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语言:中文
三维编织复合材料能否跻身主流复合材料制造领域?
时间:2022-03-22来源:DT新材料

01

什么是三维编织



三维编织技术是在传统二维编织技术上发展起来的一种高新纺织技术。发展它的目的是为了克服传统复合材料固有的缺点,即受力后容易分层的问题,正是由于这个缺点,传统复合材料很难用于制作主承力的结构件和高功能制件,而三维编织技术最大的优势就在于非常适合制作各种复杂形状的高性能纤维结构件、连接件。

三维编织复合材料是利用三维编织技术先将增强纤维束织造成所需的结构形状预制件,由此制成的预制件结构具有特殊的空间网状结构,纱线在编织物结构中连续不间断且伸直度较高,不仅在平面内相互交织,而且在厚度方向上也相互交织。然后,再把预制体作为增强体结构,和基体(包括树脂、碳、碳化硅、金属等)复合,从而制成复合材料制件。

三维编织过程  图片来源:云路复材

02

三维编织复合材料的性能特点


三维编织复合材料因其整体复杂的空间纤维结构,显著地提高了材料的比强度和比刚度,从根本上克服了传统层合复合材料层间强度低、易分层等致命弱点,还使其具有优良的力学性能,如:良好的抗冲击损伤性能、耐疲劳性能和耐烧蚀性能等,以及结构整体性好、可设计性强等诸多优点,受到工程界的普遍关注,成为航空、航天、能源、重大战略装备、轨道交通、汽车轻量化、碳/碳复材、城市基建、生物医疗、体育用品等领域的重要结构材料


三维编织复合材料制品   图片来源:云路复材

03

三维编织复合材料的应用


1.作为功能性结构材料

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。

三维编织应用   图片来源:《三维编织复合材料的发展现状与展望》,熊绍海等

 

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。


碳纤维预制体,图片来源:云路复材

例如,传统工艺生产的坩埚预制体整体密度为0.3-0.4 g/cm³,三维编织预制体整体密度为0.7-0.8 g/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。

04

三维编织复合材料目前存在的问题

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。