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三維編織技術(shù)從上世紀(jì)80年代起得到迅速發(fā)展，它采用三維整體編織方法，對(duì)高性能纖維進(jìn)行編織，使得纖維在層間相互交織，形成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的預(yù)制體。由三維編織制備的預(yù)制體利用樹(shù)脂傳遞模塑工藝（RTM）或樹(shù)脂膜滲透工藝（RFI）進(jìn)行浸膠固化，制得的復(fù)合材料件不僅具備傳統(tǒng)復(fù)合材料所具有的高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料層間強(qiáng)度低，抗剪切能力差的缺點(diǎn)，且具有高的抵抗分層能力和耐沖擊性，為其應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)件和多功能結(jié)構(gòu)件提供了廣闊的前景。編織預(yù)形件有良好的成形性和結(jié)構(gòu)的整體性，并且不需大量機(jī)械加工和連接，因此材料浪費(fèi)和加工過(guò)程中的搬運(yùn)都大量減少，顯著降低制造費(fèi)用。三維編織技術(shù)可以生產(chǎn)出形狀復(fù)雜的異型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化設(shè)計(jì)，提高了結(jié)構(gòu)的整體性，減輕結(jié)構(gòu)重量和制造成本。預(yù)制體纖維在復(fù)合材料行業(yè)曲線(xiàn)linkindustryappraisementpointDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2019.21.005可替代度影響力可實(shí)現(xiàn)度行業(yè)關(guān)聯(lián)度真實(shí)度結(jié)構(gòu)件中呈多向分布，使得采用三維編織預(yù)制體的復(fù)合材料構(gòu)件在性能設(shè)計(jì)上更加靈活。

三維編織原理

三維編織技術(shù)是一種制造編織物纖維增強(qiáng)體的技術(shù)。紗線(xiàn)攜紗器將大量按相同方向排列的纖維線(xiàn)卷沿著預(yù)先設(shè)定的軌跡在平面上精確地移動(dòng)，各纖維絲束之間互相交織構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，最后打?qū)嵔豢椕嫘纬稍鰪?qiáng)的三維編織物預(yù)成型體。從編織方式區(qū)分，有三種常見(jiàn)的編織形式：二步編織法、四步編織法和多層聯(lián)鎖編織法。相應(yīng)的預(yù)成型體的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。上述的編織法中，其中四步編織法發(fā)明最早，應(yīng)用最廣。二步編織法與其它另外兩種工藝相比，它需要的編織運(yùn)動(dòng)最少。在編織過(guò)程中，編織紗在攜紗器的攜帶作用下，將沿軸向排列的軸紗捆綁到一起，構(gòu)成一個(gè)空間整體。

三維編織復(fù)合材料的優(yōu)異性能

可滿(mǎn)足極端惡劣工作環(huán)境要求三維編織復(fù)合材料沿X、Y方向分布的纖維相互交織在一起，不存在層間界面，因此具有很高的抗撕裂性和抗剪性，同時(shí)也不存在層間剝離問(wèn)題，能滿(mǎn)足極端惡劣的空間工作環(huán)境要求。力學(xué)性能優(yōu)異三維編織結(jié)構(gòu)在受外力作用時(shí)，每根纖維幾乎均勻受載，力學(xué)性能得到充分的得到發(fā)揮。與織物鋪層復(fù)合材料相比，在纖維體積含量相等情況下，三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量提高約40％和13％之多，彎曲強(qiáng)度與彎曲模量也相應(yīng)提高了月28％和29％，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。損傷容限性能高三維復(fù)合材料中纖維束之間相互交錯(cuò)纏繞，纖維體中的沖擊裂紋通過(guò)纖維束之間界面時(shí)與纖維界面不平行，被纖維阻隔。三維復(fù)合材料的纖維與基體脫粘、基體裂紋、纖維破裂的過(guò)程都是漸進(jìn)的，裂紋擴(kuò)展比層壓板復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耗散更多的能量，要使材料完全破壞的沖擊次數(shù)也會(huì)增加。由于三維編織復(fù)合材料具有高的抗損傷容限性，所以其可望做成空間站防屏蔽材料以抵御流星群、碎片的高速碰撞威脅。適合形狀復(fù)雜件的制造在編織過(guò)程中，三維編織單元立方體可改變其三維的比例，單元立方體可變形來(lái)適應(yīng)復(fù)雜形狀和尺寸構(gòu)件的變化。三維編織可利用單元立方體的變形在預(yù)制體上編織留孔，避免復(fù)合材料件的機(jī)械開(kāi)孔帶來(lái)的孔邊力學(xué)性能下降，可按實(shí)際整體需要織造復(fù)雜形狀的零部件和一次完成組合件，實(shí)現(xiàn)異形整體編織。

三維編織在航空航天的應(yīng)用

國(guó)外三維編織在航空航天的應(yīng)用美國(guó)航空航天局（NASA）利用先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)計(jì)劃研發(fā)出編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，已成功用于機(jī)身壁板和全尺寸機(jī)翼等結(jié)構(gòu)。美國(guó)的“旅行者”（Voyager）號(hào)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中很多關(guān)鍵部件都采用了編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；同時(shí)美國(guó)比奇公司的“星舟”（Starship）1號(hào)公務(wù)機(jī)的也將編織復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)用到關(guān)鍵部位。美國(guó)的傾斜旋翼V22“魚(yú)鷹”直升飛機(jī)其主要承力部件主要采用三維編織復(fù)合材料工藝制造。法國(guó)的三維碳纖維復(fù)合材料在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用范圍中，目前已證實(shí)的有出口錐、噴管與殼體的連接件等。諾斯羅普•格魯門(mén)公司研制了編織復(fù)合材料機(jī)身側(cè)壁板和窗框。洛克希德•馬丁公司利用波音公司機(jī)身尺寸，設(shè)計(jì)制造編織結(jié)構(gòu)件。包括機(jī)身側(cè)壁板，機(jī)身環(huán)框和窗框等；美國(guó)F－22飛機(jī)外型面零件為雙馬基編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；北約的衛(wèi)星天線(xiàn)和天線(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)也都采用了編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)三維編織技術(shù)在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)支撐裝置中的衛(wèi)星空間結(jié)構(gòu)要求質(zhì)輕，質(zhì)量可靠，穩(wěn)定性能好，同時(shí)又是一個(gè)非常復(fù)雜的構(gòu)件。李明珠等研制了三維編織復(fù)合材料支架，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)支架的比強(qiáng)度，解決衛(wèi)星結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化要求。天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料所研制的“衛(wèi)星空間桁架結(jié)構(gòu)用三維編織復(fù)合材料整體連接件”已經(jīng)應(yīng)用于“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星。李嘉祿等開(kāi)展的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)用高性能三維編織復(fù)合材料構(gòu)的研制及其生產(chǎn)線(xiàn)的建設(shè)項(xiàng)目中，成功研制了兩種規(guī)格的三維編織復(fù)合材料空間多向連接件，由其裝配的衛(wèi)星復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)支架已通過(guò)地面和空間環(huán)境考核，正式應(yīng)用到型號(hào)衛(wèi)星上。林益明等采用三維編織結(jié)構(gòu)的RTM成型技術(shù)制得了復(fù)合材料制件，并應(yīng)用于衛(wèi)星上的支架結(jié)構(gòu)，通過(guò)了包括靜力、正弦和隨機(jī)振動(dòng)的力學(xué)試驗(yàn)，目前已應(yīng)用到某型衛(wèi)星中。三維編織技術(shù)的應(yīng)用，大大減少了支架的重量，提高了支架的比強(qiáng)度和比剛度，為桁架式航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑒定了基礎(chǔ)，為其接頭設(shè)計(jì)提供了一種較為新穎的技術(shù)。復(fù)合材料承力接頭的應(yīng)用是飛行器有效減輕結(jié)構(gòu)重量的重要技術(shù)手段，在飛行器結(jié)構(gòu)中有著重要的應(yīng)用前景，鄭錫濤等在三維四向、三維五向和三維六向編織工藝的基礎(chǔ)上制得了編織結(jié)構(gòu)預(yù)制件，然后采用樹(shù)脂傳遞模塑技術(shù)制備了三維編織纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，表明利用三維編織制造的復(fù)合材料單耳接頭，可滿(mǎn)足航空次承載結(jié)構(gòu)懸掛承載要求；編織復(fù)合材料承載單耳接頭在機(jī)加鉆孔后，其承載能力大為降低，采用預(yù)留編織孔的方式成型，能夠顯著提高單耳接頭孔邊的承載能力。圓管構(gòu)件是航空器常用結(jié)構(gòu)件，可用于火箭的連接級(jí)間段，衛(wèi)星的柔性太陽(yáng)能電池帆板等。沈懷榮對(duì)于兩種三維編織碳/環(huán)氧圓管構(gòu)件及由其組成的火箭模擬級(jí)間段，測(cè)試了三維編織纖維增強(qiáng)復(fù)材圓管的抗壓能力，以及火箭級(jí)間段模擬結(jié)構(gòu)的軸向壓縮承載能力。數(shù)據(jù)表明，三維編織纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有優(yōu)良的損傷阻抗，有望應(yīng)用于火箭級(jí)間段結(jié)構(gòu)，為編織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析和三維編織復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供了依據(jù)。另外，張國(guó)利等利用組合式編織機(jī)，在芯模的周邊合理配置所需數(shù)量的軸紗和編織紗編織得到變截面薄壁殼體預(yù)制件，然后通過(guò)RTM充模工藝制備三維編織結(jié)構(gòu)的變厚度變截面薄壁殼體，克服了此類(lèi)殼體結(jié)構(gòu)件尺寸大、纖維體積含量高、型面曲線(xiàn)等高要求，并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，提出了較準(zhǔn)確的樹(shù)脂流動(dòng)速度、樹(shù)脂充模時(shí)間和樹(shù)脂流動(dòng)壓力計(jì)算方程。所制得的三維整體編織變截面薄壁殼體復(fù)合材料可成為運(yùn)載火箭殼體、雷達(dá)和天線(xiàn)罩等構(gòu)件的首選結(jié)構(gòu)。

三維整體編織技術(shù)解決了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)厚度方向的增強(qiáng)問(wèn)題和分層問(wèn)題。通過(guò)三維編織的原理，工藝方法和成型后復(fù)材件的優(yōu)異特性，可見(jiàn)三維編織技術(shù)提高了結(jié)構(gòu)的整體化，抗沖擊性能。因此，與傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相比，三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著三維編織技術(shù)的發(fā)展，三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能將逐漸完善，以滿(mǎn)足航空、航天結(jié)構(gòu)對(duì)新工藝和新材料日益增長(zhǎng)的需求。

作者:郝新超 胡杰 單位:上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院