紡織復合材料是指采用紡織技術織造的織物(或稱作預制件) 所增強的復合材料。隨著科學技術的飛速發展，紡織復合材料在改善其層內及層間強度和抗損壞性能方面有了新的突破，其主要表現為增強材料體結構從零維，一維，二維，發展到三維，即產生了用于制造先進復合材料增強體的三維紡織技術，從而為制造具有整體性和仿形性的高性能復合材料提供了可靠的保證。

 

三維紡織復合材料能夠從根本上解決分層問題，這類紡織品包括三維機織物、三維編織物、三維針織物以及三維縫編織物等。在這類結構中，纖維束在空間相互交錯、交織形成一個整體結構，從而在厚度方向引入增強纖維，提高了復合材料的層間剪切強度和損傷容限，因此它不會分層。這類結構的另一優點是可以加工成各種不同形狀的預型件，在浸漬前終產品已經預成型，因而避免了由切割加工引起的性能下降。

因此，近幾年來三維紡織結構復合材料的發展極為迅速，各種新型織機及其相應的產品不斷出現，其性能研究也逐步深入，從而大大推動了紡織結構復合材料的發展與應用。

圖片來源：《三維編織復合材料的發展現狀與展望》，熊紹海，袁翔，江嘉吉

復合材料三維編織工藝

 

三維編織復合材料的編織工藝有兩步法、四步法、多層聯結編織法和多步法等， 其中四步法和兩步法是目前該領域使用主要的兩種方法。四步法可以編織許多不同截面的結構， 如板狀、管狀、半柱狀和柱狀等。兩步法適合編織非常厚的結構， 可以編織板狀、管狀等結構。

三維編織復合材料的成型方法

三維整體編織復合材料的成型工藝主要有模壓成型、擠拉成型、真空浸漬成型、RTM 成型和 VARTM 成型等， 其中以RTM ( 樹脂傳遞模塑) 工藝和真空浸漬法為常用。

 

RTM是樹脂傳遞模塑工藝(Resin Transfer Molding)，一般指在模具的型腔里預先放置增強材料，夾緊后，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，后脫模得到制品的復合工藝。RTM成型工藝是從濕法鋪層和注塑工藝演衍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。

相比RTM工藝，真空浸漬法簡單方便。其制備工藝如下：先將環氧樹脂基體加熱至某一溫度，進行真空脫氣處理，然后注入到預先鋪好三維織物的模具內，再次抽真空脫氣，待氣泡完全排出后，按所需溫度進行固化，冷卻后脫模即可。但是該成型方法形成的制件孔隙率比較高，大概在3%～5%之間，適合于強度要求較低的制件成型。

三維紡織復合材料的應用領域

由于三維紡織復合材料不分層，是完全的整體結構，所以它的比強度、比模量高，具有優良的力學性能和功能，使采用復合材料來制作主承力結構件和特殊的具有多種功能的制件成為可能。

目前，采用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、錐筒型的制件，還可以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。
 

圖片來源：《三維編織復合材料的發展現狀與展望》，熊紹海，袁翔，江嘉吉
 

三維編織復合材料作為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、燃燒室內襯、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，以及氮化硅纖維增強的導彈天線罩透波材料、耐磨損剎車片材料等功能性材料。
 

多通接頭圖片來源：3dbraiding
 

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復雜連接件，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，三維編織復合材料在制作承力結構件、復雜結構連接件方面具有明顯的優勢，典型產品如：工字梁、Ｔ形梁、高性能復合材料管件、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，我國顆探月衛星“嫦娥一號”衛星空間桁架結構連接件就采用了三維編織復合材料。

因為三維編織復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、接骨板等。
 

碳纖維預制體，圖片來源：云路復材
 

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/碳復合材料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。

三維編織技術的發展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0.3-0.4g/cm³，三維編織預制體整體密度為0.7-0.8g/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。

 

盡管三維編織復合材料制件多種多樣，但目前國內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。

 

參考資料：

1. 荊云娟,韋鑫,張元,趙帆.三維編織復合材料的發展及應用現狀[J].棉紡織技術,2019,47(11):79-84.

2. 熊紹海,袁翔,江嘉吉.三維編織復合材料的發展現狀與展望[J].直升機技術,2020(01):50-56.

3. 《三維紡織復合材料的結構特點與展望》，內蒙古自治區科普之窗

為了更好的了解紡織結構復合材料的發展及應用情況，材視聯合DT新材料特邀東華大學孫寶忠教授，7月6日（周三），19:00-20:00，在線分享《紡織結構復合材料的發展和思考》