浅谈复合材料三维编织工艺（下）

1.4 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。

1.CFRTP中空管材

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%。

5.生物医用

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。

1.5 三维编织复合材料发展趋势

我国三维编织复合材料研究起步较晚，与欧美等发达国家相比，国内三维编织复合材料在理论研究、试验研究、结构参数、检测技术等方面较为滞后，因此目前我国三维编织复合材料商业应用仍较少。

三维编织复合材料是工程界热门研究方向之一，在国内，从事研究和生产三维编织复合材料的机构和企业有中国纺织科学研究院有限公司、北京柏瑞鼎科技有限公司、天津工业大学复合材料研究院、云路复合材料(上海）有限公司等。

碳/碳复合材料是以碳纤维为增强相的碳基复合材料，是目前极少数可以在2000℃以上保持较高力学性能的材料，它具有低比重、高比强、高比模、低热膨胀系数、耐热冲击以及耐烧蚀等优异性能，被广泛应用于航空、航天、光伏等领域。

碳纤维预制体是碳/碳复合材料的骨架，其成型工艺是碳/碳复合材料最重要的基础技术之一，决定着碳/碳复合材料的性能。现在主流的碳/碳复材预制体成型工艺是针刺技术，制件属于2.5D织物。随着行业的发展，碳/碳复合材料需要更先进的预制体（3D织物），而突破传统复材工艺固有缺陷的三维编织技术，在国外已应用多年。鉴于三维编织尚未在国内碳/碳复材行业得到普及和商用，下文将浅论它在该行业的发展潜力。

飞机着陆时速度很快，需要依靠反推装置和刹车装置吸收由此产生的巨大能量，使机身静止下来。刹车盘在摩擦过程中，把动能转化为热能，其工作温度最高可达1600℃。这使得刹车盘成为飞机刹车系统的关键部件、碳/碳复合材料最主要的应用领域。目前，世界上有60余种型号的飞机使用碳/碳复材飞机刹车盘，其用量约占碳/碳复材年消耗量的60%。因为成本低、工艺适应性好及力学性能优异等特点，针刺技术被大量用于制作碳/碳复材飞机刹车盘的预制体，并占有主导的产业地位。然而随着行业要求的提高，针刺预制体因其缺陷而越来越跟不上市场需求。

碳纤维模量较高，抱合力较差，在针刺过程中容易损伤，所以很多针刺预制体采用预氧化纤维（即由碳纤维原丝在张力作用下于空气中加热预氧化后得到的中间产品）。可是，采用预氧化纤维的预制体完成后，首先需要进行碳化工艺，将预氧化纤维转变为碳纤维，然后进行致密化工艺。在此过程中，纤维很容易收缩，可能导致严重分层和变形，特别是结构复杂、不易加工的制品。研究表明，通常质量损失约50%，体积收缩约15%。因此，传统工艺过于复杂，也很难在编织的同时最大程度保留碳纤维的性能。

相比之下，三维编织复合材料克服了传统工艺的缺点，即受力后容易分层的问题。三维编织复合材料是利用三维编织机首先将碳纤维等高性能纤维织造成三维整体织物，再和基体（包括树脂、碳/碳化硅、金属等）复合，从而制成复合材料制件。与层合复合材料相比，三维编织复合材料具有完全整体、不分层的结构以及良好的综合力学性能，适合制造结构制件和高功能制件。

在我国，飞机刹车盘的预制体品种单一，仍以针刺预制体为主，缺乏对于新型的三维编织和各种异形编织预制体的研产；在成型异形件方面，国外所做的旋转体预制体最大外径达到2600mm，远大于国内的1200mm；国外自动化程度高，制品性能稳定，而国内至今大多采用手工铺层针刺，效率低。所以，研发三维编织技术和三维编织复合材料对我国发展新材料具有重要意义。