优势众多的三维复合织物

复合织物的三维（3D）编织可以生产复杂的单件结构，其结构坚固且重量轻。

 

与传统的二维（2D）织物相比，3D织造减轻了重量，消除了二维织物经常发生的分层现象，降低了裂纹风险，并缩短了生产时间。3D织物还可以带来直接和间接的制造和运营成本的降低。

 

什么是三维编织？

 

大多数织物是以两个维度编织的——X轴（长度）和Y轴（宽度）。三维机织织物包括穿过厚度或Z轴编织。这产生了复杂的单件结构。织机是织造织物的主要工具。

 

织机几乎与文明本身一样古老，是织造二维织物的理想机器。但是，如果没有改进的工具，它们是无法编织3D织物的。最常用的三维编织方式有矩形（板状）编织和圆形（管状)）编织。最常用的编织工艺有四步法编织和二步法编织。目前，人们在传统的四步法或二步法的基础上，对部分工艺稍作改动，可编织出不同的异型结构复合材料预制件。

 

1991年，BallyRibbonMills（BRM）获得了美国空军研究实验室的一份研究合同，从而使该公司走上了开发3D编织所需技术的道路。通过研究和最终建造第一台全自动三维偏压织机获得的经验，为BRM开发其他三维机织复合材料提供了知识和经验，包括：正交面板、热保护系统、近净形和复杂的净用于航空航天、汽车、建筑、军事和安全行业预制件。

 

3D编织的好处

 

如三维正交织物，其各向同性比较好，用相同层数、粗细一样的纱线织成的织物比较厚；经纱通过整个厚度方向的角联锁结构的织物柔软性好。通过机织的方法还可以织出其它各种形状的预制件，如工程上经常用到的工字梁、T形梁、蜂窝板、空管板、各种箱状结构等等。

 

三维整体结构的机织物已成为全球关注的复合增强骨架材料，是发展航空航天和国防尖端技术必不可少的高性能技术材料。这些织物具有整体性，可直接制成复合材料而不需要再加工。这种整体构件使复合材料的增强部分成为不可分层的整体，具有比强度高、比模量大、特殊力学耦合性好、可设计性好等一系列优点，同时克服了层间强度低、易冲击损伤的缺点。三维编织是一项新兴的技术，它比二维复合材料生产和传统建筑材料（如钢铁和铝）更具多种优势。其主要好处包括减轻重量、消除分层、减少裂纹风险、缩短生产时间和降低成本。

 

 

减轻重量

 

三维编织复合材料比金属结构轻得多。这与航空航天工业特别相关。据估计，一架飞机每减轻一磅重量，就能为飞机运营商在飞机使用寿命内节省大约100万美元的运营费用，主要是燃料。在飞机设计中巧妙地运用三维编织复合结构，可以将飞机重量减少30%，从而大大节省运营成本。

 

消除分层

 

分层是指二维编织复合材料的两层或两层以上相互分离或分层。分层破坏了部件的强度和可靠性，必须更换部件以防止损坏和严重的安全问题。分层是造成二维复合材料损伤的主要原因。

 

三维编织产生了接近净形的复合结构，这些结构完全由纱线连接在一起，而二维复合材料包括许多不同的人工粘合在一起的材料层。这意味着在三维编织复合材料中没有分层的风险，确保它们保持强度和可靠性。

 

降低裂缝风险

 

2-D层压复合材料易于开裂，特别是在具有弯曲的结构中，例如T形结构。由于层中的曲率限制，许多2-D形状在接头和交叉点处具有相当大的间隙。这些空间和口袋通常填充树脂，从而可能导致破裂。

 

三维编织复合材料，即使形状复杂，也没有空穴，因为它们的结构完整性沿着所有三个轴延伸。因此，三维编织复合材料的裂纹率远低于二维层压复合材料。

 

 

减少生产时间

 

二维复合材料的生产是一个漫长而精确的过程。许多2-D材料层是单独或以较大的形式编织的，然后切割成一定尺寸。这些层然后预先浸渍某些树脂，使他们成为所谓的“预浸”材料。然后，这些材料被堆放起来，并通过一个铺层过程形成一种必要的形式。铺层通常是手工完成的，而且价格昂贵且非常耗时。然后，通过注入额外的树脂将各层层压在一起，有些工艺和结构甚至要求在层压之前将材料层缝合在一起。最后，将结构设定一段时间，在此期间树脂固化。

 

结构固化好后，需要进一步加工才能形成成品。所需的二次加工过程可以包括切削、刮削、砂光、去毛刺和钻孔。

 

相比之下，三维编织复合结构更简单、更快、更经济。与二维织机相似，三维织机沿X轴和Y轴织纬和经纱。三维织布机的不同之处在于，它不是沿着Y轴继续织布，而是垂直织布——经纬纱不仅在一个平面上织成，而且在另一个平面上织成。

 

除了需要高技能的设计工程师来设计三维编织外，三维编织过程是完全自动化的，可以生成网状或接近网状的零件。这大大减少了制造时间，尽管增加了三维编织过程的复杂性。

 

通过在三维空间中编织整个结构，缓慢而昂贵的工艺流程——制造二维层压复合结构最长和最昂贵的部分——被完全消除，大大加快了生产速度并降低了成本。

 

节约成本

 

利用三维编织复合材料结构代替传统金属或二维层合材料，可以通过制造过程和产品的使用寿命节省成本。自动三维编织技术和近净形能力降低了直接人工和二次加工成本。

 

间接成本的节省是由于业务成本的节省，例如燃料的减少。此外，由于三维编织复合材料比二维叠层复合材料更强、更有弹性、更不易破碎，因此减少部件的更换，从而降低部件的维护成本。

 

三维编织的应用实例

 

以RTM工艺制作的三维整体编织复合材料，大幅度地提高了层间剪切强度和整体损伤容限，使复合材料由原来的次承力结构件成为承受应力的主要结构材料之一。

 

由于飞机发动机的高温和复杂的几何结构，在飞机发动机中使用聚合物复合材料一直是一个挑战。聚合物复合材料是可取的，如上所述，航空工业一直在寻求降低飞机重量和提高燃料效率。在大型发动机部件中用碳纤维复合材料代替传统的钛部件有助于减轻重量，因为这些复合部件比金属中的同类部件轻得多。此外，复合发动机部件降低了飞机发动机的噪音水平。

 

通用电气与法国赛峰（原SNECMA）合作研制的LEAP发动机，采用三维编织碳纤维风扇叶片，不仅重量更轻、强度更高，更加复杂的形状还可以在同样尺寸下达到更高的推进效率。

 

三维编织复合材料具有结构整体、异型件一次成形、力学性能优良、热膨胀系数低等特性。能够满足卫星结构材料的高强度、高模量、低比重、尺寸稳定性好的要求。随着材料性能数据库的完善和编织机器自动化程度的提高，成本逐渐降低，其在卫星等航天领域有广阔的应用前景。

 

三维编织技术在航天隔热技术的发展中尤其成功。热防护系统（TPS）是空间探索飞行器中的关键任务部件。通过改变纱线类型、密度、厚度和宽度，以及树脂类型，允许创建完全可定制的TPS，以满足特定的任务需求。

 

例如，BRM公司为Orion太空舱编织了石英压缩垫，以确保发射期间的结构强度和重返大气层期间的耐热性。此外，美国国家航空航天局的极端进入环境技术（HEEET）项目正在开发一种极端进入的碳TPS，旨在能够在土星或金星具有挑战性的环境中生存下来。这两种技术都是通过大量的额外研究开发出来的，但都依赖于三维编织的基本原理和优势。

 

除了厚板和发动机部件外，三维编织部件还能很好地将两种结构连接在一起。由于三维组织的性质，强度和支撑在所有三个维度上进行转换，从而使连接能够沿着连接在一起的子结构的荷载路径增强强度。这些用于连接的三维编织形状可以根据结构本身的体系结构以及被连接的子组件进行定制。该技术应用将在汽车结构设计、车身部件加工和整车制造等方面产生重大影响。

 

三维编织成型法是一种在芯模表面上直接编织成三维结构的预成形工艺，具有结构设计性好、集成度和成形效率高等优点，可实现中空封闭截面结构一体编织成型，适用于中空梁类零部件，如顶盖横梁、上边梁、门槛梁等，并已在宝马新7系车型中成功量产应用。

 

由于三维编织一体成形结构设计自由度大，编织工艺复杂，编织参数繁多，不同的编织参数和原材料组合都将改变CFRP力学性能。试验测试方法存在样片制作和试验周期长、费用高等问题，而目前三维编织CFRP的仿真分析方法不成熟，材料数据库缺失，也无法采用传统的层压板仿真方法对CFRP进程性能分析预测。如何合理的应用仿真技术去指导开发设计，是三维编织CFRP在汽车上的应用难点和核心技术。

 

在骨修复材料领域，三维编织复合材料作为一种骨折内固定材料是一项新的尝试。众所周知，长期以来国内外一直采用不锈钢和钛合金等金属材料作为骨折内固定材料，临床应用表明它具有许多明显的不足，如应力遮挡作用和金属腐蚀作用等。三维编织复合材料制成的接骨板将具有很好的可设计性，通过改变编织角、纤维走向及纤维体积含量等内部结构参数可使接骨板刚度可调；同时三维编织复合材料接骨板的抗疲劳损坏能力强，质轻，又能进行近体编织，可满足不同部位不同形状骨修复的要求。三维编织复合材料接骨板的出现将解决临床应用中金属接骨板的许多不足之处，同时也可避免最近研究的可降解材料制作的接骨板难以固定负重骨和价格昂贵等问题。