【先进织造技术】关于三维纺织复合材料的发展及应用，你了解多少？

纺织复合材料是指采用纺织技术织造的织物(或称作预制件) 所增强的复合材料。随着科学技术的飞速发展，纺织复合材料在改善其层内及层间强度和抗损坏性能方面有了新的突破，其主要表现为增强材料体结构从零维，一维，二维，发展到三维，即产生了用于制造先进复合材料增强体的三维纺织技术，从而为制造具有整体性和仿形性的高性能复合材料提供了可靠的保证。

三维纺织复合材料能够从根本上解决分层问题，这类纺织品包括三维机织物、三维编织物、三维针织物以及三维缝编织物等。在这类结构中，纤维束在空间相互交错、交织形成一个整体结构，从而在厚度方向引入增强纤维，提高了复合材料的层间剪切强度和损伤容限，因此它不会分层。这类结构的另一优点是可以加工成各种不同形状的预型件，在浸渍前最终产品已经预成型，因而避免了由切割加工引起的性能下降。

因此，近几年来三维纺织结构复合材料的发展极为迅速，各种新型织机及其相应的产品不断出现，其性能研究也逐步深入，从而大大推动了纺织结构复合材料的发展与应用。

图片来源：《三维编织复合材料的发展现状与展望》，熊绍海，袁翔，江嘉吉

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。

三维整体编织复合材料的成型工艺主要有模压成型、挤拉成型、真空浸渍成型、RTM 成型和 VARTM 成型等， 其中以RTM ( 树脂传递模塑) 工艺和真空浸渍法最为常用。

1. RTM成型工艺

RTM是树脂传递模塑工艺(Resin Transfer Molding)，一般指在模具的型腔里预先放置增强材料，夹紧后，在一定的温度和压力下将树脂注入模具，浸渍织物增强体并固化，最后脱模得到制品的复合工艺。RTM成型工艺是从湿法铺层和注塑工艺演衍出来的一种新的复合材料成型工艺，是目前航天航空先进复合材料的发展方向之一。

2. 真空浸渍法

相比RTM工艺，真空浸渍法简单方便。其制备工艺如下：先将环氧树脂基体加热至某一温度，进行真空脱气处理，然后注入到预先铺好三维织物的模具内，再次抽真空脱气，待气泡完全排出后，按所需温度进行固化，冷却后脱模即可。但是该成型方法形成的制件孔隙率比较高，大概在3%～5%之间，适合于强度要求较低的制件成型。

由于三维纺织复合材料不分层，是完全的整体结构，所以它的比强度、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。

目前，采用三维编织复合材料可以制作飞行器、汽车等上面的多种不同形状的承力梁、接头，多种形式的耐烧蚀、承力的圆筒型、锥筒型的制件，还可以在人造生物组织方面发挥作用，制作人造骨、人造韧带，以及制作接骨板等。

1.作为功能性结构材料

图片来源：《三维编织复合材料的发展现状与展望》，熊绍海，袁翔，江嘉吉

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。

2.作为承力、连接结构件

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。

3.作为人造生物结构件

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。

4.碳/碳复合材料预制体

预制体是碳/碳复合材料的骨架，其成型工艺是碳/碳复合材料最重要的基础技术之一，决定着碳/碳复合材料的性能。现在主流的碳/碳复合材料预制体成型工艺是针刺技术，制件属于2.5D织物。随着行业的发展，碳/碳复合材料需要更先进的预制体（3D织物），而突破传统复材工艺固有缺陷的三维编织技术，在国外已应用多年。

三维编织技术的发展可以实现碳纤维复合材料的大尺寸、高精度编织，而且克服了针刺预制体的缺陷，在改进层间强度、损伤容限和热应力失配等方面发挥作用。

例如，传统工艺生产的坩埚预制体整体密度为0.3-0.4g/cm³，三维编织预制体整体密度为0.7-0.8g/cm³，随着坩埚预制体整体密度的提高，预制体在后续碳化处理过程中质量损失与体积收缩现象将得到大幅度的改善，碳化后的坩埚产品使用寿命将延长20%左右。三维编织工艺采用智能连续一体化成型生产，使产品具有更高的整体性和一致性，生产效率较传统工艺提升20%至30%，尤其在生产大尺寸坩埚预制体时，生产效率优势更为明显。

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。

参考资料：

1. 荆云娟,韦鑫,张元,赵帆.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.

2. 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.

3. 《三维纺织复合材料的结构特点与展望》，内蒙古自治区科普之窗

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