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本文綜述了三維編織復(fù)合材料及其RTM成型工藝和發(fā)展過(guò)程。同時(shí)，簡(jiǎn)單介紹了一種新的工藝，該工藝可降低成本并且能夠提高復(fù)合材料制品的力學(xué)性能。
21世紀(jì)是復(fù)合材料飛速發(fā)展的時(shí)代。三維編織復(fù)合材料作為復(fù)合材料的一個(gè)領(lǐng)域，是以三維整體織物作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型織物復(fù)合材料。隨著纖維復(fù)合材料編織技術(shù)的不斷發(fā)展，編織復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能逐漸顯示出較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
RTM工藝則是綜合性能最好的一種成型工藝，和其它傳統(tǒng)復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)相比，RTM有許多優(yōu)點(diǎn)：能夠制造高質(zhì)量、高精度、低孔隙率、高纖維含量的復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件，是成型三維整體編織構(gòu)件的有效方法。RTM-三維編織技術(shù)融合了RTM與三維編織各自的特點(diǎn)，從而使制品具有更加優(yōu)異的性能。以RTM工藝制作的三維整體編織復(fù)合材料，可大幅度提高層間剪切強(qiáng)度和整體損傷容限，使復(fù)合材料由原來(lái)的次承力結(jié)構(gòu)件成為主承受構(gòu)件之一。
碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)相的碳基復(fù)合材料，是目前極少數(shù)可以在2000℃以上保持較高力學(xué)性能的材料，它具有低比重、高比強(qiáng)、高比模、低熱膨脹系數(shù)、耐熱沖擊以及耐燒蝕等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、光伏等領(lǐng)域。
碳纖維預(yù)制體是碳/碳復(fù)合材料的骨架，其成型工藝是碳/碳復(fù)合材料最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一，決定著碳/碳復(fù)合材料的性能。現(xiàn)在主流的碳/碳復(fù)材預(yù)制體成型工藝是針刺技術(shù)，制件屬于2.5D織物。隨著行業(yè)的發(fā)展，碳/碳復(fù)合材料需要更先進(jìn)的預(yù)制體（3D織物），而突破傳統(tǒng)復(fù)材工藝固有缺陷的三維編織技術(shù)，在國(guó)外已應(yīng)用多年。鑒于三維編織尚未在國(guó)內(nèi)碳/碳復(fù)材行業(yè)得到普及和商用，下文將淺論它在該行業(yè)的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
飛機(jī)著陸時(shí)速度很快，需要依靠反推裝置和剎車裝置吸收由此產(chǎn)生的巨大能量，使機(jī)身靜止下來(lái)。剎車盤(pán)在摩擦過(guò)程中，把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，其工作溫度最高可達(dá)1600℃。這使得剎車盤(pán)成為飛機(jī)剎車系統(tǒng)的關(guān)鍵部件、碳/碳復(fù)合材料最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，世界上有60余種型號(hào)的飛機(jī)使用碳/碳復(fù)材飛機(jī)剎車盤(pán)，其用量約占碳/碳復(fù)材年消耗量的60%。
因?yàn)槌杀镜汀⒐に囘m應(yīng)性好及力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，針刺技術(shù)被大量用于制作碳/碳復(fù)材飛機(jī)剎車盤(pán)的預(yù)制體，并占有主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)地位。然而隨著行業(yè)要求的提高，針刺預(yù)制體因其缺陷而越來(lái)越跟不上市場(chǎng)需求。
圖 碳纖維預(yù)制體
碳纖維模量較高，抱合力較差，在針刺過(guò)程中容易損傷，所以很多針刺預(yù)制體采用預(yù)氧化纖維（即由碳纖維原絲在張力作用下于空氣中加熱預(yù)氧化后得到的中間產(chǎn)品）。可是，采用預(yù)氧化纖維的預(yù)制體完成后，首先需要進(jìn)行碳化工藝，將預(yù)氧化纖維轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維，然后進(jìn)行致密化工藝。在此過(guò)程中，纖維很容易收縮，可能導(dǎo)致嚴(yán)重分層和變形，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易加工的制品。研究表明，通常質(zhì)量損失約50%，體積收縮約15%。因此，傳統(tǒng)工藝過(guò)于復(fù)雜，也很難在編織的同時(shí)最大程度保留碳纖維的性能。
圖20-8三維板編織工藝流程
相比之下，三維編織復(fù)合材料克服了傳統(tǒng)工藝的缺點(diǎn)，即受力后容易分層的問(wèn)題。三維編織復(fù)合材料是利用三維編織機(jī)首先將碳纖維等高性能纖維織造成三維整體織物，再和基體（包括樹(shù)脂、碳、碳化硅、金屬等）復(fù)合，從而制成復(fù)合材料制件。與層合復(fù)合材料相比，三維編織復(fù)合材料具有完全整體、不分層的結(jié)構(gòu)以及良好的綜合力學(xué)性能，適合制造結(jié)構(gòu)制件和高功能制件。
在我國(guó)，飛機(jī)剎車盤(pán)的預(yù)制體品種單一，仍以針刺預(yù)制體為主，缺乏對(duì)于新型的三維編織和各種異形編織預(yù)制體的研產(chǎn)；在成型異形件方面，國(guó)外所做的旋轉(zhuǎn)體預(yù)制體最大外徑達(dá)到2600mm，遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)的1200mm；國(guó)外自動(dòng)化程度高，制品性能穩(wěn)定，而國(guó)內(nèi)至今大多采用手工鋪層針刺，效率低。所以，研發(fā)三維編織技術(shù)和三維編織復(fù)合材料對(duì)我國(guó)發(fā)展新材料具有重要意義。
傳統(tǒng)的石墨熱場(chǎng)系統(tǒng)產(chǎn)品成本高、供貨周期長(zhǎng)、依賴進(jìn)口，阻礙了光伏行業(yè)降成本、擴(kuò)規(guī)模的發(fā)展進(jìn)程。
2005-2015年，國(guó)內(nèi)光伏行業(yè)開(kāi)始嘗試新材料、新工藝。在該階段，碳/碳復(fù)合材料為光伏行業(yè)實(shí)現(xiàn)單晶硅拉制爐增大投料量、提高拉速、降低能耗等工藝提供了新型熱場(chǎng)設(shè)計(jì)與材料保障，推動(dòng)了光伏行業(yè)的降本增效、技術(shù)進(jìn)步。
2016年之后，隨著下游晶硅制造行業(yè)向大尺寸、高拉速和高品質(zhì)方向的發(fā)展，碳/碳復(fù)合材料的高安全性、高純度和可設(shè)計(jì)等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，逐漸成為市場(chǎng)需求主導(dǎo)，其產(chǎn)品在高溫?zé)釄?chǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中，也開(kāi)始向大尺寸的方向發(fā)展。
在國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的指引下，用于單晶硅生產(chǎn)的碳/碳復(fù)合材料坩堝和配套導(dǎo)流筒、保溫筒等熱場(chǎng)產(chǎn)品需求量呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，尤其是大尺寸坩堝市場(chǎng)前景廣闊。
然而，這些產(chǎn)品的碳纖維預(yù)制體仍然主要采用傳統(tǒng)的針刺技術(shù)制成。另一方面，大直徑、形狀復(fù)雜部件的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)與高性能、低成本的碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品制造整體技術(shù)具有較高的技術(shù)門(mén)檻。
三維編織技術(shù)的發(fā)展解決了這些行業(yè)痛點(diǎn)，它可以實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的大尺寸、高精度編織，而且克服了針刺預(yù)制體的缺陷，在改進(jìn)層間強(qiáng)度、損傷容限和熱應(yīng)力失配等方面發(fā)揮作用。
例如，傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的坩堝預(yù)制體整體密度為0.3-0.4 g/cm³，三維編織預(yù)制體整體密度為0.7-0.8 g/cm³，隨著坩堝預(yù)制體整體密度的提高，預(yù)制體在后續(xù)碳化處理過(guò)程中質(zhì)量損失與體積收縮現(xiàn)象將得到大幅度的改善，碳化后的坩堝產(chǎn)品使用壽命將延長(zhǎng)20%左右。三維編織工藝采用智能連續(xù)一體化成型生產(chǎn)，使產(chǎn)品具有更高的整體性和一致性，生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)工藝提升20%至30%，尤其在生產(chǎn)大尺寸坩堝預(yù)制體時(shí)，生產(chǎn)效率優(yōu)勢(shì)更為明顯。
目前，三維編織技術(shù)適用于各種大尺寸異形結(jié)構(gòu)件的織造，采用編織-拉擠-纏繞一體化自動(dòng)化成型工藝，可以一次性整體編織成型。同時(shí)，三維編織技術(shù)減少了工藝環(huán)節(jié)和生產(chǎn)周期，極大降低了碳纖維預(yù)制體的生產(chǎn)成本，將成為低成本碳/碳復(fù)合材料很重要的一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域。
RTM工藝及發(fā)展
RTM是樹(shù)脂傳遞模塑工藝的縮寫(xiě)(Resin TransferMolding)，一般指在模具的型腔里預(yù)先鋪放增強(qiáng)材料，合模后，在一定的溫度和壓力下將樹(shù)脂注入模具，浸漬織物增強(qiáng)體并固化，最后脫模得到制品的一種工藝。RTM成型工藝是從濕法鋪層和注塑工藝演衍生出來(lái)的一種新的復(fù)合材料成型工藝，是目前航天航空先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展方向之一。
運(yùn)用于航天產(chǎn)品的RTM成型工藝制造的復(fù)合材料，其使用的纖維增強(qiáng)體采用編織成型，產(chǎn)品價(jià)格較高，但隨著國(guó)內(nèi)多家企業(yè)對(duì)編織技術(shù)、編織機(jī)械的大力發(fā)展，編織體的價(jià)格已大幅下降，為RTM成型技術(shù)在航天產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用提供了可能。RTM技術(shù)是一種適宜多品種、中小批量、高質(zhì)量復(fù)合材料生產(chǎn)的成型技術(shù)，近年來(lái)得到聲迅速發(fā)展。美國(guó)國(guó)家宇航局對(duì)RTM給予了高度重視，并認(rèn)為該技術(shù)是制造結(jié)構(gòu)材料的一種成本低、效益好的方法。
RTM與纏繞、拉擠等幾種復(fù)合材料制備技術(shù)的綜合比較見(jiàn)表1。從表1可以看出，RTM在這幾項(xiàng)低成本制造技術(shù)中的綜合優(yōu)勢(shì)是明顯的。
進(jìn)入21世紀(jì)后，RTM技術(shù)朝著高技術(shù)、多領(lǐng)域方面發(fā)展，伴隨而來(lái)的是清潔、自動(dòng)、快速、低成本、高質(zhì)量的復(fù)合材料制造技術(shù)和低壓力、低投資的設(shè)備及模具。進(jìn)一步研究缺陷形成機(jī)理和影響因素，建立高效、準(zhǔn)確的RTM成型工藝過(guò)程和模擬模型、相關(guān)軟件和技術(shù)的進(jìn)一步完善，可使其對(duì)實(shí)際制造過(guò)程具有準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)、指導(dǎo)和實(shí)時(shí)控制功能，以保證構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量，降低材料孔隙率，提高纖維體積含量。RTM技術(shù)發(fā)展將成為復(fù)合材料主要制造技術(shù)之一。
三維編織復(fù)合材料及發(fā)展
傳統(tǒng)層合復(fù)合材結(jié)構(gòu)抵抗損傷導(dǎo)致的層間破壞能力較低，因此使得研究人員致力于研發(fā)一種全新概念的復(fù)合材料三維編織復(fù)合材料。三維編織預(yù)制件及其復(fù)合材料除了有著傳統(tǒng)復(fù)合材料所固有的重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)外，還有著傳統(tǒng)復(fù)合材料所不具備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。傳統(tǒng)的復(fù)俁材料制件層與層之間存在純基體區(qū)，即層與層之間沒(méi)有纖維增強(qiáng)。由于基體的性能比較低，傳統(tǒng)的層合板復(fù)合材料具有一些難以克服的弱點(diǎn)，如厚度方向的剛度和強(qiáng)度低、面內(nèi)剪切和層間剪切強(qiáng)度低、易分層、沖擊韌性和損傷容限水平低等。三維編織復(fù)合材料則克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料分層的缺點(diǎn)，從理論上講三維編織復(fù)合材料可以達(dá)到任意厚度，而且沿厚度方向有纖維增強(qiáng)，形成了不分層的整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。從不同結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織預(yù)制件的橫截面看，編織物的厚度方向有纖維穿過(guò)，并且與沿其它方向分布的纖維相互交織、交叉在一起，是一個(gè)完全的整體結(jié)構(gòu)，根本不存在“層”的概念。因此，三維編織復(fù)合材料具有良好的層間性能、抗沖擊性能和其他一些優(yōu)良性能。同時(shí)，三維編織復(fù)合材料可以直接織造成各種異型件，避免了后加工造成的纖維損傷，提高了復(fù)合材料的損傷容限。美國(guó)宇航局從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始的先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)(ACT)計(jì)劃，對(duì)編織復(fù)合材料進(jìn)行了全方位的研究，并取得了一系列的成果，編織復(fù)合材料納入了紡織工業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)概念。作為一種在工程上很有應(yīng)用潛力的編織復(fù)合材料，三維編織增強(qiáng)體RTM成型的復(fù)合材料得到了工程界的重視，在研發(fā)工作上也取得了很大的成績(jī)，具有很好的發(fā)展前景。
RTM-三維編織材料及其應(yīng)用
RTM-三維編織復(fù)合材料是一種新型的、性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，是采用編織方法先將纖維做成預(yù)制件，然后采用RTM工藝將低粘度的樹(shù)脂注入到已鋪好預(yù)制件的模具中，最后進(jìn)行固化。由于RTM工藝對(duì)制件不施加外力，而是借助注射壓力將液態(tài)樹(shù)脂注放密封的模腔，因此不會(huì)改變織物的原結(jié)構(gòu)，是成型三維編織復(fù)合材料較為理想的工藝。采用新型的編織方法， 用RTM工藝成型的RTM-三維編織復(fù)合材料克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料諸多不足，獲得了優(yōu)異的力學(xué)性能，因而逐漸得到了人們的重視。雖然用RTM成型三維編織復(fù)合材料技術(shù)上存在著許多優(yōu)點(diǎn)，但目前國(guó)內(nèi)外的RTM技術(shù)在成型三維編織復(fù)合材料還存在一些難點(diǎn)和問(wèn)題：大面積、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具型腔內(nèi)，模塑過(guò)程中樹(shù)脂的流動(dòng)不均衡，而這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程無(wú)法觀察，難以進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制；樹(shù)脂對(duì)纖維的浸漬不夠理想，制品內(nèi)存在空隙率較高、纖維干斑等現(xiàn)象。要解決上述難點(diǎn)和問(wèn)題，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上改進(jìn)RTM-三維編織復(fù)合材料的成型工藝是一條有效的途徑。
三維編織解決了增強(qiáng)材料的整體成型問(wèn)題，而RTM工藝正是適于整體成型的一種工藝方法，促進(jìn)了其在航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用。RTM三維編織復(fù)合材料是完全的整體結(jié)構(gòu)，它的比強(qiáng)度、比模量高，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，使采用復(fù)合材料來(lái)制作主承力結(jié)構(gòu)件和特殊的多功能制件成為可能。目前，采用RTM-三維編織復(fù)合材料可以制作飛行器、汽車等上面的多種不同形狀的承力梁、接頭、多種形式的耐燒蝕、承力的圓筒型、錐筒型的制作，還可在人造生物組織方面發(fā)揮作用，制作人造骨、人造韌帶，以及制作接骨板等。RTM-三維編織復(fù)合材料具備其它材料所無(wú)法達(dá)到的性能，大大減輕了這些制件的重量，并且使其性能得到提高。RTM-三維編織復(fù)合材料具有廣闊的發(fā)展前景，是許多高新技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的一種新材料。
一種改進(jìn)的RTM-三維編織復(fù)合材料成型工藝
隨著全球火箭、導(dǎo)彈和宇航技術(shù)的飛速發(fā)展，飛行器飛行中的高過(guò)載以及高能量推進(jìn)劑產(chǎn)生的高熱流等惡劣條件對(duì)耐熱層提出了更加苛刻的耐燒蝕、耐熱流沖刷以及機(jī)械力學(xué)性能等方面的要求。以基體、增強(qiáng)纖維和界面相為主組成的復(fù)合材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、功能特性、材料可設(shè)計(jì)性及易成型等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前主要的燒蝕材料。固體火箭噴嘴的整流罩主要由二維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂預(yù)浸后，放入熱壓罐中在高溫高壓下固化成型。由于工藝步驟較多，成本相對(duì)偏高，但生產(chǎn)出來(lái)的制品力學(xué)性能較差，特點(diǎn)是層間強(qiáng)度較低。
改進(jìn)其成型工藝有三個(gè)目前：
- 提高力學(xué)材料性能，減少部分或全部的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；
- 簡(jiǎn)化工藝流程使其對(duì)環(huán)境更加友好；
- 降低成本。
樹(shù)脂選擇
樹(shù)脂的選擇根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用高含碳量酚醛樹(shù)脂，酚醛樹(shù)脂在火焰燒蝕下樹(shù)脂會(huì)碳化，形成一層在高溫下十分穩(wěn)定的多孔碳均勻附在纖維表面上，對(duì)纖維起到“強(qiáng)化”作用，從而提高了材料的耐燒蝕性能。此外適合成型工藝的樹(shù)脂體系要求在注膠溫度下樹(shù)脂具有較低的粘度，對(duì)纖維增強(qiáng)體浸潤(rùn)性好。且樹(shù)脂在注膠溫度下有足夠的凝膠時(shí)間以保證樹(shù)脂能完全通過(guò)模具并浸潤(rùn)纖維增強(qiáng)體。因此，需對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行改性使其粘度保持在一定水平以滿足注射工藝條件，同時(shí)得到的制品孔隙率較低。由于整個(gè)工藝生產(chǎn)的這類型產(chǎn)品較少，每年僅僅幾個(gè)。因此盡可能在原有投資的基礎(chǔ)上改進(jìn)工藝，特別是酚醛樹(shù)脂制品固化過(guò)程中使用現(xiàn)有的熱壓罐。
總結(jié)
該工藝簡(jiǎn)化了火箭噴嘴零件設(shè)計(jì)，降低了成本，并滿足了其功能性。樹(shù)脂復(fù)合三維編織體制造的高強(qiáng)度、耐燒蝕復(fù)合材料，其力學(xué)性能接近于鋼，燒蝕性能大大好于模壓和纏繞復(fù)合材料。證明了該改進(jìn)工藝中，增強(qiáng)體的選擇、樹(shù)脂的選擇和工藝過(guò)程是可行的，該RTM工藝設(shè)計(jì)制作火箭噴嘴零件時(shí)，保留使用了熱壓罐等設(shè)備，在原有工藝平臺(tái)的基礎(chǔ)上最大限度地降低了成本。通過(guò)試驗(yàn)表明，該零件制品滿足了密度、多孔性以及燒蝕性能，并且具有良好的力學(xué)性能，簡(jiǎn)化了零件結(jié)構(gòu)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
結(jié)束語(yǔ)
新型航空航天器的先進(jìn)標(biāo)志之一是結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性，而先進(jìn)復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分時(shí)性的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)技術(shù)。當(dāng)前航空航天復(fù)合材料的發(fā)展方向是低成本、高損傷容限、通用化、多功能化和結(jié)構(gòu)一體化，而且主要不依賴材料化學(xué)上的進(jìn)步來(lái)?yè)Q取綜合性能的進(jìn)步，即在現(xiàn)有的設(shè)備材料平臺(tái)基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)工藝等以獲得高性能先進(jìn)復(fù)合材料。目前，我國(guó)應(yīng)該抓緊有利時(shí)機(jī)開(kāi)展這方面的技術(shù)研究和應(yīng)用，縮短我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的復(fù)合材料工業(yè)的差距。
尤其在RTM-三維編織復(fù)合材料設(shè)法擺脫對(duì)昂貴復(fù)雜的預(yù)浸工藝和高能耗熱壓罐的依賴，制備具有復(fù)雜外形和高質(zhì)量、高尺寸精度要求的航空構(gòu)件十分有效。因此開(kāi)展這項(xiàng)技術(shù)的研究，能夠?yàn)槲覈?guó)航空工業(yè)水平的迅速提高提供一條捷徑，并且對(duì)民用復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展也很有好處，還可以避免資源、能源及材料的浪費(fèi)和低水平重復(fù)的研究。積極開(kāi)展RTM-三維編織復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用的基礎(chǔ)研究，對(duì)我國(guó)發(fā)展先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)具有重要的意義。
來(lái)源：云路復(fù)材、中國(guó)復(fù)材、 嚴(yán)說(shuō)一點(diǎn)