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語言:中文
三維編織復合材料能否躋身主流復合材料制造領域?
時間:2022-03-22來源:DT新材料

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01

什么是三維編織



三維編織技術是在傳統二維編織技術上發展起來的一種高新紡織技術。發展它的目的是為了克服傳統復合材料固有的缺點,即受力后容易分層的問題,正是由于這個缺點,傳統復合材料很難用于制作主承力的結構件和高功能制件,而三維編織技術最大的優勢就在于非常適合制作各種復雜形狀的高性能纖維結構件、連接件。

三維編織復合材料是利用三維編織技術先將增強纖維束織造成所需的結構形狀預制件,由此制成的預制件結構具有特殊的空間網狀結構,紗線在編織物結構中連續不間斷且伸直度較高,不僅在平面內相互交織,而且在厚度方向上也相互交織。然后,再把預制體作為增強體結構,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。

三維編織過程  圖片來源:云路復材

02

三維編織復合材料的性能特點


三維編織復合材料因其整體復雜的空間纖維結構,顯著地提高了材料的比強度和比剛度,從根本上克服了傳統層合復合材料層間強度低、易分層等致命弱點,還使其具有優良的力學性能,如:良好的抗沖擊損傷性能、耐疲勞性能和耐燒蝕性能等,以及結構整體性好、可設計性強等諸多優點,受到工程界的普遍關注,成為航空、航天、能源、重大戰略裝備、軌道交通、汽車輕量化、碳/碳復材、城市基建、生物醫療、體育用品等領域的重要結構材料。


三維編織復合材料制品   圖片來源:云路復材

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03

三維編織復合材料的應用


1.作為功能性結構材料

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。

三維編織應用   圖片來源:《三維編織復合材料的發展現狀與展望》,熊紹海等

 

2.作為承力、連接結構件

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,我國首顆探月衛星“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。
 

3. 作為人造生物結構件

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。

 

4. 碳/碳復合材料預制體

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。


碳纖維預制體,圖片來源:云路復材

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。

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04

三維編織復合材料目前存在的問題

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。