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語言:中文
三維編織復(fù)合材料能否躋身主流復(fù)合材料制造領(lǐng)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(shù)是在傳統(tǒng)二維編織技術(shù)上發(fā)展起來的一種高新紡織技術(shù)。發(fā)展它的目的是為了克服傳統(tǒng)復(fù)合材料固有的缺點(diǎn),即受力后容易分層的問題,正是由于這個缺點(diǎn),傳統(tǒng)復(fù)合材料很難用于制作主承力的結(jié)構(gòu)件和高功能制件,而三維編織技術(shù)最大的優(yōu)勢就在于非常適合制作各種復(fù)雜形狀的高性能纖維結(jié)構(gòu)件、連接件。

三維編織復(fù)合材料是利用三維編織技術(shù)先將增強(qiáng)纖維束織造成所需的結(jié)構(gòu)形狀預(yù)制件,由此制成的預(yù)制件結(jié)構(gòu)具有特殊的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),紗線在編織物結(jié)構(gòu)中連續(xù)不間斷且伸直度較高,不僅在平面內(nèi)相互交織,而且在厚度方向上也相互交織。然后,再把預(yù)制體作為增強(qiáng)體結(jié)構(gòu),和基體(包括樹脂、碳、碳化硅、金屬等)復(fù)合,從而制成復(fù)合材料制件。

三維編織過程  圖片來源:云路復(fù)材

02

三維編織復(fù)合材料的性能特點(diǎn)


三維編織復(fù)合材料因其整體復(fù)雜的空間纖維結(jié)構(gòu),顯著地提高了材料的比強(qiáng)度和比剛度,從根本上克服了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料層間強(qiáng)度低、易分層等致命弱點(diǎn),還使其具有優(yōu)良的力學(xué)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(jié)構(gòu)整體性好、可設(shè)計性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),受到工程界的普遍關(guān)注,成為航空、航天、能源、重大戰(zhàn)略裝備、軌道交通、汽車輕量化、碳/碳復(fù)材、城市基建、生物醫(yī)療、體育用品等領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料。


三維編織復(fù)合材料制品   圖片來源:云路復(fù)材

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03

三維編織復(fù)合材料的應(yīng)用


1.作為功能性結(jié)構(gòu)材料

三維編織復(fù)合材料作為功能性結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)在火箭、飛機(jī)、衛(wèi)星等航空航天飛行器上廣泛使用,如:火箭發(fā)動機(jī)噴管、密封調(diào)節(jié)片、衛(wèi)星桁架、燃燒室內(nèi)襯、導(dǎo)彈頭錐以及飛機(jī)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片等耐高溫、耐燒蝕和高速沖刷的結(jié)構(gòu)材料,以及氮化硅纖維增強(qiáng)的導(dǎo)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(yīng)用   圖片來源:《三維編織復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望》,熊紹海等

 

2.作為承力、連接結(jié)構(gòu)件

三維編織預(yù)制體結(jié)構(gòu)具有整體性、不分層的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)中紗線連續(xù)且伸直度好,有利于材料在受力時均勻承擔(dān)載荷。此外,三維編織技術(shù)可以一次性整體編織復(fù)雜連接件,不需要進(jìn)行二次加工,既可滿足性能上的高需求,也大大減輕了構(gòu)件質(zhì)量。因此,三維編織復(fù)合材料在制作承力結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)連接件方面具有明顯的優(yōu)勢,典型產(chǎn)品如:工字梁、T形梁、高性能復(fù)合材料管件、汽車傳動軸、飛機(jī)起落架、螺旋槳、大曲率機(jī)骨架、機(jī)翼、飛機(jī)蒙皮、飛機(jī)進(jìn)氣道、航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣等;還有一些異形接頭,如:衛(wèi)星桁架、耳片結(jié)構(gòu)、多通接頭等。其中,我國首顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號”衛(wèi)星空間桁架結(jié)構(gòu)連接件就采用了三維編織復(fù)合材料。
 

3. 作為人造生物結(jié)構(gòu)件

因為三維編織復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計性且質(zhì)輕的性能特點(diǎn),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(fù)合材料預(yù)制體

預(yù)制體是碳/碳復(fù)合材料的骨架,其成型工藝是碳/碳復(fù)合材料最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一,決定著碳/碳復(fù)合材料的性能?,F(xiàn)在主流的碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體成型工藝是針刺技術(shù),制件屬于2.5D織物。隨著行業(yè)的發(fā)展,碳/碳復(fù)合材料需要更先進(jìn)的預(yù)制體(3D織物),而突破傳統(tǒng)復(fù)材工藝固有缺陷的三維編織技術(shù),在國外已應(yīng)用多年。

三維編織技術(shù)的發(fā)展可以實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的大尺寸、高精度編織,而且克服了針刺預(yù)制體的缺陷,在改進(jìn)層間強(qiáng)度、損傷容限和熱應(yīng)力失配等方面發(fā)揮作用。


碳纖維預(yù)制體,圖片來源:云路復(fù)材

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

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04

三維編織復(fù)合材料目前存在的問題

盡管三維編織復(fù)合材料制件多種多樣,但目前國內(nèi)的商業(yè)應(yīng)用仍相對較少,制約三維編織技術(shù)推廣的原因主要有研究起步晚、設(shè)備的自主研發(fā)、編織技術(shù)創(chuàng)新、數(shù)字化設(shè)計理論、在線檢測技術(shù)、自動化與智能化控制技術(shù)等問題。