三维编织复合材料应用领域概况

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。

一、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。

图 CFRTP中空管材

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。

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。

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。