三维编织工艺（上）
更新时间：2024-07-22 08:54:40
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三维编织技术是在传统二维编织技术上发展起来的一种高新纺织技术。发展它的目的是为了克服传统复合材料固有的缺点，即受力后容易分层的问题。正是由于这个缺点，传统复合材料很难用于制作主承力结构件和高功能制件，而三维编织技术最大的优势就在于非常适合制作各种复杂形状的高性能纤维结构件、连接件。
图1 二维编织物和三位编织物
1.2三维编织工艺方法
简单的来说，三维编织是在二位编织的基础上增加了轴向纤维，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。1.3 三维编织工艺的分类
三维编织工艺主要分为三类: 行列式三维编织 ( Track and Column Braiding) 、旋转式三维编织(Rotary Braiding) 和六角形三维编织( Hexagonal Braiding) 。1.3.1 行列式三维编织工艺
行列式三维编织的主要特点为: 携纱器在底盘上的二维笛卡尔坐标平面或极坐标平面上按照一定的路径移动，带动纱线在空间交织形成相应的三维结构预制件。行列式三维编织物的空间几何结构有两种: 一种是编织纱线贯穿厚度方向; 另一种是纱线在层与层之间进行交织，形成相邻层之间的内锁。行列式三维编织工艺主要有“二步法”和“四步法” 两种，如图 2 和图 3 所示。
图2 “二步法”三维编织工艺示意图
图3 “四步法”编织工艺示意图
由“四步法”得到的三维编织物微观结构上纱线会呈四个方向排列，因此被称为三维四向编织。如果在编织纱中加入一系列固定不动的轴纱，则可以衍生出三维五向编织、三维六向编织等。此外，在携纱器行(列) 移动时，如每一步移动不同数量的列 (行) ，则每八步为一个机器循环，称为“八步法”编织。 旋转式三维编织工艺源于旋转二维编织，如编带编织( Lace Braiding) 和五月柱编织( Maypole Braiding) 。尽管不同的编织工艺从携纱器的运动形式上看很相似，但其本质是不同的。旋转式二维编织中通常有两组携纱器，一组携纱器(实心点) 绕圆心顺时针带动纱线循环转动，另一组携纱器(空心点) 绕圆心逆时针带动纱线按相反轨迹循环转动，使纱线相互缠绕形成编织物，如图 4所示。
图4 旋转式二维编织的携纱器轨迹
1.3.3 六角形三维编织工艺
六角形三维编织源于对三维编织物纤维填充高密度的要求。自然界中，如蜂巢、碳元素的同素异形体中都呈现出了正六角形的结构，这种结构具有良好的稳定性和填充密度，Ko等据此发明了六角形三维编织工艺。六角形三维编织的基本单元是由三个中心距离彼此相等的等半径圆形相交构成的，如图5所示，将三个圆形重合区去除得到了六角形齿轮，齿轮的间隙用于放置携纱器; 将此基本单元从中心向外扩展即可得到六角形编织阵列，见图5 和图 6。在角轮旋转的驱动作用下，位于角轮翼缘的携纱器可以在不同角轮的翼缘之间进行传递，带动携纱器以一定轨迹在空间交织。
图5 六角形编织基本单元与扩展单元
图6 六角形编织阵列
1.3.4 不同三维编织工艺特点的对比
行列式三维编织中携纱器的移动是以整行或整列的形式进行的，虽然可以用来织造异形截面的三维编织物，但其编织速度较慢，一般为每分钟 8 个～10 个机器循环; 而且携纱器带纱较少，导致连续编织 10 m～20 m 后即需更换纱管; 也不适用于变截面三维织物的织造。 旋转式三维编织中携纱器均匀分布在以编织轴为圆心的圆周上，且至少有两组纱线，其中一组绕底盘中心点顺时针旋转，另一组绕底盘中心点逆时针旋转，形成封闭的路径。槽轮凹槽的数量决定了编织纱交织的形式以及编织物的结构，尤其是角轮的凹槽只有一半可以放置携纱器。 六角形三维编织相较于行列式和旋转式编织更加灵活，可以依据编织物的截面形状和空间结构选择携纱器的分布和运动路径，不必重新加工机器底盘。三种编织工艺的特点对比如表 1 所示。
表1 各种三维编织工艺的特点对比
1.5 三维编织复合材料的性能特点
三维编织复合材料因其整体复杂的空间纤维结构，显著地提高了材料的比强度和比刚度，从根本上克服了传统层合结构复合材料层间强度低、易分层等致命弱点，还使其具有优良的力学性能，如：良好的抗冲击损伤性能、耐疲劳性能和耐烧蚀性能等，以及结构整体性好、可设计性强等诸多优点，受到工程界的普遍关注，成为航空、航天、能源、重大战略装备、轨道交通、汽车轻量化、碳/碳复材、城市基建、生物医疗、体育用品等领域的重要结构材料。 三维编织复合材料具有极强的结构可设计性。它的性能可以通过三维编织预制体编织结构 的合理设计实现并提高。根据材料的最终使用性能要求以及形状要求，通过设计合理的编织工艺，包括设计编织角（预制件中编织纱线与制件成形方向的夹角）、花节高度（编织纱线运动一个完整的机器循环所形成的编织物长度）、改变纱线细度以及纤维体积分数等工艺参数，从而改变复合材料各个方向上的性能。此外，还可以通过改变纱线的位置，在编织物某一方向上增加纱线，变换预制体的编织结构等工艺设计，达到对三维编织复合材料力学性能和其他性能的调节作用。目前，三维编织预制体结构种类可大致分为三维四向、三维五向及全五向、三维六向、三维七向编织结构等。此外，不同的织物横截面形状需要设计相应的纱线运动式样，采用不同的纱线运动式样编织出的织物细观几何形状和力学性能也会不同。1.5.2三维编织预制体具有近净成形性
可以直接一次性编织成不同形状的异形整体预制件。采用三维编织技术不仅可以编织矩形预 制件，还可以编织矩形组合截面的异形预制件，如 工字梁、Ｔ形梁等，还可以编织圆管、圆锥套、喷管等变截面形状的异形件。针对异形（变截面）构件，可以采用三维编织增减纱工艺技术实现构件的截面变化，通过分析计算，设计合理的增减纱单元数量及位置，在基本编织纱线数量确定的情况下，织物的内环周长的大小决定了参与编织纱线 的列数，织物的厚度决定了参与编织纱线的行数， 以此实现异形构件的一次编织成形，达到最终制 件的尺寸，无需再进行机械加工，从而可避免由于加工而造成的纤维及纱线的损伤，大大提高复合 材料制件的性能。1.5.3可编织高性能纤维
近年来，随着高性能纤维的不断发展，在航空航天、建筑、船舰、汽车等领域使用高性能纤维的 种类及频率也越来越多，三维编织技术几乎可以 编织任何种类的纤维。目前用于三维编织预制件的纤维种类也已经几乎涵盖了所有的高性能纤维，包括碳纤维、碳化硅纤维、超高分子量聚乙烯、氮化硅纤维、芳纶、石英纤维、玻璃纤维等，以满足当前高科技领域对高性能复合材料的迫切需要。1.5.4 具有比传统复合材料更优良的力学性能
三维编织物具有特殊的空间网状结构，纱线在三维空间中沿多个方向延伸交织，由三维编织 预制体增强的复合材料不存在“层”的问题，这种独特的织物结构决定了其复合材料具有比传统复 合材料更为优异的力学性能。众多研究者对三维编织复合材料的力学性能（拉伸、弯曲、压缩、疲劳等）进行了研究，结果都表明：三维编织复合材料具有良好的力学性能，并且编织参数，如编织角、 编织结构、纤维体积分数等对其复合材料的力学性能有较大的影响；在纤维体积分数相近的情况下，三维编织复合材料的拉伸、弯曲、压缩强度和模量要比层合复合材料高的多；在厚度方向上，碳化硅／陶瓷基三维编织复合材料的拉伸强度近乎是碳化硅平面织物增强层合复合材料的6倍。 三维编织复合材料具有良好的抗损伤性能。打孔对其力学性能的影响不大，钻孔后，三维编织 复合材料的拉伸强度仅损失10%左右，但层合复合材料拉伸强度却损失约50%。 三维编织复合材料特殊的空间网状结构使其 在冲击载荷作用下不易分层，因此具有良好的抗冲击损伤容限特性和耐疲劳性能。
1.6三维编织复合材料成型工艺
三维编织复合材料多采用液体成型工艺进行浸胶固化，包括树脂传递模塑(RTM)工艺、树脂膜渗透(RFI)工艺、真空辅助树脂渗透(VARI)工艺等。其中RTM工艺是从湿法铺层和注塑工艺演衍生出来的，其能够制造出高精度、低孔隙率、高纤维含量的复合材料构件，是三维编织复合材料主要制造技术之一。三维编织复合材料制件繁多，涉及到U字型、T字型、X字型、米字型、工字型、之字型、蜂窝状、球体、截锥体等多种异型结构，在制造业智能化、机械轻量化发展背景下，三维编织复合材料应用前景较好。 20世纪60-70年代三维编织技术的概念最初由美国和欧洲的研究机构提出。这一时期，研究人员开始探索如何通过编织技术制造出具有三维结构的复合材料。 20世纪80-90年代随着复合材料在航空航天、国防和体育用品等领域的应用需求增加，三维编织技术得到了快速发展。美国的一些公司和研究机构，如Textron Systems和Lockheed Martin，开始研发和商业化三维编织设备和工艺。欧洲的德国、法国和英国等国家也在这一领域进行了大量研究，推动了技术的进步。随后，三维编织技术逐渐成熟，开始广泛应用于航空航天、汽车、医疗和体育用品等行业。