摘要：

本文綜述了三維編織復合材料及其RTM成型工藝和發展過程。同時，簡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合材料制品的力學性能。

21世紀是復合材料飛速發展的時代。三維編織復合材料作為復合材料的一個領域，是以三維整體織物作為增強體的復合材料，是20世紀80年代發展起來的一種新型織物復合材料。隨著纖維復合材料編織技術的不斷發展，編織復合材料以其優異的性能逐漸顯示出較強的競爭力。

RTM工藝則是綜合性能最好的一種成型工藝，和其它傳統復合材料生產技術相比，RTM有許多優點：能夠制造高質量、高精度、低孔隙率、高纖維含量的復雜復合材料構件，是成型三維整體編織構件的有效方法。RTM-三維編織技術融合了RTM與三維編織各自的特點，從而使制品具有更加優異的性能。以RTM工藝制作的三維整體編織復合材料，可大幅度提高層間剪切強度和整體損傷容限，使復合材料由原來的次承力結構件成為主承受構件之一。

碳/碳復合材料是以碳纖維為增強相的碳基復合材料，是目前極少數可以在2000℃以上保持較高力學性能的材料，它具有低比重、高比強、高比模、低熱膨脹系數、耐熱沖擊以及耐燒蝕等優異性能，被廣泛應用于航空、航天、光伏等領域。

碳纖維預制體是碳/碳復合材料的骨架，其成型工藝是碳/碳復合材料最重要的基礎技術之一，決定著碳/碳復合材料的性能?，F在主流的碳/碳復材預制體成型工藝是針刺技術，制件屬于2.5D織物。隨著行業的發展，碳/碳復合材料需要更先進的預制體（3D織物），而突破傳統復材工藝固有缺陷的三維編織技術，在國外已應用多年。鑒于三維編織尚未在國內碳/碳復材行業得到普及和商用，下文將淺論它在該行業的發展潛力。

飛機著陸時速度很快，需要依靠反推裝置和剎車裝置吸收由此產生的巨大能量，使機身靜止下來。剎車盤在摩擦過程中，把動能轉化為熱能，其工作溫度最高可達1600℃。這使得剎車盤成為飛機剎車系統的關鍵部件、碳/碳復合材料最主要的應用領域。目前，世界上有60余種型號的飛機使用碳/碳復材飛機剎車盤，其用量約占碳/碳復材年消耗量的60%。

因為成本低、工藝適應性好及力學性能優異等特點，針刺技術被大量用于制作碳/碳復材飛機剎車盤的預制體，并占有主導的產業地位。然而隨著行業要求的提高，針刺預制體因其缺陷而越來越跟不上市場需求。

圖 碳纖維預制體

碳纖維模量較高，抱合力較差，在針刺過程中容易損傷，所以很多針刺預制體采用預氧化纖維（即由碳纖維原絲在張力作用下于空氣中加熱預氧化后得到的中間產品）?？墒?，采用預氧化纖維的預制體完成后，首先需要進行碳化工藝，將預氧化纖維轉變為碳纖維，然后進行致密化工藝。在此過程中，纖維很容易收縮，可能導致嚴重分層和變形，特別是結構復雜、不易加工的制品。研究表明，通常質量損失約50%，體積收縮約15%。因此，傳統工藝過于復雜，也很難在編織的同時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，三維編織復合材料克服了傳統工藝的缺點，即受力后容易分層的問題。三維編織復合材料是利用三維編織機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（包括樹脂、碳、碳化硅、金屬等）復合，從而制成復合材料制件。與層合復合材料相比，三維編織復合材料具有完全整體、不分層的結構以及良好的綜合力學性能，適合制造結構制件和高功能制件。

在我國，飛機剎車盤的預制體品種單一，仍以針刺預制體為主，缺乏對于新型的三維編織和各種異形編織預制體的研產；在成型異形件方面，國外所做的旋轉體預制體最大外徑達到2600mm，遠大于國內的1200mm；國外自動化程度高，制品性能穩定，而國內至今大多采用手工鋪層針刺，效率低。所以，研發三維編織技術和三維編織復合材料對我國發展新材料具有重要意義。

傳統的石墨熱場系統產品成本高、供貨周期長、依賴進口，阻礙了光伏行業降成本、擴規模的發展進程。

2005-2015年，國內光伏行業開始嘗試新材料、新工藝。在該階段，碳/碳復合材料為光伏行業實現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設計與材料保障，推動了光伏行業的降本增效、技術進步。

2016年之后，隨著下游晶硅制造行業向大尺寸、高拉速和高品質方向的發展，碳/碳復合材料的高安全性、高純度和可設計等方面的技術優勢越來越明顯，逐漸成為市場需求主導，其產品在高溫熱場系統應用中，也開始向大尺寸的方向發展。

在國家“碳達峰、碳中和”戰略目標的指引下，用于單晶硅生產的碳/碳復合材料坩堝和配套導流筒、保溫筒等熱場產品需求量呈爆發式增長，尤其是大尺寸坩堝市場前景廣闊。

然而，這些產品的碳纖維預制體仍然主要采用傳統的針刺技術制成。另一方面，大直徑、形狀復雜部件的結構功能一體化設計與高性能、低成本的碳/碳復合材料產品制造整體技術具有較高的技術門檻。

三維編織技術的發展解決了這些行業痛點，它可以實現碳纖維復合材料的大尺寸、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。

例如，傳統工藝生產的坩堝預制體整體密度為0.3-0.4 g/cm³，三維編織預制體整體密度為0.7-0.8 g/cm³，隨著坩堝預制體整體密度的提高，預制體在后續碳化處理過程中質量損失與體積收縮現象將得到大幅度的改善，碳化后的坩堝產品使用壽命將延長20%左右。三維編織工藝采用智能連續一體化成型生產，使產品具有更高的整體性和一致性，生產效率較傳統工藝提升20%至30%，尤其在生產大尺寸坩堝預制體時，生產效率優勢更為明顯。

目前，三維編織技術適用于各種大尺寸異形結構件的織造，采用編織-拉擠-纏繞一體化自動化成型工藝，可以一次性整體編織成型。同時，三維編織技術減少了工藝環節和生產周期，極大降低了碳纖維預制體的生產成本，將成為低成本碳/碳復合材料很重要的一個發展領域。

RTM工藝及發展

RTM是樹脂傳遞模塑工藝的縮寫(Resin TransferMolding)，一般指在模具的型腔里預先鋪放增強材料，合模后，在一定的溫度和壓力下將樹脂注入模具，浸漬織物增強體并固化，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的一種新的復合材料成型工藝，是目前航天航空先進復合材料的發展方向之一。

運用于航天產品的RTM成型工藝制造的復合材料，其使用的纖維增強體采用編織成型，產品價格較高，但隨著國內多家企業對編織技術、編織機械的大力發展，編織體的價格已大幅下降，為RTM成型技術在航天產品的廣泛應用提供了可能。RTM技術是一種適宜多品種、中小批量、高質量復合材料生產的成型技術，近年來得到聲迅速發展。美國國家宇航局對RTM給予了高度重視，并認為該技術是制造結構材料的一種成本低、效益好的方法。

RTM與纏繞、拉擠等幾種復合材料制備技術的綜合比較見表1。從表1可以看出，RTM在這幾項低成本制造技術中的綜合優勢是明顯的。

進入21世紀后，RTM技術朝著高技術、多領域方面發展，伴隨而來的是清潔、自動、快速、低成本、高質量的復合材料制造技術和低壓力、低投資的設備及模具。進一步研究缺陷形成機理和影響因素，建立高效、準確的RTM成型工藝過程和模擬模型、相關軟件和技術的進一步完善，可使其對實際制造過程具有準確的預測、指導和實時控制功能，以保證構件的內部質量，降低材料孔隙率，提高纖維體積含量。RTM技術發展將成為復合材料主要制造技術之一。

三維編織復合材料及發展

傳統層合復合材結構抵抗損傷導致的層間破壞能力較低，因此使得研究人員致力于研發一種全新概念的復合材料三維編織復合材料。三維編織預制件及其復合材料除了有著傳統復合材料所固有的重量輕、強度高等優點外，還有著傳統復合材料所不具備的結構特點。傳統的復俁材料制件層與層之間存在純基體區，即層與層之間沒有纖維增強。由于基體的性能比較低，傳統的層合板復合材料具有一些難以克服的弱點，如厚度方向的剛度和強度低、面內剪切和層間剪切強度低、易分層、沖擊韌性和損傷容限水平低等。三維編織復合材料則克服了傳統復合材料分層的缺點，從理論上講三維編織復合材料可以達到任意厚度，而且沿厚度方向有纖維增強，形成了不分層的整體網狀結構。從不同結構的三維機織預制件的橫截面看，編織物的厚度方向有纖維穿過，并且與沿其它方向分布的纖維相互交織、交叉在一起，是一個完全的整體結構，根本不存在“層”的概念。因此，三維編織復合材料具有良好的層間性能、抗沖擊性能和其他一些優良性能。同時，三維編織復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，提高了復合材料的損傷容限。美國宇航局從20世紀80年代末開始的先進復合材料技術(ACT)計劃，對編織復合材料進行了全方位的研究，并取得了一系列的成果，編織復合材料納入了紡織工業的自動化生產概念。作為一種在工程上很有應用潛力的編織復合材料，三維編織增強體RTM成型的復合材料得到了工程界的重視，在研發工作上也取得了很大的成績，具有很好的發展前景。

RTM-三維編織材料及其應用

RTM-三維編織復合材料是一種新型的、性能優異的結構材料，是采用編織方法先將纖維做成預制件，然后采用RTM工藝將低粘度的樹脂注入到已鋪好預制件的模具中，最后進行固化。由于RTM工藝對制件不施加外力，而是借助注射壓力將液態樹脂注放密封的模腔，因此不會改變織物的原結構，是成型三維編織復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-三維編織復合材料克服了傳統復合材料諸多不足，獲得了優異的力學性能，因而逐漸得到了人們的重視。雖然用RTM成型三維編織復合材料技術上存在著許多優點，但目前國內外的RTM技術在成型三維編織復合材料還存在一些難點和問題：大面積、結構復雜的模具型腔內，模塑過程中樹脂的流動不均衡，而這個動態過程無法觀察，難以進行預測和控制；樹脂對纖維的浸漬不夠理想，制品內存在空隙率較高、纖維干斑等現象。要解決上述難點和問題，在現有的基礎上改進RTM-三維編織復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材料的整體成型問題，而RTM工藝正是適于整體成型的一種工藝方法，促進了其在航空、航天領域的應用。RTM三維編織復合材料是完全的整體結構，它的比強度、比模量高，具有優良的力學性能，使采用復合材料來制作主承力結構件和特殊的多功能制件成為可能。目前，采用RTM-三維編織復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-三維編織復合材料具備其它材料所無法達到的性能，大大減輕了這些制件的重量，并且使其性能得到提高。RTM-三維編織復合材料具有廣闊的發展前景，是許多高新技術領域中不可缺少的一種新材料。

一種改進的RTM-三維編織復合材料成型工藝

隨著全球火箭、導彈和宇航技術的飛速發展，飛行器飛行中的高過載以及高能量推進劑產生的高熱流等惡劣條件對耐熱層提出了更加苛刻的耐燒蝕、耐熱流沖刷以及機械力學性能等方面的要求。以基體、增強纖維和界面相為主組成的復合材料由于其優異的力學性能、功能特性、材料可設計性及易成型等優點，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酚醛樹脂預浸后，放入熱壓罐中在高溫高壓下固化成型。由于工藝步驟較多，成本相對偏高，但生產出來的制品力學性能較差，特點是層間強度較低。

改進其成型工藝有三個目前：

• 提高力學材料性能，減少部分或全部的加強結構；
• 簡化工藝流程使其對環境更加友好；
• 降低成本。

樹脂選擇

樹脂的選擇根據經驗采用高含碳量酚醛樹脂，酚醛樹脂在火焰燒蝕下樹脂會碳化，形成一層在高溫下十分穩定的多孔碳均勻附在纖維表面上，對纖維起到“強化”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脂體系要求在注膠溫度下樹脂具有較低的粘度，對纖維增強體浸潤性好。且樹脂在注膠溫度下有足夠的凝膠時間以保證樹脂能完全通過模具并浸潤纖維增強體。因此，需對樹脂進行改性使其粘度保持在一定水平以滿足注射工藝條件，同時得到的制品孔隙率較低。由于整個工藝生產的這類型產品較少，每年僅僅幾個。因此盡可能在原有投資的基礎上改進工藝，特別是酚醛樹脂制品固化過程中使用現有的熱壓罐。

總結

該工藝簡化了火箭噴嘴零件設計，降低了成本，并滿足了其功能性。樹脂復合三維編織體制造的高強度、耐燒蝕復合材料，其力學性能接近于鋼，燒蝕性能大大好于模壓和纏繞復合材料。證明了該改進工藝中，增強體的選擇、樹脂的選擇和工藝過程是可行的，該RTM工藝設計制作火箭噴嘴零件時，保留使用了熱壓罐等設備，在原有工藝平臺的基礎上最大限度地降低了成本。通過試驗表明，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性能，簡化了零件結構，達到了預期目標。

結束語

新型航空航天器的先進標志之一是結構的先進性，而先進復合材料是實現結構分時性的重要物質基礎和先導技術。當前航空航天復合材料的發展方向是低成本、高損傷容限、通用化、多功能化和結構一體化，而且主要不依賴材料化學上的進步來換取綜合性能的進步，即在現有的設備材料平臺基礎上，通過改進工藝等以獲得高性能先進復合材料。目前，我國應該抓緊有利時機開展這方面的技術研究和應用，縮短我國與發達國家的復合材料工業的差距。

尤其在RTM-三維編織復合材料設法擺脫對昂貴復雜的預浸工藝和高能耗熱壓罐的依賴，制備具有復雜外形和高質量、高尺寸精度要求的航空構件十分有效。因此開展這項技術的研究，能夠為我國航空工業水平的迅速提高提供一條捷徑，并且對民用復合材料行業的發展也很有好處，還可以避免資源、能源及材料的浪費和低水平重復的研究。積極開展RTM-三維編織復合材料在結構復合材料應用的基礎研究，對我國發展先進復合材料技術具有重要的意義。

來源：云路復材、中國復材、 嚴說一點