三维纺织复合材料是高新技术领域高端装备研制的关键材料，近年来取到了迅速的发展。该类材料采用三维立体织物作为增强体，贯穿空间各个方向的编织纤维提供了增强结构的整体性和稳定性，显著提高了材料厚度方向的强度和抗冲击损伤的性能，是高性能复合材料发展的前沿方向。

三维立体织物预制体是高性能复合材料的关键增强结构材料。相继发展的多种三维立体织物预成型技术，如三维编织、三维机织、多轴向针织等技术，为三维纺织复合材料提供了多样化的增强结构形式和大范围可调节的纤维取向分布，可以实现材料性能的裁剪设计和复杂构件的近净成型。

三维机织预制体是三维纺织复合材料中应用最为广泛的增强体结构，具有不分层、耐疲劳、抗冲击等优异的性能，以及高效制造、可设计性、仿形编织等优点。以三维机织预制体为增强体的高性能复合材料已在航空航天、交通运输、海洋船舶等工程领域得到了广泛应用。

三维机织工艺是在传统二维机织工艺基础上发展起来的一种高新纺织技术。传统二维机织工艺是由一层经纱和一层纬纱相互交织而形成织物，如图1所示。在此基础上发展的三维机织工艺是将多层经纱和纬纱交织在一起，形成一个整体不分层的三维织物，如图2所示。三维机织工艺主要有正交三向、层间联锁机织、多层多向机织等。

图1 二维机织物

图2 三维机织物

1.1 正交三向机织工艺

正交三向机织工艺是由经纱、纬纱和接结纱三个纱线系统相互交织，多层经纱沿织物长度方向排列，接结纱（法向纱）交错排列在经纱层的上下表层间隙，在经纱间隙引入纬纱，法向接结纱交叉贯穿全部经纬纱层将多层衬经纱和纬纱捆绑在一起，形成整体不分层的三维织物，如图3所示。正交三向织物中三组纱线相互垂直，呈伸直状态，有利于纱线强度的充分发挥。

图3 正交三向机织工艺：（a）织造方法；（c）正交三向织物结构

1.2 层间联锁机织工艺

层间联锁机织工艺是由经纱和纬纱系统两个纱线系统相互交织，多层经纱沿织物长度方向排列，在经纱间隙中引入纬纱，多层经纱按一定的规律相互交错两层或多层位置，将纬纱捆绑在一起，形成整体不分层的三维织物，如图4所示。织物面内经纱和纬纱的取向相互垂直，厚度方向由经纱弯曲联锁两层或多层纬纱。层间联锁机织工艺中可以增加伸直的衬经纱和衬纬纱系统，以提高织物经向或纬向的性能。

图4 角联锁机织工艺：（a）织造方法；（b）角联锁织物结构

1.3三维多向机织工艺

在三维机织工艺基础上，引入斜向纱线，发展了多轴向机织工艺。多层多向机织工艺是由经纱、纬纱、接结纱、+θ斜向纱和-θ斜向纱五个纱线系统相互交织，多层经纱、斜向纱和接结纱按一定规律沿织物长度方向排列，在纱线层间引入纬纱，接结纱交叉贯穿若干纱层，将多层经纱、纬纱和斜向纱线捆绑在一起，形成整体不分层的三维织物，如图5所示。织物中经纱、纬纱和接结纱相互垂直，斜向纱线与经纱方向具有一定的倾斜角度，且五组纱线均呈伸直状态。斜向纱的引入可以显著提高织物的面内抗剪切性能。

图5 多层多向机织工艺：（a）织造方法；（b）多层多向织物结构

采用三维机织工艺制成的三维织物具有多样化的结构形式。典型的三维机织结构按接结纱贯穿纬纱层的方式分为层间角联锁结构、贯穿角联锁结构和正交三向结构；按照经纱的面内运动规律可分为平纹结构、斜纹结构和缎纹结构；在典型织物结构基础上，沿经向、纬向引入或同时引入纱线，形成衬经、衬纬的衍生织物结构。

2.1 正交三向结构

正交三向结构由三组相互呈正交状态的纱线构成，如图6所示，纱线取向垂直的经纱层和纬纱层交替重叠，接结纱沿纬纱列间垂直贯穿所有经纬纱层，将伸直的经纱和纬纱捆绑在一起形成整体结构。

图6 正交三向结构

2.2 层间角联锁结构

层间角联锁结构也称2.5D结构，基本的层间角联锁结构中包含两组面内取向相互垂直的多层经纱和纬纱，经纱以一定角度穿过若干层纬纱层，将相邻若干层纬线联结在一起形成整体结构。典型的层间角联锁结构包括层联平纹、层联斜纹和层联缎纹。层联平纹结构为经纱弯曲循环联锁相邻两层两列纬纱，在织物表层形成一上一下平纹交织结构，如图7所示。层联斜纹结构为经纱弯曲循环联锁相邻两层四列纬纱，在织物表层形成一上三下斜纹交织结构，如图8所示。层联缎纹结构为经纱弯曲循环联锁相邻四层八列纬纱，在织物表层形成八枚五飞纬面缎纹交织结构，如图9所示。在典型的层间角联锁结构基础上通过引入衬经纱和衬纬纱可以获得衬经或衬纬层间角联锁结构。

图7 层联平纹结构

图8 层联斜纹结构

图9 层联斜纹结构

2.3 贯穿角联锁结构

基本的贯穿角联锁结构中包含两组面内取向相互垂直的一层经纱和多层纬纱，经纱以一定角度贯穿所有经纬纱层，将纬纱捆绑在一下形成整体结构，如图10所示。贯穿角联锁结构根据其纬纱层数在织物表面可以设计为平纹、斜纹、缎纹等结构，图10所示织物表面交织结构为12枚5飞缎纹结构。贯穿角联锁结构中也可引入衬经纱和衬纬纱，形成衬经贯穿角联锁结构和衬纬贯穿角联锁结构。

图10 贯穿缎纹结构

2.4 三维多向机织结构

三维多向机织结构包含5个纱线系统：经纱系统 (0°) 、纬纱系统 (90°) 、正斜向纱系统 (+θ) 、负斜向纱系统 (-θ) 以及接结纱系统，接结纱捆绑其它系统纱线形成整体结构。多层多向机织结构中，经纱与织物长度方向平行；+θ（或-θ）斜向纱与经纱轴向成+θ（或-θ）夹角；纬纱垂直于经纱，沿织物宽度方向排列；接结纱与纬纱、经纱呈正交配置，贯穿所有纱线层或若干纱线层，通过与纬纱交织，将各纱线层捆绑约束成为整体结构，如图11。根据接结纱贯穿的纱线层状态分为多层多向结构和层联多向结构。

图11 三维多向机织结构

3 三维机织复合材料的性能特点

采用三维机织结构织物作为增强体，复合材料在厚度方向上获得了增强，克服了传统层合复合材料易分层破坏的缺点，突破了复合材料在主承力结构和多功能结构上应用的技术瓶颈，成为高性能树脂基复合材料、碳碳复合材料、陶瓷基复合材料等的理想增强材料。随着三维机织技术的发展，不仅可以净体制备形状复杂、不同尺寸的异型构件，实现结构的一体化设计，减少零配件数量，保证结构的整体性，而且增强纤维在复合材料中呈空间多向分布，使复合材料的性能设计更具灵活性，实现了材料的“特定设计”。

3.1 不同结构三维机织复合材料性能对比

三维机织复合材料的力学性能主要取决于其三维机织结构增强体的组织结构。三维机织结构具有多样性，纱线粗细、纱线取向、纤维含量、交织方式等可以灵活调节，对其增强的复合材料的最终性能产生较大影响，如表1所示。正交三向结构中经纱、纬纱和接结纱分别沿织物的长度、宽度和厚度方向伸直排列，可以充分发挥纤维的性能，织物在三个方向上获得较高性能。层间或贯穿角联锁结构中经纱弯曲起到接结纱的作用，导致经纱的强度利用率降低，织物经向性能低于纬向性能，且织物经向性能随着经纱斜向角增加而降低，其中层联平纹结构的经向性能最低。此外，随着经纱弯曲联锁的纬纱层数增加，织物中经纱层数将减少，导致织物经向性能降低。通过引入衬经纱可以显著提高角联锁结构的经向性能，也可以通过引入衬纬纱线，减小经纱的斜向角度，从而提高织物的经向性能。不论是正交三向结构还是角联锁结构，纱线在织物面内的投影取向均沿着织物的经纬双向分布，因此其面内抗剪切性能较差。三维多向机织结构中引入了斜向纱线，可以显著提高复合材料的面内抗剪切性能。

表1 不同结构机织复合材料性能对比

3.2 整体构件性能-结构一体化设计与制造

三维机织复合材料制造主要包含两个工艺过程，三维机织预制体成型和基体材料渗透复合或致密化，其中三维机织预制体成型过程决定着复合材料的最终力学性能，并对基体渗透复合或致密化过程产生显著影响。三维机织预制体采用三维机织工艺织造，可以创构独特的织物结构，赋予材料独特的性能，结合提花和仿形编织技术，可以实现大型/异形复合材料构件三维整体结构的近净成型，实现整体构件的性能与结构的一体化设计与制造，如图12所示。三维机织工艺分为方型工艺和圆型工艺。方型工艺可以实现高厚平板、块体织物、变厚度织物等的织造。圆型工艺可以实行回转体、截锥体、异形管状织物等的织造。三维机织工艺具有灵活多样性，可以实现多种结构的耦合仿形编织，是复杂构件结构一体化、减少零部件连接数量、提高结构的整体强度和稳定性的高新技术。整体构件预制体三维机织预成型过程中，预制体的宏观构件结构和细观织物结构同步形成，通过对整体构件的多相材料布局和多尺度结构布局的并行设计，将适宜材料编至适宜位置、独特结构创成独特性能，获得最优结构材料满足复合材料构件的服役环境要求。

图12 三维机织近净成型构件示意图

三维机织技术近年来得到迅速发展，是复合材料高效、低成本制造的关键技术之一。三维机织工艺仅需经向和纬向两组纱线即可实现，工艺相对简单，非常适合织造具有一定厚度的宽幅织物。德国多尼尔公司推出了用于生产碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维的三维机织设备，如图13所示，采用提花机控制，经纱由纱架供纱，可以织造变截面织物。美国ALABANY国际公司开发了生成发动机叶片和机匣的三维机织设备，如图14所示。国内天津工业大学在2014年研发了国内首台碳纤维三维机织设备，如图15所示，采用提花机控制，经纱由小经轴积极送经，可以实现复杂异形织物织造。

图13 多尼尔公司的三维机织设备

图14 ALABANY公司的三维机织设备

图15 天津工业大学的三维机织设备

三维机织预制体保持了增强纤维的连续性和编织结构的完整性，以其增强的三维机织复合材料具有不分层、抗冲击和耐疲劳等优异性能，在航空航天领域得到了广泛应用。法国SNECMA和美国GE公司组建的CFM国际公司研制的LEAP-X发动机采用了碳纤维三维机织技术和RTM技术制成的复合材料风扇叶片，燃油消耗减少16%，且更为安静。新一代的LEAP发动机采用了三维机织/RTM复合材料风扇包容机匣，整个机匣预制件（包括法兰）一次编织成型，不仅能够有效地包容风扇叶片碎片，而且可以大大减轻发动机的重量。Messier-Bugatti-Dowty公司为Boeing 787研发了碳纤维复合材料主起落架支架，如图14所示，这是在商用飞机起落架上首次使用结构复合材料。与金属支架相比，三维机织复合材料支架减轻了结构重量，满足复杂的轴向和剪切工况，抵抗鸟类或跑道碎片的撞击和起降周期性疲劳，提高了服役可靠性。

图16  CFM公司的三维机织复合材料叶片和包容机匣

图17  Messier-Bugatti-Dowty公司研制的主起落架支架

三维机织预制体具有卓越的异型构件仿形能力，可实现复合材料构件的近净尺寸成型，如采用三维机织工艺仿形编织的异型梁、发动机转子、截锥体、壁板、喷管、燃烧室等，如图18所示。采用三维机织预制体制成的陶瓷基、碳碳等复合材料具有重量轻、强度高、耐高温、耐冲击、耐烧蚀等优异性能，是研制航天结构、发动机、制动装置和热防护等主要系统和部位的理想材料，是实现超高温环境下主承力构件防热/结构一体化设计的关键材料，具有广泛的应用前景。

图18  三维机织复合材料异形构件（来自网络）