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透视INSIGHT三维编织技术和三维编织复合材料■文/祁瑞南京鑫鼎纤维材料有限公司复合材料重点实验室与层合复合材料相比，三维编织究始于20世纪80年代末期，南中主要成果有：复合材料具有完全整体、不分层的结京鑫鼎纤维材料有限公司等单位在（1）研制出工程应用的三维编织构，可用于制造结构制件和高功能制国家的资助下，开展了三维编织复合装备，主要有计算机控制的大型三维件，所以，进一步研究三维编织技术材料的研究工作。这些单位的工作人编织设备（如图1）、多台组合式三维和三维编织复合材料对发展我国新员坚持自力更生、艰苦奋斗的精神，编织设备，解决了织造不同织物结构材料具有重要的意义。独立自主地开发出多种三维编织复和不同形状制件的关键装备问题。三维编织复合材料是自20世纪合材料的关键技术，经过20余年的不（2）开发出多种规则形状异型截80年代发展起来的一种新型高性能懈努力，使我国三维编织复合材料的面预制件（如：工型梁、T型梁、盒型复合材料，发展它的目的是为了克服研究和应用达到了国际先进水平。其梁等）（如图2）的三维编织技术，解传统复合材料固有的缺点，即受力后容易分层的问题，正是由于这个固有的缺点，传统复合材料很难用于制作主承力的结构件和高功能制件。三维编织复合材料是利用编织技术首先将增强纤维织造成三维整体织物，再和基体（包括树脂、碳、碳化硅、金属等）复合，从而制成复合材料制件，所以在三维编织复合材料制件中没有“层”的问题。一、国内外三维编织复合材料的发展情况1.国内研究发展情况我国开展三维编织复合材料的研图1　我国自己研制的计算机控制的大型三维整体编织机46AdvancedMaterialsIndustry INSIGHT透视术、缝合技术等，以及低成本复合成型工艺如树脂传递模塑工艺（RTM）等。ACT计划指出：采用各种纺织技术制造复合材料增强体，是提高材料的强度和抗冲击性并且有可能实现一体成形的有效方法。美国的许多单位开展了三维异型整体编织复合材料的织造工艺、织物内部纤维几何结构及其对性能的影响、材料性能分析和预测、三维整体编织复合材料应用等研究。美国的大西洋公司耗资1000多万美元制造了大型三维编织机，直接为美国航天航空部门编织三维编织物，图2三维编织预制件和复合材料制件并为一些西方国家服务，但大西洋决了织造不同形状、尺寸、织物结构性能分析和评价方法，为三维编织公司的大型三维编织机处于严格保的规则异型三维编织预制件的关键复合材料的设计和应用奠定了理密状态。问题。论基础。在欧洲，由德国奔驰公司和亚（3）开发出三维编织计算机辅（8）由于三维编织复合材料根琛大学联合致力于开发新一代三维助设计软件，实现了三维编织工艺本不分层，是完全的整体结构，所以编织机；英、法两国也有发展先进纺设计和编织过程仿真。它的比强度、比模量高，具有优良织复合材料的计划；日本发展先进（4）开发出变截面三维编织技的力学性能和功能性能，使采用复纺织复合材料始于20世纪80年代术，为编织锥套体、截面突变预制件合材料来制作主承力结构件和特殊初期，在纺织复合材料领域做了系奠定了基础。的具有多种功能性能的制件成为可统的研究工作；俄罗斯、澳大利亚、（5）开发出多种复杂形状预制能。现在，已经为我国航天、航空等韩国和印度等国在先进纺织复合材件的编织新技术，例如：使编织方向部门的多个新型号研制出多种急需料领域也开展了大量的基础和应用折转、从而使平板和圆管连接的三的高性能三维编织复合材料制件。研究。但此种复合材料的应用均受维编织技术和局部编织技术等，保研究成果填补了国内空白，达到了到了各国政府的严格保护。证了工程急需的复杂形状预制件的国际先进水平，已应用于我国人造编织。卫星、运载火箭、导弹及新型战机等二、三维编织复合材料的特点（6）研制出适合多种树脂的三高技术领域。1.三维编织复合材料的不分层整维编织复合材料恒压高温复合固化2.国外研究现状及发展趋势体结构大大提高了其性能设备；研究出不同压力和温度下，多1985年由美国航空航天局三维编织复合材料完全克服了种树脂对不同结构和形状三维织物（NASA）主持了先进复合材料技术传统复合材料“分层”的缺点，从理的渗透规律与复合固化工艺；解决（ACT）发展计划，历时多年，多个公论上讲三维编织复合材料可以达到了树脂基三维编织复合材料制件复司和大学参加，目的是突破先进纺织任意厚度，而且沿厚度方向有增强　合固化用模具设计难题。复合材料制造和应用的关键技术，提纤维通过，这就形成了不分层的整（7）阐明了三维编织复合材料高复合材料的损伤容限和降低成本。体网状结构。图5所示是最基本的四的细观结构及其对复合材料性能ACT计划的重要内容之一是研制开步法三维编织复合材料内部增强纱的影响，建立了三维编织复合材料发了多种预成型技术如三维编织技线走向和交织情况的示意图。从图新材料产业NO.1201047 透视INSIGHT叠层(a)三维四向结构(b)三维五向结构(c)三维六向结构(d)三维七向结构图3传统复合材料的形成图6四步法三维编织件的不同结构2.采用三维编织技术，可以直接扑形状和内部材料细观结构的并行织造出形状复杂、不同尺寸的整设计，一次完成构件内部组织结构体编织预制件，从而实现制件的和三维形体的制造。净尺寸制造，实现材料与构件的3.采用三维编织技术完全可以实一体化、集成化设计制造现对高性能纤维的编织，并可以纤维增强基体区纯基体区采用三维编织技术可以直接织增强多种基体图4传统复合材料厚度方向的分层结构造出形状复杂、不同尺寸的整体预采用三维编织技术可以对碳纤中可以看出，基本四步法三维编织复制件，例如圆筒、锥套体、工型梁、T维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤合材料内部纱线在空间的取向为4个型梁、盒型梁等，如图7所示。这样可维、芳纶纤维等进行编织，这就完全方向，如果在不同方向加入轴纱，就以实现制件的净尺寸制造，即制成满足了当前先进复合材料对高性能可以形成三维五向、三维六向、三维的复合材料制件不需要再加工，这纤维的要求。同时，三维编织预制件七向等结构，如图6所示。纤维不但在就避免了由于加工而造成的纤维损可以增强树脂、碳、陶瓷、金属等多平面内相互交织、交叉在一起，而且伤。同时，还可以实现结构的整体化种基体。通过厚度方向，在三维空间中也相设计，减少零配件数量，保证结构的4.三维编织复合材料综合性能互交织、交叉在一起，形成了一个不整体性，而且增强纤维在复合材料优于层合复合材料，为复合材料分层的整体结构。由于在三维编织中呈空间多向分布，使复合材料的应用于承力结构件提供了广阔的复合材料中，增强纤维在三维空间性能设计更具灵活性，实现了材料前景中沿多个方向分布，并相互交织、交的“特定设计”。因此，不同于传统复三维编织复合材料是一个完全叉在一起，是一个完全整体的结构，合材料的制备技术，三维编织复合整体的结构，与传统复合材料相比，根本不存在“层”的问题，这就克服材料构件的制备技术是一种材料与它具有较高的损伤容限、较高的强了传统复合材料存在“基体层”这个构件的一体化、集成化设计制造技度和模量，为复合材料应用于承力致命的缺点，从而大大提高了复合术，即在构件制备过程中，可以根据结构件，特别是应用于航天、航空等材料的性能。构件功能要求进行构件外部几何拓领域提供了广阔的前景。三、三维纺织复合材料的一些应用目前，采用三维纺织复合材料可以制作飞行器、汽车等上面的多种不同形状的承力梁、接头，多种形式的耐烧蚀、具备承力的圆筒型、锥筒型制件；还可以在人造生物组织方面发挥作用，制作人造骨、人造韧带以及图5基本四步法三维编织件内部纱线图7三维整体编织的异型预制件交织的情况接骨板等。并且由于三维纺织复合材48AdvancedMaterialsIndustry INSIGHT透视料具备其它材料所无法达到的性能，这就为许多领域提供了一种理想的新材料，从而促进许多领域的发展。总之，三维纺织复合材料具有广泛的应用前景，是许多高新技术领域中不可缺少的一种新材料。1.在制作承力梁上的应用图13人造韧带三维纺织复合材料在制作承力梁上具有明显的特点：首先，承力梁的4.在制作人造生物组织材料方面的应用预制件可以一次编织成型，形成一个由于三维编织复合材料具有质量轻、力整体的不分层结构；第二，纱线的取图10三维整体编织锥套体学性能优越和设计灵活等特点，这使其在人向和分布可以设计，这就使得承力梁造生物材料的应用方面将发挥越来越大的作受力更加合理，图8就是不同形状的用，例如：它可以制造成如图12所示的人造三维整体编织复合材料异型梁。骨、图13所示的人造韧带，以及骨折内固定接骨板、人造心脏瓣膜、人造血管等。（预制件）四、结语通过上述讨论可以看出，在三维编织复合材料预制件中，纤维在空间相互交织，形图8三维整体编织复合材料成整体网状结构，克服了传统层合复合材料异型梁的分层问题；同时可以直接织造成各种异型2.在制作异型接头上的应用件，避免了后加工造成的纤维损伤，提高了复（碳基复合材料制件）图9是三维纺织复合材料异型接合材料的损伤容限。因此，三维编织复合材料图11圆锥套型碳基三维编织头，在这些制件中，纤维不但连续，而复合材料预制件和制件是一种先进的复合材料，更好地研究三维编且形成整体异型的网状结构，同时达织技术和三维编织复合材料对发展我国新材图11圆锥套型碳基三维编织到所需要的形状和尺寸。复合材料预制件和制件料事业具有重要意义。图12人造骨参考文献[1]Tsu-WeiChou，Frank.K.Ko.TextileStructuralComposites[M].Elsevier图9不同形状的三维纺织复合材料异型接头SciencePublishers，1989：129-171.[2]李嘉禄，肖丽华，闫建华.纺织复合材料预制件的几种织造技术[J].纺织学报，3.在制作圆锥套型制件上的应用1994，11（3）：522-525.三维纺织复合材料在制作圆锥套[3]李嘉禄,刘谦.三维编织复合材料中纤维束走向的研究[J].纺织学报,1999，型制件上的应用实例如图10、11，分16（4）：7-10.别是三维整体编织锥套体、圆锥套型[4]修英姝，陈利.三维编织复合材料制件的细观单胞分析[J].复合材料学报碳基三维编织预制件和制件。2003，20（4）：63-66.新材料产业NO.1201049