3.2航空航天
三维编织复合材料作为功能性结构材料已经在火箭、飞机、卫星等航空航天飞行器上广泛使用，如：火箭发动机喷管、密封调节片、卫星桁架、燃烧室内衬、导弹头锥以及飞机发动机风扇叶片等耐高温、耐烧蚀和高速冲刷的结构材料，以及氮化硅纤维增强的导弹天线罩透波材料、耐磨损刹车片材料等功能性材料。
图16 三维编织复材飞机上的应用
3.2.2作为承力、连接结构件
图17 多通接头图片
三维编织预制体结构具有整体性、不分层的特点，结构中纱线连续且伸直度好，有利于材料在受力时均匀承担载荷。此外，三维编织技术可以一次性整体编织复杂连接件，不需要进行二次加工，既可满足性能上的高需求，也大大减轻了构件质量。因此，三维编织复合材料在制作承力结构件、复杂结构连接件方面具有明显的优势，典型产品如：工字梁、T形梁、高性能复合材料管件、汽车传动轴、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、航空发动机机匣等；还有一些异形接头，如：卫星桁架、耳片结构、多通接头等。其中，我国首颗探月卫星“嫦娥一号”卫星空间桁架结构连接件就采用了三维编织复合材料。 三维编织预制体结构具有整体性、不分层的特点，结构中纱线连续且伸直度好，有利于材料在受力时均匀承担载荷。此外，三维编织技术可以一次性整体编织复杂连接件，不需要进行二次加工，既可满足性能上的高需求，也大大减轻了构件质量。因此，三维编织复合材料在制作承力结构件、复杂结构连接件方面具有明显的优势，典型产品如：工字梁、Ｔ形梁、高性能复合材料管件、汽车传动轴等。 将CFRP制成中空封闭截面结构，是这一新兴轻量化材料的重要发展方向之一。目前，常见的CFRP中空封闭截面结构的预成型方法有拉挤成形法、卷管成形法、缠绕成形法、三维编织成形法等几类。前三种方法由于工艺条件所限，存在成形结构简单、制造周期长、产品质量稳定性较差等问题，难以满足汽车大批量生产的要求。而三维编织成型法是一种在芯模表面上直接编织成三维结构的预成形工艺，具有结构设计性好、集成度和成形效率高等优点，可实现中空封闭截面结构一体编织成型，适用于中空梁类零部件，如顶盖横梁、上边梁、门槛梁等，并已在宝马新7系车型中成功量产应用。
图18 三维编织CFRP车顶横梁样件
3.4建筑领域
由斯图加特大学的两个研究所设计，即计算设计与建筑研究所（ICD）和建筑结构与结构设计研究所（ITKE）。批量生产在 FibR GmbH 公司进行。演示的目的是展示网络物理设计和制造过程如何充分利用新型复合材料建筑系统来优化结构的材料效率。此外，这也是首次通过建筑主管部门的授权程序；在一年内获得了 "个案批准"。展亭的底座直径为 23 米，最大高度为 7 米，单位建筑面积重量仅为 7.6 千克/平方米。
图19 BUGA展亭
新型 BUGA 建筑系统的一个关键要素是无芯三维编织复合材料组件。它改进了框架与复合材料组件之间的解耦，并提高了框架的适应性。因此，可在制造迭代之间调整组件的长度，并设置法兰的角度。这样，BUGA 展亭使用的建筑系统就有了六种不同的配置。该建筑系统的每个组件都呈双曲面形状。纤维网形成了一个管状贝壳状复合结构，其椭圆形横截面可通过纤维合成法进行调整。3.4.2 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20 CFRTP中空管材
国际上，英国Courtaulds公司，日本岛精公司提出了“全成衣”的概念， 并推出了四针床电脑横机，德国STOLL公司也推出了“织可穿”概念，现已可以完全实现一次性无需缝合全成形服装的生产。 国内，孟海涛结合人体工学设计，构建了人体对应部位的数据模型，并且根据产品的功能性要求，进行了原料的选择和组织结构的设计，开发出了一款全成形针织护腰；傅雯雯研究了凹凸组织结构对于表面摩擦性能的影响，利用电脑横机完成了全成形防滑手套的设计，并对几种组织结构的透气、耐磨、顶破性能进行了测试。体育用品领域的应用，体育产业传统材料木材已经被FRPC材料和碳纤维取代，然后通过三维编织成自行车车架、网球拍、曲棍球棒，以减轻重量。
图21 体育休闲应用
3.6生物医疗
因为三维编织复合材料具有结构可设计性且质轻的性能特点，因而也可用于人造生物组织方面，如：人造支架、人造韧带、人造血管、接骨板等。根据《Nature》杂志的一篇研究，组织工程旨在通过植入细胞、生物材料支架和生物活性分子的组合来修复或再生组织。快速恢复组织的生物力学功能仍然是一项重要挑战，这就强调了利用新型支架设计复制结构和机械特性的必要性。在此，此研究提出了一种微尺度三维编织技术，以生成各向异性的三维编织结构，作为新型复合支架的基础。通过压缩、拉伸和剪切测试，复合支架显示出与原生关节软骨相同数量级的机械性能。此外，研究结果表明，多孔复合材料支架的初始特性可以再现原生关节软骨的各向异性、粘弹性和拉伸-压缩非线性。这种支架独特地结合了体内植入后立即承重的潜力和细胞组织再生的生物支持，而无需体外培养。
图22 人造支架模拟图
3.6.2三维可拉伸热电织物
中国科学家研制出的首款具有仿生三维架构的电子皮肤。该电子皮肤由清华大学航天航空学院和柔性电子技术实验室的张一慧教授课题组研制，能在物理层面实现对压力、摩擦力和应变三种力学信号的同步解码和感知。这种电子皮肤的设计模仿了人类皮肤的结构，包含“表皮”、“真皮”和“皮下组织”，其传感器和电路的分布类似于人体皮肤中的触觉感受细胞。该成果已发表在《科学》杂志上，并可能在医疗机器人、生物检测、生物医疗和人机交互等多个领域有广泛应用前景。
图23 具有三维架构的电子皮肤：仿生设计概念及真实器件图片
(A. 电子皮肤的仿生设计概念；B. 贴于机械手指尖的电子皮肤；C-G. 电子皮肤的照片、力传感单元与应变传感器局部放大图及应变栅线与过孔局部显微放大图片。)4 三维编织工艺未来展望
尽管三维编织复合材料制件多种多样，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。 随着三维织物在树脂、陶瓷和金属基复合材料中应用的不断拓展，三维织物的外形结构和成型方式也变得越发复杂。总之，三维织物成型工艺的研发应综合考虑几何尺寸、复合工艺、产品性能和生产效率等因素。今后，可从以下方面对三维织物成型工艺展开深层次研究： (1)研发更为简单便捷的新型三维织物成型工艺，或针对产品需求采取组合工艺，简化复杂产品的成型工艺。 (2) 研发适用性强且自动化、智能化程度高的装备，实现三维织物低成本的工程化制备 [1]李政宁,陈革,Frank Ko.三维编织工艺及机械的研究现状与趋势[J].玻璃钢/复合材料,2018(05):109-115. [2]荆云娟,韦鑫,张元,等.三维编织复合材料的发展及应用现状[J].棉纺织技术,2019,47(11):79-84. [3]熊绍海,袁翔,江嘉吉.三维编织复合材料的发展现状与展望[J].直升机技术,2020(01):50-56.此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。