飞机用三维编织复合材料 26页

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划飞机用三维编织复合材料　　复合材料与航空航天　　摘要　　先进复合材料(advancedcompositematerials,ACM)成功地用于航空航天领域仅有20多年的历史.它具有比强度比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能优越以及便于大面积整体成型等显著优点,在飞机上已获得大量应用。作为21世纪的主导材料,先进复合材料的用量已成为飞机先进性,乃至航空航天领域先进性的一个重要标志,是世界强国竞相发展的核心技术,也是我国的重点发展领域。本文介绍了复合材料在航空航天上的发展状况，其后讨论了目前复合材料使用上存在的问题，如碳纤维质量差，成本高，针对这些问题，本文最后着重叙述了先进的碳化硅陶瓷纤维的制备方法，特点，以及NL-200陶瓷级纤维在航空航天上的使用。　　关键词：复合材料碳化硅陶瓷纤维航空航天　　1先进复合材料现状目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划飞机用三维编织复合材料　　复合材料与航空航天　　摘要　　先进复合材料(advancedcompositematerials,ACM)成功地用于航空航天领域仅有20多年的历史.它具有比强度比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能优越以及便于大面积整体成型等显著优点,在飞机上已获得大量应用。作为21世纪的主导材料,先进复合材料的用量已成为飞机先进性,乃至航空航天领域先进性的一个重要标志,是世界强国竞相发展的核心技术,也是我国的重点发展领域。本文介绍了复合材料在航空航天上的发展状况，其后讨论了目前复合材料使用上存在的问题，如碳纤维质量差，成本高，针对这些问题，本文最后着重叙述了先进的碳化硅陶瓷纤维的制备方法，特点，以及NL-200陶瓷级纤维在航空航天上的使用。　　关键词：复合材料碳化硅陶瓷纤维航空航天　　1先进复合材料现状目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一种多相固体材料。先进复合材料(AdvancedCompositeMaterials)指的是在性能和功能上远远超出其单质组分性能与功能的类新材料。它是国防军工和国民经济发展最重要的一类工程材料，也是应用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。根据美国航空航天局(NASA)的划分，航空航天所使用的各种先进复合材料可以分为以下几种：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料等[1]。　　先进树脂基复合材料　　先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料.与传统的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为钢的1/5,铝合金的1/2,且比强度与比模量远高于后二者.目前用途最广的主要有碳纤维复合材料(ＣＦＲＰ)和芳纶纤维复合材料(ＡＦＲＰ).ＣＦＲＰ具有比强度高、耐高温、减振性好、耐疲劳性能优越等突出优点,是目前民用飞机上用量最大,也是航空航天等尖端科技领域发展较为成熟的先进复合材料[2].ＡＦＲＰ热稳定性好,耐介质性能优良,可作为复合装甲材料,有较强的防护力.国外近年致力于将该种材料用于制作军、民用飞机的"光谱屏蔽"材料,其关键性能指标———抗冲击性能相当出色.　　金属基复合材料目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　金属基复合材料主要是指以Ａｌ、Ｍｇ等轻金属为基体的复合材料.在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍.这类材料具有优良的导电性能、导热性能、耐高温性能，横向性能、低消耗和优良的可加工性能。近20年来，镁基、铝基、钛基等轻质金属基复合材料在航空航天高技术领域起到了支撑作用［3］，SiC晶须增强的铝基复合材料薄板将用于先进战斗机的蒙皮和机尾的加强筋，钨纤维增强高温合金基复合材料可用于飞机发动机部件，石墨/铝、石墨/镁复合材料具有很高的比刚度和抗热变形性，是卫星和宇宙飞行器用的良好的结构材料。美国航天航空局采用石墨/铝复合材料作为航天飞机中部长20m的货舱架。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化.而在我国仅有少量批量生产,以汽车及机械零件为主,年产量仅5000吨左右,与国外差距较大[4].　　陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料属于耐热结构复合材料，这类材料具有寿命长、强度高、密度低、耐高温、耐腐蚀和抗磨损等特性。陶瓷基复合材料的最高使用温度为1650℃，其密度仅为高温合金的1/3～1/4，工作温度却比高温合金高500℃，它的耐高温能力和减重效果是目前其它材料无法替代的。在1992年，美国投入陶瓷基复合材料应用研究的经费就高达3500万美元[5];法国ＳＥＰ公司用陶瓷基复合材料制成的ＳＣＤ-ＳＥＰ火箭试验发动机已通过点火试车,并使结构减重50%[6].国内从20世纪90年代初开始进行该领域的研究,目前尚未有批量生产的报道。与其它几类相比连续纤维增强陶瓷基复合材料具有更高的断裂韧性及断裂功，且具有完全的非脆性破坏形式，其断裂韧性(K1C)可达30MPa·m1/2以上，比传统陶瓷材料韧性(K1约MPa·m1/2提高200～600%[6]。　　碳/碳复合材料　　碳纤维增强碳复合材料是指用碳纤维来增强各种基质碳的材料，简称碳/碳复合材料[7]。碳/碳复合材料是一种极好的热结构材料，具有升华温度高、力学性能好、抗热振性能好质量轻、抗辐照、辐射系数比较高、对雷达和光的可见度小等优点，主要用于航空航天领域。　　3先进复合材料可持续研发与应用中需解决的问题　　我国先进复合材料是在国防、航空航天领域的需求牵引下逐步发展起来的,经历了对前苏联、美国、日本、西欧以及俄罗斯等国的仿制和跟踪到形成自己的复合材料体系的不同阶段,同时由于受到体制分割和各自领域独立发展的制约和影响,在某种程度上已经形成了材料品种及牌号多、材料成熟度参差不齐、低水平或同水平重复以及较低的性能，质量、规格、价格以及供货能力等方面还远远不能满足国防、航空航天以及民用领域的需求。尤其在中国加入WTO之后,在自主知识产权、创新和提高竞争力等方面受到严峻的挑战。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　国产碳纤维　　碳纤维是最重要的增强材料,我国碳纤维研发与生产中存在的几个问题:原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等。面对国外的技术封锁,我国的迫切需求,以及碳纤维的基础性、先导性以及战略性特点,解决碳纤维技术问题迫在眉睫。如解决PAN原丝PAN碳纤维的关键技术问题,T300级PAN碳纤维实现大批量生产,满足国内对碳纤维材料的需求;T700级PAN碳纤维可进行小批量生产;争取在模量大于700GPa和强度大于的高模高强碳纤维关键技术方面获得突破,并同时开展大丝束、低成本碳纤维技术研究。　　低成本复合材料技术目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　我国在低成本复合材料技术方面面临着很大的挑战,尤其是在低成本制造技术方面。以某机翼研制为例,碳纤维树脂基复合材料每千克成本为9600元,其中碳纤维约为1000元,树脂约为300元,纤维和基体的成本在总成本中占有份额小于15%,设计成本小于5%,而制造成本却高达80%[8].首先,要继续发展低成本工艺技术,如树脂传递模塑(RTM)及其衍生工艺、电子束固化和低温固化工艺等。同时,发展制造过程优化以及工艺控制技术,提高复合材料的性能稳定性,也是降低成本的重要手段。大幅降低成本,提高制造效率的重要技术是自动化制造,如自动纤维铺放技术等,而我国先进的工艺装备还十分缺乏。　　先进复合材料及结构的设计理论与方法　　通过对复合材料几十年的研究和成功应用,人们对其有了更深刻的认识。自　　XX年以来,欧美等发达国家的先进复合材料在航空上用量有很大的飞跃,这其中的原因是多方面的,而科学合理的设计理论与方法也是其中的重要因素。我国首先要解决的是设计理念上的问题。主承力结构件上大量用复合材料,需要设计师接受和信赖复合材料。其次是设计理论问题。复合材料的性能分散性和环境依赖性使其设计问题相当复杂,设计准则和结构设计值的确定还很保守。现有的方法需要大量试验,造成复合材料的制备成本高、周期长,性能测试难度大、费用昂贵。设计、制备、评价和使用过程中获得的每一个材料性能数据都弥足珍贵。因此,建立长期的开放式的数据库系统十分必要。　　先进复合材料结构的安全与可靠性评价目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　复合材料结构形式、服役载荷及使用环境都相当复杂及初始缺陷影响和损伤最终导致材料破坏与结构失效的机制复杂。因此,建立复合材料有效性能试验表征与评价体系,发展高精度的预报理论与方法,有效预测复合材料结构长时服役环境下的性能蜕变规律,给出科学合理的复合材料结构失效判据,定量化评价复合材料结构的可靠性和安全性,是复合材料工作者面临的重要课题。　　重视发展规划　　国外航空航天结构中先进复合材料用量不断增加,急剧上升。随着新一代飞行器的发展,特别是新一代卫星、大运载火箭、近空间飞行器和大飞机的发展,先进复合材料与应用将越来越重要。国家应从需求及复合材料科学与技术本身规划复合材料可持续发展问题,可以从复合材料与金属、高分子、无机材料同等重要,并且是航空航天四大材料(复合材料、铝、钛、钢)的角度,制定相关计划并动员社会力量推进复合材料可持续发展。重点解决先进复合材料研制中的共性和关键问题,发展我国的优势和精品系列材料,通过国家与企业协同支持,自主创新,使我国成为复合材料的强国。　　4碳化硅陶瓷纤维目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　碳纤维是一种高强度、高模量材料,理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维,实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种，但其原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等问题仍很严峻。陶瓷纤维是由天然或人造无机物采用不同工艺制成的纤维状物质,也可由有机纤维经高温热处理转化而成,除具有优异的力学性能外,还具有抗氧化、高温稳定性好等优点。碳化硅纤维(SiCf)是用于金属基、陶瓷基复合材料的一种重要的高性能增强陶瓷纤维。与碳纤维相比,SiCf在抗拉强度、抗蠕变性能、抗氧化性以及与陶瓷基体相容性方面表现出一系列的优异性能。　　SiCf的制备　　化学气相沉积法　　化学气相沉积法(CVD),即在连续的钨丝或碳丝芯材上沉积碳化硅。通常在管式反应器中用水银电极直接采用直流电或射频加热,把基体芯材(钨丝或碳丝)加热到1200℃以上,通入氯硅烷和氢气的混合气体,经反应裂解为碳化硅,并沉积在钨丝或碳丝表面。目前有美国达信系统公司、法国国营火药炸药公司、英国石油公司和我国中科院金属所等在开展此项工作。　　先驱体转化法　　先驱体转化法(PIP)是以有机聚合物(一般为有机金属聚物)为先驱体,利用其可溶可熔等特性成型后,经高温热分解处理,使之从有机化合物转变为无机陶瓷材料的方法。1975年日本的矢岛教授等[9]首次使用聚碳硅烷作为先驱体制造目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　SiCf。之后,日本碳公司又开发了月产100kg的连续SiCf工业生产线,以“Nicalon”商品名销售。同时国内也研制出了高性能连续SiCf技术,填补了中国陶瓷纤维品种的空白,使中国成为国际上少数能用此方法制得连续SiCf的国家之一。表1反映了各国采用先驱体法制备SiCf的性能。目前,SiCf的单丝抗拉强度达到了GPa,丝束强度得到了成倍的提高(178GPa),已经可以在编织机上进行编织,实用性大为提高。尽管如此,先驱体法也有一些缺点:如原料及保护气体的价格昂贵、制造工艺繁杂,纤维质量不容易控制等。　　活性炭纤维转化法　　近年来,出现了一种新的SiCf制备方法———活性炭纤维转化法。它的原理比较简单:利用气态的SiO与多孔活性炭反应便转化生成了SiC。该法使得制备SiCf成本降低,过程简单。活性炭纤维转化法制备SiCf包括三大工序:1.活性炭纤维制备;2.在一定真空度的条件下，在1200℃～1300℃的温度下,ACF与SiO2发生反应而转化为SiCf;3.在氮气气氛下进行热处理(1600℃)。　　超微粉体挤压纺丝法　　超微粉体掺混纺丝法[10]是制备连续SiCf的经典方法,是将超微SiC粉、粘结剂和烧结助剂等混合后挤压纺丝,高温烧结而成。英国ICI公司用μm～μm微粉,PVAc作粘结剂,B和Al2O3作烧结助剂,混合纺丝后高温烧结制得SiCf,其强度为GPa。Si也可用作烧结助剂,并能降低烧结温度到1800℃。　　碳化硅的性能目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　可以看出,活性炭纤维转化法制备的SiCf的性能与CVD法、先驱体转化法制得SiC相比尚有一定的差距,虽然大大降低了SiCf的生产成本,使得SiCf大批量、工业化生产以及大范围地被应用成为可能,但其性能还需进一步的提高。提高活性炭纤维转化法SiCf性能的关键在于降低活性炭纤维微孔的孔径,并尽可能提高活性炭纤维的性能。　　NL-200陶瓷级纤维　　NL-200陶瓷级纤维,有很高的抗张强度(3GPa)和高的抗张模量(220GPa),用作树脂基、金属基、陶瓷基复合材料的增强纤维。NL-400和NL-500分别是高体积电阻率纤维和低体积电阻率纤维，两者主要用作树脂基复合材料的增强纤维。NL-607是由NL-200经过碳涂层而得的纤维。用NL-607增强的陶瓷复合材料具有优秀的界面性能。这种纤维同时具有细、弯曲和连续的特性,可生产多种机织物,如布、带、绳、编织和三维机织物，Nicalon纤维同时具有耐热和高温下耐氧化的优秀性能。　　基于耐高温性能的应用目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　SiCf增强陶瓷(CMC)比超耐热合金的质量轻,具有高温耐热性,并显著地改善了陶瓷固有的脆性,所以CMC可用作宇宙火箭、航空喷气式发动机等耐热部件以及高温耐腐蚀化学反应材料等。根据美国NASA的评价,Hi-Nicalon碳化硅复合材料在1200℃下,可用作超高温耐热结构材料,第二代超高速运输飞机发动机部件及核聚变炉防护层材料等。英国航天工业局(AEA)将40vol%的连续SiCf增强陶瓷基复合材料用于新型航天飞行器获得成功。该材料用热压或热等静压成型,轻且坚固,在承受强大的空气动压力的同时,还能经受航天器重返大气层时的极高温度。满足了航天器的苛刻要求,且成本低廉,使用方便,是钛合金和镍基耐热合金的理想替代物。美国德克斯特朗特种材料公司生产的连续SiCf/Si3N4陶瓷在1370℃时抗拉强度超过276MPa,用于　　火箭发动机航天飞机等的隔热瓦等。洛克公司以SiCf开发出来的耐热瓦,已有3万余块用于美国哥伦比亚号宇宙飞船上。用CVD技术制作的碳化硅镀覆瓦,反复承受1260℃热辐射后,其表面的硬度特性和金刚石一样。目前已制造出用于1630℃高温的此类耐热绝热产品。法国幻影XX战斗机的M53发动机鱼鳞板内侧也采用了SiCf/SiC陶瓷基复合材料。日本以SiCf/SiC材料作为空间飞机HOPE-X的平面翼板及前沿曲面翼板等热保护系统(TPS),经试验其力学性能和热保护性能都得到理想结果[11]。在航空发动机方面SiCf/SiC材料是更大幅度提高推重比的希望所在,日本先进材料航空发动机(AMG)燃烧室的衬里、喷嘴挡、叶盘等均采用CVI-PIP联用工艺生产的SiCf/SiC材料[12]。　　基于结构吸波性能的应用目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　作为结构吸波材料的吸收剂和增强剂,轻质、高强高模、耐高温且同时具备良好吸波性能的吸波纤维是当前吸波材料的重要研究方向之一。SiCf密硼纤维相当,既具有与碳纤维相当的强度与模量,碳纤维、芳纶等无法比拟的耐高温氧性，又具有与玻璃纤维相近的介电常数和电阻率,是高性能复合材料的理想增强剂,是国外研究发展最快的耐高温陶瓷纤维。SiCf可以抗γ射线辐射以及高速粒子流和电子流的冲击。SiCf经过适当处理,电阻率调整到10Ψ·cm～103Ψ·cm会达到最好的吸收效果。美国已研制出了SiCf增强的玻璃陶瓷基复合材料,即使温度较高该材料也具有吸波性能,已广泛用作吸波材料和吸波结构[13]。　　5.结束语　　新型航空航天器的先进性标志之一是结构的先进性,而先进复合材料是实现结构先进性的重要物质基础和先导技术。我国将成为世界上先进复合材料的最大用户,却面临着国外的技术封锁及我国技术贮备的严重不足。因此,实现我国先进复合材料研发和应用的可持续发展,必须坚持自主创新,解决原材料问题,设计应用中的理论问题,低成本技术问题,耐热性、耐腐蚀性好的碳化硅纤维卓越的研究成果无疑为我们带来了新的希望。从SiCf的制备来看,先驱体转化法是比较成熟的方法,是SiCf制备研究的主流方向,目前已实现工业化。在应用方面,用作耐热材料及复合材料增强纤维及吸波材料,在航空航天领域取得了令人振奋的研究结果。随着研究的深入,SiCf/SiC材料将在更多的尖端技术领域得到广泛应用。可以预见,凭借其优秀的性能,SiCf将会是21世纪最引人注目的高科技材料之一。　　三维纺织技术在航空航天领域的应用目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　在航空航天领域对高性能复合材料新需求的推动下，从20世纪80年代起，三维纺织技术得到了迅速发展。采用三维纺织预成型体增强的复合材料，具有优异的综合力学性能、更高的损伤容限以及卓越的抗烧蚀性能，为复合材料应用于主承力结构件和多功能结构件提供了广阔的前景。天津工业大学是国内首家研制开发三维纺织技术的单位，拥有先进的技术装备和核心技术，是目前国内唯一具备材料设计、纺织预成型、树脂基复合成型等全过程技术的先进纺织复合材料科研和生产单位，研发的产品广泛应用于我国航空航天领域。高性能复合材料轻质、高强的特点可以有效减轻飞行器自身重量，使飞行器飞得更快、更远，并提高飞行器防热、透波、隐身等功能，对推进飞行器现代化起着十分关键的支撑作用。复合材料的用量已成为衡量各国飞行器先进水平的标志：空客A380采用了25%的复合材料，而波音B787飞机的复合材料用量已达到50%。“十一五”期间，高性能复合材料及复合结构部件制备技术已作为我国新一代飞行器轻质化、高性能化的关键技术而列入我国科技发展规划，并亟待进一步提高。三维纺织复合材料技术作为一种新型高性能复合材料结构部件的制备技术，是将增强纤维编织成复合材料结构件的近净形三维整体织物，再采用树脂传递模塑工艺注入树脂后复合固化形成高性能复合材料结构件。由于采用了三维整体织物作为增强体，复合材料在厚度方向上获得了增强，从而克服了传统层合复合材料容易分层破坏的缺点，具有优异的力学性能。随着三维纺织技术的发展，不仅可以净体制备形状复杂、不同尺寸的异型构件，实现结构的一体化设计，减少零配件数量，保证结构的整体性，而且增强纤维在复合材料中呈空间多向分布，使复合材料的性能设计更具灵活性，实现了材料的“特定设计”。　　三维纺织技术　　纺织预成型体是复合材料的结构增强骨架，它的作用类似于建筑物中的钢结构框架。在复合材料结构成型之前，利用纺织技术将增强纤维定位分布，形成二维(2D)或三维(3D)的织物与结构。与二维纺织预成型体相比，三维纺织预成型体内纤维在三维方向上相互交织，形成一个整体的空间网状结构，因而从结构上强化了复合材料，并显著提高了复合材料的性能。采用三　　维织物增强的树脂基复合目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　材料的冲击损伤面积是二维织物层合复合材料的1/10；三维织物增强的碳基复合材料的拉伸强度是纯石墨材料的5～8倍；三维织物增强的陶瓷基复合材料的弯曲强度是二维织物层合复合材料的倍。由于三维纺织预成型体在复合材料制造中的重要性，1985年由美国航空航天局实施了先进复合材料技术发展计划，大力发展了多种三维纺织技术以及树脂传递模塑工艺,以制造少连接、大型、复杂、整体结构的复合材料制件，形　　成了复合材料结构一体化技术。　　用于复合材料预成型体制备的三维纺织技术主要包括三维编织技术、三维机织技术和三维　　针织技术等。　　1三维编织技术　　三维编织技术源于Florentine在1982年提出的“Magnaweave”编织方法。即每一根编织纱线由一个携纱器单独控制，携纱器按一定的规律运动，使编织纱线在三维空间内相互交织交叉，形成具有一定形状和尺寸的整体预成型体。基本的三维编织工艺制备的预成型体内有4种空间倾斜分布的编织纱线，我们称之为三维四向编织结构。在编织过程中，可根据需要分别在长度、宽度和厚度方向上加入伸直的纱线，这样就可以形成三维五向、三维六向和三维七向编织结构。此外，三维编织过程中可通过改变携纱器的排列形状和增减编织纱线的数量等工艺方　　法，灵活地编织出各种形状的预成型体。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　1994年，美国AtlanticResearch公司研制的圆型三维编织机可挂14000根纱线；1996年，天津工业大学研制的计算机控制的方型三维编织机可挂4万根纱线，是国内目前最大、最先进的编织设备，可编织工字梁、T形梁、L形梁等多种形状的预成型体。此外，由于一台编织机所能编织的预成型体的几何尺寸具有一定的局限性，为此，天津工业大学成功研制了组合式三维编织机，标准化的编织单元可以灵活的进行组合，以满足不同形状和尺寸制件的编织需　　要。　　2三维机织技术　　三维机织技术利用多层经纱织造方法，将若干经纱和纬纱层相互接结而形成具有一定厚度的三维整体预成型体。其中，采用分层接结的方法，将各相邻纱线层进行接结，称为层层角联锁结构，也称机织结构；采用接结纱倾斜贯穿整个厚度的方法，将全部纱线层进行接　　结，称为贯穿角联锁结　　构；采用一组纱线垂直贯穿整个厚度的方法，将全部纱线层进行接结，称为正交接结结构。三维机织预成型体中仅含有经向和纬向纱线，非常适合织造具有一定厚度的宽幅织物。天津工业大学对三维机织设备进行了全面的改造和升级，经过改造后的织机可以织造圆型和异型预成型　　体，最大厚度可达50mm。　　3三维针织技术目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　三维针织技术是利用针织线圈将若干层平行伸直的衬垫纱捆绑在一起，形成具有一定厚度的三维整体预成型体。天津工业大学已成功研制出了一台双轴向纬编织物织造设备，如图1所示，织物幅宽达到。双轴向纬编织物采用双面罗纹组织结构来捆绑多至5层的衬纬衬经纱，适于玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维的织造加工，该织物具有极优越的冲压成型能力。在深　　度冲压下，织物变形均匀，不起折皱，非常适合异型曲面制件的变形成型加工。　　图1先进的双轴向纬编织物设备　　在ACT计划的推动下，美国的许多大学，如Delaware大学、Drexel大学、NorthCarolinaState大学、Auburn大学等都开展了对于三维纺织预成型技术的研究。美国的大西洋公司、波音公司分别耗资数千万美元制造了大型三维编织机，3TEX公司研制了多梭口三维机织设备，该设备直接为美国航天航空部门服务。与此同时，俄罗斯、德国、日本等国家也都积极开展了三维纺织技术的研究。日本Tsuzuki公司研制的一种角轮式三维编织机，携纱器由角轮传动，角轮的运动由计算机控制，具有较高的编织速度，可连续织造截面为T形、I形、矩形，实体圆形及半圆型的制件。德国LIBA公司研制的多轴向缝编机可平行铺放6层或6层以上的纱　　线，这些纱线由缝编纱捆绑在一起，形成具有一定厚度的织物。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　为了满足我国航空航天等领域研制高性能复合材料的需求，1989年天津工业大学在国内率先开展了三维纺织技术的研究工作。经过十几年的自主创新，在以下技术领域取得了突破：　　异型结构部件三维净体编织成型工艺技术及装备；　　圆型/异型机织成型工艺技术及装备；　　双/多轴向纬编工艺技术及装备；　　多维编织工艺计算机辅助设计技术；　　先进纺织复合材料虚拟设计与制造。　　树脂传递模塑工艺　　RTM工艺起源于19世纪40年代的Macro法。Macro法相当简单，即对模腔抽真空以驱动浸渍过程。该工艺与手糊工艺相比，由于具有可生产双面光滑产品、树脂的注射压力适中的优点，得到了一定的发展。美国海军采用该工艺开发了大型玻璃纤维增强塑料船体。70年代，随着对汽车结构件和高性能体育用品等的开发，RTM工艺因其成本低、可设计性强、产品尺寸精度高、表面质量好，以及低工艺污染、环保等优点而得到广泛的应用。进入80年代，美国NASA开展了RTM技术在飞机主结构上的研发。90年代美国LockheedMartin公司已经把RTM技术应用到F/A-22的结构件上，通过结构一体化设计，大大减少了零部件数　　量，降低了制造成本。因而，RTM技术作为一　　种低成本、高质量的复合材料成型技术在航空航天领域得到了迅速的发展。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　RTM工艺的关键技术主要包括模具设计技术和RTM注胶控制技术等。对于不同的零部件，RTM模具可分为单面模具和双面模具。天津工业大学开发的双面模具设计和制造技术，可保证复合材料制件的几何尺寸精度，从而实现复杂形状零部件的净尺寸制造；研制的恒压高温RTM设备采用恒定压力输送树脂，最高注射温度可达300℃，注射压力可达2MPa，可满足高性能树　　脂高温注胶。　　三维纺织预成型技术是一种先进的纤维预成型技术，采用这种技术将纤维织造成具有一定厚度和一定形状的纤维预成型体，使RTM工艺中的纤维铺层更简化、高效，同时可保证预成型　　体内纤维的连续性和整体性，显著提高复合材料制件的力学性能。　　三维纺织复合材料在航空航天领域的应用案例　　以三维纺织预成型体为增强骨架的先进纺织复合材料是一个不分层的整体结构，具有优良的力学性能和功能性能，它使得采用复合材料制作主承力结构件和多功能制件成为可能。此　　外，三维纺织预成型技术还具有卓越的异型构件仿形编织成型能力。　　图2为采用三维机织技术制备的预成型体，用石英纤维制成，厚度35mm，用于陶瓷目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　基复合材料的增强骨架。　　图2预成型体　　图3为采用三维编织技术制作的截锥预成型体，制件厚度35mm，大端直径300mm,高度600mm。编织成型过程中，采用均匀截面编织技术，实现了制件横截面的变化，同时保证了制　　件各部位编织密度和纤维体积含量均匀，用于防热构件的增强骨架。　　【摘要】本文针对三维四向、五向编织t700/环氧树脂复合材料，采用四步法编织工艺，编织圆管预成型件，利用vartm工艺固化成型，并进行拉伸和压缩试验，得到两类材料圆管的轴向性能数据。试验结果表明：三维四向和五向复合材料圆管轴向性能在破坏前基本保持线弹性，四向材料拉伸和压缩模量相近，五向材料压缩模量大于拉伸模量，两者拉伸强度均远大于压缩强度，且五向材料破坏具有脆性特征。此外，三维四向编织复合材料的轴向力学性能低于三维五向编织复合材料。　　【关键词】三维编织；复合材料；圆管；轴向性能　　huangyu-ni1liuzhen-guo2　　(1.shanghaiaircraftdesignresearchinstitute,shanghai,XX32,china;目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　2.schoolofaeronauticscienceandengineering,beihanguniversity,beijing,,china)　　0引言　　随着世界航空航天技术的飞速发展，现代航空航天器结构设计提出了大结构尺度和结构超轻型化问题[1]。利用复合材料管件制造出的结构在满足强度及刚度的前提下，至少能实现减重20%的目标[2]，同时还具有良好的抗疲劳、抗腐蚀性的特点。　　目前，航空航天复合材料管件的制造方法主要有缠绕工艺和卷管成型工艺等，由于制造工艺的特点决定了其存在着一定的不足，难以满足航空航天高性能管件的要求。缠绕工艺生产的管件，轴向拉伸强度较低、外表面粗糙、易渗漏，管连接件较难成型，而卷管成型工艺生产的管件易出现分层现象[3]。三维编织复合材料是一种先进的复合材料，它是现代复合材料制造技术和编织技术相结合的产物，克服了用其他方法成型的管件的某些不足，具有高强度、高模量、高抗损伤容限和抗冲击等优异性能，在航空、航天领域具有广泛的应用前景。文献[4]指出三维编织工艺技术结合rtm成型工艺是实现高性能复合材料管件制造的低成本技术途径之一。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　本文所用管件采用三维整体编织技术和vartm工艺制作，对相同编织角、相同体积分数的三维四向、五向编织t700/环氧树脂复合材料进行了拉伸和压缩试验，获得了这些编织复合材料的主要轴向性能，并对破坏形式进行了分析。　　１三维圆管的编织　　三维编织工艺，就是由增强纤维束形成编织预成型件的过程。本试验采用四步法编织三维四向和五向的圆管预成型件，所用试样预成型件由北京柏瑞鼎科技有限公司提供。所选用的纤维为t700-6k碳纤维，圆管预成型件实物如图1所示。　　图1三维编织圆管预成型件　　performof3dbraidedcircular?tube　　２三维编织圆管的成型　　由图1可看出，本试验所用三维编织圆管结构致密，纤维体积含量较高，为充分发挥三维编织结构的优势，选用vartm工艺固化成型。本文选用的树脂为tde-85#环氧树脂，固化剂为70#酸酐，促进剂为苯胺[5]。胶液配比为树脂：固化剂：促进剂=100：100：1；固化工艺为：130℃恒温2小时，150℃恒温1小时，160℃恒温8小时，180℃恒温3小时。3试验描述目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　本文试样有三维四向和三维五向两种材料，编织角有30°、40°和50°三种，纤维体积分数60%，分别进行拉伸和压缩试验，相关参数见表1。试样尺寸如图2所示。由于是薄壁圆管，为方便加载，试样端头使用加强铝件，圆管和加强铝件之间用高强胶粘接。为测量管件模量，试样中部粘贴应变片。　　表1试样相关参数　　table1relatedparametersofsamples　　４试验结果和分析　　图3为试样应力-应变曲线，由图可知，曲线在试样破坏前基本保持为一条直线，这说明三维编织圆管在拉伸和压缩破坏前是线弹性的。由图中直线斜率和表2数据可知，三维五向圆管模量明显大于三维四向圆管，这是由于五向材料有轴向纱的缘故。　　由表2可知，在纤维体积分数相同时，随着编织角的增大，三维四向和五向材料圆管的拉伸模量和压缩模量都减小，且编织角越大，变化越剧烈。四向材料拉伸模量和压缩模量相近，压缩模量略大于拉伸模量。五向材料压缩模量明显大于拉伸模量。　　图2拉伸和压缩试样结构图　　(a)拉伸应力-应变曲线　　(a)stress-straincurvesoftensiletests　　(b)压缩应力-应变曲线　　图3三维编织圆管应力-应变曲线　　curvesof3dbraidedcirculartubes目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　表2三维编织t-700/tde-85#圆管轴向性能　　table2axialperformancesof3dbraidedt-700/tde-85circulartubes　　由于粘接强度不够和工艺不稳定的原因，拉伸试样破坏形式大部分为脱胶，仅得到1号试样的拉伸强度，但可得出其他材料的强度的大概范围。由表2可推知，在相同编织角和纤维体积分数条件下，五向材料的拉伸强度高于四向材料。四向材料1号试样在加载初始阶段试验力-位移曲线基本为一直线，当试验力达到一定值时开始发出轻微的响声，基体或界面发生破坏，并随着载荷的增加而声音逐渐增大，在此过程中圆管明显变细被拉长，达到试验力峰值时瞬间发生断裂，如图4所示，纤维在断口处被拉断。　　图4拉伸试样破坏图　　fig4failurediagramoftensilesample　　diagramof4-directionalmaterial　　diagramof5-directionalmaterial　　图5压缩试样破坏图目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　比较表2中拉伸强度和压缩强度可知，拉伸强度远大于压缩强度。在纤维体积分数相同时，随着编织角的增大，三维四向和五向材料圆管的压缩强度都减小，五向材料减小趋势不明显。相同编织角和纤维体积分数情况下，五向材料压缩强度远大于四向材料，甚至为四向材料的2倍。可见，轴向纱的加入，能很大程度上提高材料的轴向压缩性能。由图5(a)可以看出，四向压缩试验圆管的破坏形式主要是沿着编织角方向的斜面纤维和树脂同时断裂，表现出明显的剪切破坏特征。纤维和树脂同时断裂说明在圆管受压的过程中树脂基体也起到了较大的承载作用。图5(b)看出，五向试样断裂均发生在试件的试验段内。与三维四向试样断裂形式不同的是，五向编织复合材料圆管的断口都较为平整，且纤维基本沿横截面断裂。沿纵向分布的轴向纱的加入使五向材料的失效模式更趋向于脆性破坏。　　5结论　　５.１采用三维编织四步法编织预成型件，利用vartm工艺制造三维整体编织增强环氧tde-85#的复合材料管，对于高性能复合材料管件的制造进行了探索。　　５.２三维四向和五向编织复合材料的纵向拉伸和压缩应力-应变曲线在试件破坏前基本保持线性关系，四向材料拉伸和压缩模量值相近，五向材料压缩模量明显大于拉伸模量。５.３在纤维体积分数相同时，随着编织角的增大，拉伸模量、压缩模量和压缩强度均减小。　　５.４三维四向和五向材料压缩强度均小于拉伸强度，五向材料压缩强度远大于四向材料。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　由于五向引入了轴向纱，试件的失效方式均趋向于脆性破坏。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。