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語言:中文
三維編織複合材料能否跻身主流複合材料制造領域?
時間:2022-03-22來源:DT新材料

01

什麽是三維編織



三維編織技術是在傳統二維編織技術上發展起來的一種高新紡織技術。發展它的目的是爲了克服傳統複合材料固有的缺點,即受力後容易分層的問題,正是由于這個缺點,傳統複合材料很難用于制作主承力的結構件和高功能制件,而三維編織技術最大的優勢就在于非常适合制作各種複雜形狀的高性能纖維結構件、連接件。

三維編織複合材料是利用三維編織技術先将增強纖維束織造成所需的結構形狀預制件,由此制成的預制件結構具有特殊的空間網狀結構,紗線在編織物結構中連續不間斷且伸直度較高,不僅在平面内相互交織,而且在厚度方向上也相互交織。然後,再把預制體作爲增強體結構,和基體(包括樹脂、碳、碳化矽、金屬等)複合,從而制成複合材料制件。

三維編織過程  圖片來源:雲路複材

02

三維編織複合材料的性能特點


三維編織複合材料因其整體複雜的空間纖維結構,顯著地提高了材料的比強度和比剛度,從根本上克服了傳統層合複合材料層間強度低、易分層等緻命弱點,還使其具有優良的力學性能,如:良好的抗沖擊損傷性能、耐疲勞性能和耐燒蝕性能等,以及結構整體性好、可設計性強等諸多優點,受到工程界的普遍關注,成爲航空、航天、能源、重大戰略裝備、軌道交通、汽車輕量化、碳/碳複材、城市基建、生物醫療、體育用品等領域的重要結構材料


三維編織複合材料制品   圖片來源:雲路複材

03

三維編織複合材料的應用


1.作爲功能性結構材料

三維編織複合材料作爲功能性結構材料已經在火箭、飛機、衛星等航空航天飛行器上廣泛使用,如:火箭發動機噴管、密封調節片、衛星桁架、燃燒室内襯、導彈頭錐以及飛機發動機風扇葉片等耐高溫、耐燒蝕和高速沖刷的結構材料,以及氮化矽纖維增強的導彈天線罩透波材料、耐磨損刹車片材料等功能性材料。

三維編織應用   圖片來源:《三維編織複合材料的發展現狀與展望》,熊紹海等

 

2.作爲承力、連接結構件

三維編織預制體結構具有整體性、不分層的特點,結構中紗線連續且伸直度好,有利于材料在受力時均勻承擔載荷。此外,三維編織技術可以一次性整體編織複雜連接件,不需要進行二次加工,既可滿足性能上的高需求,也大大減輕了構件質量。因此,三維編織複合材料在制作承力結構件、複雜結構連接件方面具有明顯的優勢,典型産品如:工字梁、T形梁、高性能複合材料管件、汽車傳動軸、飛機起落架、螺旋槳、大曲率機骨架、機翼、飛機蒙皮、飛機進氣道、航空發動機機匣等;還有一些異形接頭,如:衛星桁架、耳片結構、多通接頭等。其中,我國首顆探月衛星“嫦娥一号”衛星空間桁架結構連接件就采用了三維編織複合材料。
 

3. 作爲人造生物結構件

因爲三維編織複合材料具有結構可設計性且質輕的性能特點,因而也可用于人造生物組織方面,如:人造支架、人造韌帶、人造血管、接骨闆等。

 

4. 碳/碳複合材料預制體

預制體是碳/碳複合材料的骨架,其成型工藝是碳/碳複合材料最重要的基礎技術之一,決定着碳/碳複合材料的性能。現在主流的碳/碳複合材料預制體成型工藝是針刺技術,制件屬于2.5D織物。随着行業的發展,碳/碳複合材料需要更先進的預制體(3D織物),而突破傳統複材工藝固有缺陷的三維編織技術,在國外已應用多年。

三維編織技術的發展可以實現碳纖維複合材料的大尺寸、高精度編織,而且克服了針刺預制體的缺陷,在改進層間強度、損傷容限和熱應力失配等方面發揮作用。


碳纖維預制體,圖片來源:雲路複材

例如,傳統工藝生産的坩埚預制體整體密度爲0.3-0.4 g/cm³,三維編織預制體整體密度爲0.7-0.8 g/cm³,随着坩埚預制體整體密度的提高,預制體在後續碳化處理過程中質量損失與體積收縮現象将得到大幅度的改善,碳化後的坩埚産品使用壽命将延長20%左右。三維編織工藝采用智能連續一體化成型生産,使産品具有更高的整體性和一緻性,生産效率較傳統工藝提升20%至30%,尤其在生産大尺寸坩埚預制體時,生産效率優勢更爲明顯。

04

三維編織複合材料目前存在的問題

盡管三維編織複合材料制件多種多樣,但目前國内的商業應用仍相對較少,制約三維編織技術推廣的原因主要有研究起步晚、設備的自主研發、編織技術創新、數字化設計理論、在線檢測技術、自動化與智能化控制技術等問題。