坩埚制备技术在其朝大尺寸、形状复杂结构功能一体化方向上有所制约，而三维编织技术能很好地实现坩埚预制件大尺寸、高精度制作，并克服传统针刺预制体存在的的缺陷。例如三维编织工艺制备的预制体密度比传统工艺制备的坩埚预制体密度大0.4g/cm³左右（传统坩埚密度为0.3-0.4 g/cm³，三维编织制备的密度为0.7-0.8 g/cm³）。密度的提升可使预制体在后续碳化过程中的质量损失与体积收缩现象得到大幅改善。此外，由于三维编织工艺采用连续一体化智能成型生产，生产效率较传统工艺可提升20%至30%。

三维编织复合材料是高技术领域中的一类新型先进复合材料，可制造高温功能结构材料，也可作为防护材料。此外在医学领域也可制造生物医学材料，比如采用三维编织工艺制备生物支架等。

虽然三维编织技术优点多多，并适合多种异形构件，但目前国内的商业应用仍相对较少，制约三维编织技术推广的原因主要有研究起步晚、设备的自主研发、编织技术创新、数字化设计理论、在线检测技术、自动化与智能化控制技术等问题。除此之外，三维编织技术制造成本也非常高，一般适用于高端产品领域。

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