三維編織好處很多，最主要的一點(diǎn)是其克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料夾層式結(jié)構(gòu)，提高了抗分層能力，在一些結(jié)構(gòu)件中可以做到一次成型，是一種連續(xù)纖維的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。正由于這個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)，使其非常適合各種曲面體、異形結(jié)構(gòu)件，其材料損耗小、自動(dòng)化程度高。主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，未來(lái)，三維編織技術(shù)將向著大尺寸超厚高密度曲面體三維編織技術(shù)、超大截面尺寸三維編織技術(shù)等方向發(fā)展。

三維編織復(fù)合材料編織工藝

簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，三維編織是在二位編織的基礎(chǔ)上增加了厚度方向的紗線，從而織出立體整體的織物高新紡織技術(shù)。三維編織復(fù)合材料的編織工藝有兩步法、四步法、多層聯(lián)結(jié)編織法和多步法等，其中四步法和兩步法是目前該領(lǐng)域使用最主要的兩種方法。四步法可以編織許多不同截面的結(jié)構(gòu)，如板狀、管狀、半柱狀和柱狀等。兩步法適合編織非常厚的結(jié)構(gòu)，可以編織板狀、管狀等結(jié)構(gòu)。

國(guó)外有種編織工藝QISO就是單層中混用三軸向結(jié)構(gòu)，即在周向上加入第三組紗線，為斜交紗線，它們位于軸向紗線的上下。因此，可以在部件所需部位提供精準(zhǔn)單項(xiàng)增強(qiáng)與偏軸向增強(qiáng)雙重作用， 從而提高織物損傷容限，改善能量吸收。美國(guó)Spirit航空公司制作的集成化飛機(jī)桁條加強(qiáng)版就是采用此種技術(shù)。

還有一種比較典型的是干纖維自動(dòng)編織技術(shù)。具體是將編織物纏繞鋪放在模具當(dāng)中，經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂浸漬，再通過(guò)真空樹(shù)脂傳遞模塑工藝固化成型。一般可用于飛機(jī)上結(jié)構(gòu)進(jìn)氣系統(tǒng)。

三維編織復(fù)合材料成型工藝

三維整體編織復(fù)合材料的成型工藝主要有模壓成型、擠拉成型、真空浸漬成型、RTM 成型和 VARTM 成型等， 其中以RTM ( 樹(shù)脂傳遞模塑) 工藝和真空浸漬法最為常用。

1. RTM成型工藝

RTM是樹(shù)脂傳遞模塑工藝(Resin Transfer Molding)，一般指在模具的型腔里預(yù)先放置增強(qiáng)材料，夾緊后，在一定的溫度和壓力下將樹(shù)脂注入模具，浸漬織物增強(qiáng)體并固化，最后脫模得到制品的復(fù)合工藝。RTM成型工藝是從濕法鋪層和注塑工藝演衍出來(lái)的一種新的復(fù)合材料成型工藝，是目前航天航空先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展方向之一。

2. 真空浸漬法

相比RTM工藝，真空浸漬法簡(jiǎn)單方便。其制備工藝如下：先將環(huán)氧樹(shù)脂基體加熱至某一溫度，進(jìn)行真空脫氣處理，然后注入到預(yù)先鋪好三維織物的模具內(nèi)，再次抽真空脫氣，待氣泡完全排出后，按所需溫度進(jìn)行固化，冷卻后脫模即可。但是該成型方法形成的制件孔隙率比較高，大概在3%～5%之間，適合于強(qiáng)度要求較低的制件成型。

三維編織復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域

由于三維編織復(fù)合材料是完全的整體結(jié)構(gòu)不分層，所以其比強(qiáng)度、比模量高，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和功能，使采用復(fù)合材料來(lái)制作主承力結(jié)構(gòu)件和特殊的具有多種功能的制件成為可能。但由于三維編織復(fù)合材料制造成本非常高，導(dǎo)致目前主要應(yīng)用于國(guó)防軍工、航空航天等領(lǐng)域。比較典型的有航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片、飛機(jī)起落架、螺旋槳、大曲率機(jī)骨架、機(jī)翼、飛機(jī)蒙皮、飛機(jī)進(jìn)氣道、航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、飛船關(guān)鍵連接件、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管及密封調(diào)節(jié)片、衛(wèi)星桁架、燃燒室內(nèi)襯、導(dǎo)彈頭錐以及氮化硅纖維增強(qiáng)的導(dǎo)彈天線罩透波材料、耐磨損剎車(chē)片材料各類(lèi)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯材料等功能件和承力連接件。現(xiàn)就其它應(yīng)用領(lǐng)域前景做介紹。

熱塑性CFRTP推廣相對(duì)較緩，主要是因?yàn)槿廴诘臒崴苄詷?shù)脂粘度較高，比較難以浸潤(rùn)到碳纖維之間。但隨著近幾年可將碳纖維和熱塑性樹(shù)脂薄膜通過(guò)層壓加熱方式，提高熱塑性樹(shù)脂浸潤(rùn)碳纖維的能力，使得熱塑CFRTP板材和帶狀板材得以發(fā)展。而三維編織技術(shù)，可使纖維相互交錯(cuò)制造中空管材。具體制作程序?yàn)椋菏褂?/span>CFRTP單向預(yù)浸帶，通過(guò)編織成型制造中空管材，再將編織成型的中空管材加熱，使之熔融，施加壓力的同時(shí)進(jìn)行冷卻，最終成型中空管材。此外，因?yàn)槭褂昧藷崴苄詷?shù)脂，使其加工的管材更具多樣性，比如加熱后可以根據(jù)用途改變形狀，并可接合且無(wú)需粘結(jié)劑。

 

2.突破傳統(tǒng)的異形構(gòu)件—“飛揚(yáng)”火炬

2022年“飛揚(yáng)”火炬是變徑，變曲率的異形構(gòu)件。加上表面自上而下的祥云條紋，制作難度很高。而此火炬就是由云路復(fù)合材料有限公司采用自動(dòng)化立體編織工藝制備而成。

3.剎車(chē)盤(pán)—碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體

國(guó)外采用3D織物制備的碳/碳復(fù)合材料先進(jìn)預(yù)制體已多年，但在國(guó)內(nèi)普及和商用并不多。在此領(lǐng)域，三維編織技術(shù)可應(yīng)用于飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)。目前世界上60余種型號(hào)飛機(jī)采用碳/碳復(fù)材剎車(chē)盤(pán)，但傳統(tǒng)碳/碳復(fù)材剎車(chē)（大部分采用針刺技術(shù)）盤(pán)有其弊端，比如抱和力較差，分層變形等。三維編織可克服傳統(tǒng)工藝缺點(diǎn)，改善分層問(wèn)題，并提升綜合力學(xué)性能。

 

4.光伏熱場(chǎng)—碳/碳復(fù)合材料坩堝

隨著光伏熱場(chǎng)領(lǐng)域里晶硅制造行業(yè)向大尺寸、高品質(zhì)方向發(fā)展，碳/碳復(fù)合材料坩堝也逐漸超大尺寸方向發(fā)展。但傳統(tǒng)的碳/碳復(fù)合材料坩堝制備技術(shù)在其朝大尺寸、形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能一體化方向上有所制約，而三維編織技術(shù)能很好地實(shí)現(xiàn)坩堝預(yù)制件大尺寸、高精度制作，并克服傳統(tǒng)針刺預(yù)制體存在的的缺陷。例如三維編織工藝制備的預(yù)制體密度比傳統(tǒng)工藝制備的坩堝預(yù)制體密度大0.4g/cm³左右（傳統(tǒng)坩堝密度為0.3-0.4 g/cm³，三維編織制備的密度為0.7-0.8 g/cm³）。密度的提升可使預(yù)制體在后續(xù)碳化過(guò)程中的質(zhì)量損失與體積收縮現(xiàn)象得到大幅改善。此外，由于三維編織工藝采用連續(xù)一體化智能成型生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)工藝可提升20%至30%。

三維編織復(fù)合材料是高技術(shù)領(lǐng)域中的一類(lèi)新型先進(jìn)復(fù)合材料，可制造高溫功能結(jié)構(gòu)材料，也可作為防護(hù)材料。此外在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也可制造生物醫(yī)學(xué)材料，比如采用三維編織工藝制備生物支架等。

雖然三維編織技術(shù)優(yōu)點(diǎn)多多，并適合多種異形構(gòu)件，但目前國(guó)內(nèi)的商業(yè)應(yīng)用仍相對(duì)較少，制約三維編織技術(shù)推廣的原因主要有研究起步晚、設(shè)備的自主研發(fā)、編織技術(shù)創(chuàng)新、數(shù)字化設(shè)計(jì)理論、在線檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化與智能化控制技術(shù)等問(wèn)題。除此之外，三維編織技術(shù)制造成本也非常高，一般適用于高端產(chǎn)品領(lǐng)域。