三維編織復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

荊云娟 韋 鑫 張 元 趙 帆

(陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西西安，710038)

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)。它制成的預(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。采用此編織物結(jié)構(gòu)作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，不僅提高了復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度，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，特別是層間連接強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于其他層合材料。

三維編織增強(qiáng)復(fù)合材料是三維編織技術(shù)與現(xiàn)代復(fù)合材料技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是先進(jìn)復(fù)合材料的主要代表之一。三維編織增強(qiáng)復(fù)合材料首先利用三維編織技術(shù)，將纖維束編織成所需的結(jié)構(gòu)形狀預(yù)制體，然后將預(yù)制體作為增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)，與樹脂基體復(fù)合固化或陶瓷化制成三維編織預(yù)制體增強(qiáng)復(fù)合材料，其基體材料可以為樹脂基、陶瓷基、金屬基、碳基等。三維編織技術(shù)、三維編織復(fù)合材料制造及其應(yīng)用研究一直是國內(nèi)外三維復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)，特別是在以航空航天為代表的高新技術(shù)領(lǐng)域得到了重點(diǎn)發(fā)展和應(yīng)用[1]。

1 三維編織技術(shù)的概念

廣義上的編織是指沿織物成形方向排列的多根纖維(或紗線)按照一定的規(guī)律運(yùn)動，從而使纖維(或紗線)以一定角度相互交織在一起形成織物。

三維編織屬于紡織技術(shù)范疇。三維編織物中，編織纖維(或紗線)沿織物成形方向以一定角度取向，編織物厚度超過參加編織紗線或纖維束直徑3倍以上，且在厚度方向上紗線相互交織。由于三維編織過程中，紗線為單獨(dú)控制，因此不適于編織幅寬很大的織物；纖維(或紗線)在織物厚度方向存在相互交織，理論上織物厚度可無限大；紗線排列可按制件的橫截面形狀分布，適于異形構(gòu)件的編織。不同于機(jī)織，機(jī)織物是經(jīng)紗和緯紗兩組紗線系統(tǒng)，織造時緯紗喂入；不同于針織，針織物是紗線圈套結(jié)構(gòu)。

2 三維編織技術(shù)的分類

按編織類型，三維編織技術(shù)可以分為方形編織和圓形編織。方形三維編織是指編織紗線在機(jī)器底盤排列方式為矩形，編織出橫截面為矩形或矩形組合的織物；圓形三維編織是指編織紗線在機(jī)器底盤排列方式為圓形，編織出橫截面為圓形或圓形組合的織物。

按編織紗線運(yùn)動方式的不同，三維編織技術(shù)可以分為角輪式三維編織和行列式三維編織。角輪式編織設(shè)備可以高速編織成形，而行列式編織設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、通用性好等。

按編織物成形長度，三維編織可分為連續(xù)編織和定長編織。連續(xù)編織是指編織紗線為連續(xù)喂給；定長編織是指編織紗線為固定長度。

3 三維編織工藝及設(shè)備

三維編織預(yù)制體作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能對最終復(fù)合材料的力學(xué)性能起著決定性作用。根據(jù)完成一個編織循環(huán)中攜紗器所需運(yùn)動的步數(shù)不同，三維編織工藝可分為四步法三維編織、二步法三維編織和多步法三維編織(異形結(jié)構(gòu))。

四步法三維編織也稱縱橫步進(jìn)式編織或行列式編織[2]，始于Florentine在1982其專利上所涉及的編織方法[3]。四步法三維編織工藝可用于矩形截面構(gòu)件(包括矩形及矩形組合構(gòu)件)和圓形截面構(gòu)件(包括圓管、錐套等構(gòu)件)。在四步法三維編織工藝中，攜紗器按照行和列的形式分布在編織機(jī)底盤上，預(yù)制件成形于上方，如圖1所示。所謂四步法即攜紗器的一個運(yùn)動循環(huán)分四步。在第一步中，相鄰行的攜紗器交替沿向左或向右移動一個攜紗器的位置。在第二步中，相鄰列的攜紗器交替地沿向上或向下的方向移動一個攜紗器的位置。第三步與第一步的運(yùn)動方向相反，第四步與第二步的運(yùn)動方向相反，由此完成一個循環(huán)。攜紗器不斷重復(fù)上述四個運(yùn)動步驟，再加上相應(yīng)的打緊操作和編織物輸出運(yùn)動，使編織紗線相互交織形成最終結(jié)構(gòu)。四步法三維編織工藝是目前最常用的一種三維編織工藝方法。此外，四步法三維編織具有多種運(yùn)動式樣，如1×1式樣、1×3式樣、3×1式樣等；第1個數(shù)字表示的是沿行方向每次攜紗器移動的紗線位置數(shù)，第2個數(shù)字表示的是沿列方向每次攜紗器移動的位置數(shù)。1×1式樣是最簡單、應(yīng)用最廣泛的四步法三維編織式樣[4]。

(a)初始狀態(tài)

(b)第一步

(c)第二步

(d)第三步

(e)第四步

與四步法三維編織工藝相比，二步法三維編織工藝發(fā)明的較晚，1987年P(guān)OPPER P和MC CONNELL R F才首次提出并進(jìn)行研究[5]。如圖2所示，該方法包含兩個紗線系統(tǒng)，一個紗線系統(tǒng)為黑色圓代表的軸紗，另一個紗線系統(tǒng)為編織紗。

在編織過程中，紗線排列按照編織構(gòu)件截面形狀排，軸紗不運(yùn)動，編織紗按一定的規(guī)律運(yùn)動，相互交織，從而形成不分層的三維整體結(jié)構(gòu)。圖2(a)為第一步運(yùn)動，編織紗線沿圖中箭頭方向運(yùn)動，相鄰紗線的運(yùn)動方向相反；圖2(b)為第二步運(yùn)動，運(yùn)動方向沿圖中箭頭所指方向運(yùn)動且相鄰紗線的運(yùn)動方向與之相反[6]。兩個機(jī)器運(yùn)動步驟為一個循環(huán)，重復(fù)編織的紗線相互交織形成織物。

(a)第一步

(b)第一步

多步法三維編織是針對異形構(gòu)件成形編織采用的方法，如T形、工字形、回形等。針對這種矩形組合的異形構(gòu)件，采用普通的四步法三維編織工藝不能進(jìn)行正常編織，在一個編織循環(huán)中經(jīng)過多步運(yùn)動(超過四步)，攜紗器的排列才恢復(fù)到初始位置。其實(shí)質(zhì)編織思路是將編織構(gòu)件拆分為有限的矩形編織單元，然后分組編織。以工字形為例，八步法編織工藝如圖3所示。第一步至第四步編織上下兩個矩形，第五步至第八步編織中間的矩形，經(jīng)過八步運(yùn)動之后，紗線排列恢復(fù)到初始位置，完成一個編織循環(huán)；重復(fù)此操作，工字梁即可編織成形。因此，橫截面越復(fù)雜，一個編織循環(huán)中的步數(shù)就越多。

圖3 八步法編織工藝示意圖

三維編織機(jī)分四步法三維編織機(jī)、二步法三維編織機(jī)和旋轉(zhuǎn)法編織機(jī)[7]。按編織機(jī)形狀可分為矩形三維編織機(jī)和圓形三維編織機(jī)。矩形三維編織機(jī)可用于編織矩形或矩形組合構(gòu)件，也可將方形編織組合起來用于圓管或錐套構(gòu)件編織；圓形三維編織機(jī)則只能用于圓形構(gòu)件的編織。20世紀(jì)80年代中期，美國航空航天局與美國多所大學(xué)聯(lián)合啟動了發(fā)展先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)計劃，其中就將三維編織的相關(guān)技術(shù)作為重點(diǎn)研究內(nèi)容[8]。美國大西洋公司研制出了一個攜紗器數(shù)量為64×194的縱橫步進(jìn)式四步法三維編織機(jī)，編織形式是1×1的定長編織。1989年北卡州立大學(xué)研制生產(chǎn)了四步法三維編織機(jī)，突出的優(yōu)勢是可以全自動連續(xù)喂紗，缺點(diǎn)是攜紗器的數(shù)量比較少[9]。1994年，美國Atlantic Research公司生產(chǎn)了一種圓形三維編織機(jī)，攜紗器數(shù)量可達(dá)1 4000個[10]。旋轉(zhuǎn)法編織機(jī)也可稱為角輪式編織機(jī)[11]，如圖4所示。其運(yùn)動方式與行列式編織機(jī)不同，紗錠安裝在角輪缺口處，由電機(jī)驅(qū)動角輪按一定規(guī)律轉(zhuǎn)動，同時帶動紗錠沿“8”字形軌跡運(yùn)動，紗線在一定牽引力作用下，相互交織形成三維整體織物。美國3TE公司、法國斯彼樂、德國Herzog公司、日本京都工蕓纖維大學(xué)、Albany公司等都成功開發(fā)了旋轉(zhuǎn)法三維編織機(jī)。

圖4 角輪式編織機(jī)

20世紀(jì)80年代末，國內(nèi)的多家研究院所及高校也相繼展開了對三維編織相關(guān)技術(shù)的研究，取得了相應(yīng)的成果。其中，天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所成功研制出了計算機(jī)控制的方形三維編織機(jī)，設(shè)備可掛4萬根紗線，是國內(nèi)目前最大、最先進(jìn)的編織設(shè)備，可編織多種形狀的預(yù)成形體，如工字梁、L形梁、T形梁等；江南大學(xué)、常州伯龍三維復(fù)合材料有限公司對三維蜂窩狀格柵編織物進(jìn)行了研究；西北工業(yè)大學(xué)對三維整體編織C/C復(fù)合材料進(jìn)行了研究；北京柏瑞鼎科技有限公司自主研發(fā)了新一代的三維編織預(yù)制件生產(chǎn)設(shè)備，在自動化生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)成本、預(yù)型件尺寸及性能穩(wěn)定性等方面具有較大優(yōu)勢；中國船舶重工集團(tuán)第十二研究所自主設(shè)計了三維編織機(jī)，可掛2萬根紗線，可生產(chǎn)輪船葉輪葉片。2017年東華大學(xué)聯(lián)合徐州恒輝編織機(jī)械有限公司研制了內(nèi)環(huán)錠子軌道立體編織機(jī)、端面錠子軌道三維立體編織機(jī)及7軸聯(lián)動機(jī)器人芯模牽引系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)自動編織，可編織出具有三維非正交結(jié)構(gòu)、空間立體形狀、變截面、變密度的大尺寸碳纖維等復(fù)合材料預(yù)成形體，最大編織截面450 mm×450 mm，最大半徑1 000 mm[12]。

4 三維編織復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

4.1 三維編織預(yù)制體具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計性

三維編織復(fù)合材料具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)可設(shè)計性。它的性能可以通過三維編織預(yù)制體編織結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計實(shí)現(xiàn)并提高。根據(jù)材料的最終使用性能要求以及形狀要求，通過設(shè)計合理的編織工藝，包括設(shè)計編織角(預(yù)制件中編織紗線與制件成形方向的夾角)、花節(jié)高度(編織紗線運(yùn)動一個完整的機(jī)器循環(huán)所形成的編織物長度)、改變紗線細(xì)度以及纖維體積分?jǐn)?shù)等工藝參數(shù)，從而改變復(fù)合材料各個方向上的性能。此外，還可以通過改變紗線的位置，在編織物某一方向上增加紗線，變換預(yù)制體的編織結(jié)構(gòu)等工藝設(shè)計，達(dá)到對三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能和其他性能的調(diào)節(jié)作用。目前，三維編織預(yù)制體結(jié)構(gòu)種類可大致分為三維四向、三維五向及全五向、三維六向、三維七向編織結(jié)構(gòu)等[13]。此外，不同的織物橫截面形狀需要設(shè)計相應(yīng)的紗線運(yùn)動式樣，采用不同的紗線運(yùn)動式樣編織出的織物細(xì)觀幾何形狀和力學(xué)性能也會不同。湯丹芬等研究了三維四步法1×3式樣和1×5式樣三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu)，假設(shè)紗線截面形狀為六邊形，建立了這兩種式樣的細(xì)觀單胞模型，預(yù)測了其拉伸、壓縮和剪切力學(xué)性能，其結(jié)果與試驗(yàn)值基本符合[14]。

4.2 三維編織預(yù)制體具有近凈成形性

可以直接一次性編織成不同形狀的異形整體預(yù)制件。采用三維編織技術(shù)不僅可以編織矩形預(yù)制件，還可以編織矩形組合截面的異形預(yù)制件，如工字梁、T形梁等，還可以編織圓管、圓錐套、噴管等變截面形狀的異形件。針對異形(變截面)構(gòu)件，可以采用三維編織增減紗工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的截面變化，通過分析計算，設(shè)計合理的增減紗單元數(shù)量及位置，在基本編織紗線數(shù)量確定的情況下，織物的內(nèi)環(huán)周長的大小決定了參與編織紗線的列數(shù)，織物的厚度決定了參與編織紗線的行數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)異形構(gòu)件的一次編織成形，達(dá)到最終制件的尺寸，無需再進(jìn)行機(jī)械加工，從而可避免由于加工而造成的纖維及紗線的損傷，大大提高復(fù)合材料制件的性能[15]。

4.3 可編織高性能纖維

近年來，隨著高性能纖維的不斷發(fā)展，在航空航天、建筑、船艦、汽車等領(lǐng)域使用高性能纖維的種類及頻率也越來越多，三維編織技術(shù)幾乎可以編織任何種類的纖維。目前用于三維編織預(yù)制件的纖維種類也已經(jīng)幾乎涵蓋了所有的高性能纖維，包括碳纖維、碳化硅纖維、超高分子量聚乙烯、氮化硅纖維、芳綸、石英纖維、玻璃纖維等，以滿足當(dāng)前高科技領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軓?fù)合材料的迫切需要。

4.4 具有比傳統(tǒng)復(fù)合材料更優(yōu)良的力學(xué)性能

4.4.1優(yōu)良的拉伸、彎曲、壓縮性能

三維編織物具有特殊的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，紗線在三維空間中沿多個方向延伸交織，由三維編織預(yù)制體增強(qiáng)的復(fù)合材料不存在“層”的問題，這種獨(dú)特的織物結(jié)構(gòu)決定了其復(fù)合材料具有比傳統(tǒng)復(fù)合材料更為優(yōu)異的力學(xué)性能。眾多研究者對三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能(拉伸、彎曲、壓縮、疲勞等)進(jìn)行了研究，結(jié)果都表明：三維編織復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，并且編織參數(shù)，如編織角、編織結(jié)構(gòu)、纖維體積分?jǐn)?shù)等對其復(fù)合材料的力學(xué)性能有較大的影響；在纖維體積分?jǐn)?shù)相近的情況下，三維編織復(fù)合材料的拉伸、彎曲、壓縮強(qiáng)度和模量要比層合復(fù)合材料高的多；在厚度方向上，碳化硅/陶瓷基三維編織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度近乎是碳化硅平面織物增強(qiáng)層合復(fù)合材料的6倍[16-19]。

4.4.2優(yōu)良的抗損傷性能

三維編織復(fù)合材料具有良好的抗損傷性能。打孔對其力學(xué)性能的影響不大，鉆孔后，三維編織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度僅損失10%左右，但層合復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度卻損失約50%[20]。孫慧玉等研究了三維編織復(fù)合材料中央鉆孔后的拉伸性能，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：三維編織復(fù)合材料的孔周圍應(yīng)力集中系數(shù)比層合復(fù)合材料以及金屬材料的都低[21]。

4.4.3優(yōu)良的抗沖擊和耐疲勞性能

三維編織復(fù)合材料特殊的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其在沖擊載荷作用下不易分層，因此具有良好的抗沖擊損傷容限特性和耐疲勞性能。ZHANG Y等研究了三維編織復(fù)合材料在低速和高速下的抗沖擊性能，最終發(fā)現(xiàn)：三維編織復(fù)合材料抗沖擊性強(qiáng)，在高速沖擊下能夠吸收的能量更多[22]。在相同的沖擊力作用下，與層合復(fù)合材料相比，三維編織復(fù)合材料的損傷面積要小的多[23]。劉麗敏研究了芳綸/碳混編三維編織環(huán)氧復(fù)合材料的沖擊后壓縮性能，結(jié)果顯示：三維五向結(jié)構(gòu)比三維六向結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度高，且編織紗為芳綸、軸紗為碳纖維的混編三維五向編織復(fù)合材料對低速沖擊損傷最不敏感，具有較高的沖擊損傷容限[24]。李嘉祿對三維編織復(fù)合材料的疲勞性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示：三維編織復(fù)合材料比金屬材料的疲勞強(qiáng)度相對值高，在拉伸疲勞性能測試100萬次以后，編織復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度仍高于靜載拉伸強(qiáng)度[25]。

5 三維編織復(fù)合材料的應(yīng)用

三維編織復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)不分層，結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強(qiáng)，比強(qiáng)度、比模量高，抗沖擊損傷容限高、抗疲勞性能好、對開孔不敏感等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合異形構(gòu)件的近凈整體成形，但其制作周期長、成本相對較高，目前其應(yīng)用也主要集中在航空航天等領(lǐng)域。

5.1 作為功能性結(jié)構(gòu)材料

三維編織復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)功能性材料已經(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；還有氮化硅纖維增強(qiáng)的導(dǎo)彈天線罩透波、剎車片耐磨損等功能性材料。三維編織復(fù)合材料可以用于一些特殊的結(jié)構(gòu)，如：大曲率機(jī)骨架、機(jī)翼、機(jī)蒙皮、機(jī)匣、飛機(jī)進(jìn)氣道等[26]。

5.2 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，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、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[27]。

5.3 作為人造生物結(jié)構(gòu)件

因?yàn)槿S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)，其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。

6 展望

三維編織復(fù)合材料憑借自身眾多優(yōu)異的性能，吸引著國內(nèi)外眾多學(xué)者的注意力，也正在國內(nèi)外許多高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用。目前三維編織復(fù)合材料并未普及應(yīng)用，商用、民用都很少，因此未來還需要從以下幾方面來努力。

(1)提升三維編織設(shè)備的自動化、智能化水平。目前國內(nèi)生產(chǎn)的三維編織預(yù)制體設(shè)備自動化程度很低，造成產(chǎn)品生產(chǎn)周期長，人工成本高，難以進(jìn)行規(guī)?；?、商業(yè)化生產(chǎn)。其次，現(xiàn)有的三維編織機(jī)產(chǎn)品適應(yīng)性較差，只能編織一定范圍尺寸或者某一特定形狀的產(chǎn)品。再次，由于產(chǎn)品生產(chǎn)過程中人工干預(yù)較多，造成產(chǎn)品質(zhì)量不一，均勻性較差。因此，未來需要國家以及眾多研究者投入更多的精力研制出自動化、智能化程度更高的三維編織機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造周期短、成本低、質(zhì)量穩(wěn)定、規(guī)?；纳a(chǎn)，使其應(yīng)用范圍更廣。

(2)加強(qiáng)三維編織工藝技術(shù)及性能的研究。目前三維編織工藝沒有統(tǒng)一、明確的設(shè)計方法，針對某一構(gòu)件的編織預(yù)制件，編織工藝需要在編織過程中進(jìn)行多次地調(diào)整，甚至是通過多次試驗(yàn)才能達(dá)到最終的性能要求。因此需要繼續(xù)完善三維編織理論體系，加強(qiáng)工藝及性能的研究，建立能夠真實(shí)表征細(xì)觀結(jié)構(gòu)的單胞模型，分析力學(xué)性能破壞機(jī)理，模擬預(yù)測其復(fù)合材料力學(xué)性能，建立有效的強(qiáng)度準(zhǔn)則。開發(fā)三維編織預(yù)制體產(chǎn)品設(shè)計的軟件，建立數(shù)據(jù)庫，解決產(chǎn)品設(shè)計中預(yù)計產(chǎn)品的力學(xué)性能和使用性能的問題。

(3)建立完善的三維編織預(yù)制件檢測標(biāo)準(zhǔn)。目前還沒有一個針對三維編織預(yù)制件產(chǎn)品，尤其是異形制件相對量化的檢測方法以及檢測標(biāo)準(zhǔn)等，這些都是未來涉及三維編織預(yù)制件制造的研究者所要努力的方向。