在航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?a href="http://29592.cn/sell/" target="_blank">復合材料新需求的推動下，從20世紀80年代起，三維紡織技術(shù)得到了迅速發(fā)展。采用三維紡織預成型體增強的復合材料，具有優(yōu)異的綜合力學性能、更高的損傷容限以及卓越的抗燒蝕性能，為復合材料應用于主承力結(jié)構(gòu)件和多功能結(jié)構(gòu)件提供了廣闊的前景。天津工業(yè)大學是國內(nèi)首家研制開發(fā)三維紡織技術(shù)的單位，擁有先進的技術(shù)裝備和核心技術(shù)，是目前國內(nèi)唯一具備材料設(shè)計、紡織預成型、樹脂基復合成型等全過程技術(shù)的先進紡織復合材料科研和生產(chǎn)單位，研發(fā)的產(chǎn)品廣泛應用于我國航空航天領(lǐng)域。

高性能復合材料輕質(zhì)、高強的特點可以有效減輕飛行器自身重量，使飛行器飛得更快、更遠，并提高飛行器防熱、透波、隱身等功能，對推進飛行器現(xiàn)代化起著十分關(guān)鍵的支撐作用。復合材料的用量已成為衡量各國飛行器先進水平的標志：空客A380采用了25%的復合材料，而波音B787飛機的復合材料用量已達到50%。“十一五”期間，高性能復合材料及復合結(jié)構(gòu)部件制備技術(shù)已作為我國新一代飛行器輕質(zhì)化、高性能化的關(guān)鍵技術(shù)而列入我國科技發(fā)展規(guī)劃，并亟待進一步提高。

三維紡織復合材料技術(shù)作為一種新型高性能復合材料結(jié)構(gòu)部件的制備技術(shù)，是將增強纖維編織成復合材料結(jié)構(gòu)件的近凈形三維整體織物（紡織預成型體），再采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）注入樹脂后復合固化形成高性能復合材料結(jié)構(gòu)件。由于采用了三維整體織物作為增強體，復合材料在厚度方向上獲得了增強，從而克服了傳統(tǒng)層合復合材料容易分層破壞的缺點，具有優(yōu)異的力學性能。隨著三維紡織技術(shù)的發(fā)展，不僅可以凈體制備形狀復雜、不同尺寸的異型構(gòu)件，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計，減少零配件數(shù)量，保證結(jié)構(gòu)的整體性，而且增強纖維在復合材料中呈空間多向分布，使復合材料的性能設(shè)計更具靈活性，實現(xiàn)了材料的“特定設(shè)計”。

       三維紡織技術(shù)

       紡織預成型體是復合材料的結(jié)構(gòu)增強骨架，它的作用類似于建筑物中的鋼結(jié)構(gòu)框架。在復合材料結(jié)構(gòu)成型之前，利用紡織技術(shù)將增強纖維定位分布，形成二維(2D)或三維(3D)的織物與結(jié)構(gòu)。與二維紡織預成型體相比，三維紡織預成型體內(nèi)纖維在三維方向上相互交織，形成一個整體的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而從結(jié)構(gòu)上強化了復合材料，并顯著提高了復合材料的性能。采用三維織物增強的樹脂基復合材料的沖擊損傷面積是二維織物層合復合材料的1/10；三維織物增強的碳基復合材料的拉伸強度是純石墨材料的5～8倍；三維織物增強的陶瓷基復合材料的彎曲強度是二維織物層合復合材料的1.5倍。由于三維紡織預成型體在復合材料制造中的重要性，1985年由美國航空航天局（NASA）實施了先進復合材料技術(shù)（ACT）發(fā)展計劃，大力發(fā)展了多種三維紡織技術(shù)以及樹脂傳遞模塑工藝（RTM）,以制造少（無）連接、大型、復雜、整體結(jié)構(gòu)的復合材料制件，形成了復合材料結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)。

       用于復合材料預成型體制備的三維紡織技術(shù)主要包括三維編織技術(shù)、三維機織技術(shù)和三維針織技術(shù)等。

1 三維編織技術(shù)

三維編織技術(shù)源于Florentine在1982年提出的“Magnaweave”編織方法。即每一根編織紗線由一個攜紗器單獨控制，攜紗器按一定的規(guī)律運動，使編織紗線在三維空間內(nèi)相互交織交叉，形成具有一定形狀和尺寸的整體預成型體?；镜娜S編織工藝制備的預成型體內(nèi)有4種空間傾斜分布的編織紗線，我們稱之為三維四向編織結(jié)構(gòu)。在編織過程中，可根據(jù)需要分別在長度、寬度和厚度方向上加入伸直的紗線，這樣就可以形成三維五向、三維六向和三維七向編織結(jié)構(gòu)。此外，三維編織過程中可通過改變攜紗器的排列形狀和增減編織紗線的數(shù)量等工藝方法，靈活地編織出各種形狀的預成型體。

1994年，美國Atlantic Research公司研制的圓型三維編織機可掛14000根紗線；1996年，天津工業(yè)大學研制的計算機控制的方型三維編織機可掛4萬根紗線，是國內(nèi)目前最大、最先進的編織設(shè)備，可編織工字梁、T形梁、L形梁等多種形狀的預成型體。此外，由于一臺編織機所能編織的預成型體的幾何尺寸具有一定的局限性，為此，天津工業(yè)大學成功研制了組合式三維編織機，標準化的編織單元可以靈活的進行組合，以滿足不同形狀和尺寸制件的編織需要。

2 三維機織技術(shù)

三維機織技術(shù)利用多層經(jīng)紗織造方法，將若干經(jīng)紗和緯紗層相互接結(jié)而形成具有一定厚度的三維整體預成型體。其中，采用分層接結(jié)的方法，將各相鄰紗線層進行接結(jié)，稱為層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，也稱2.5D機織結(jié)構(gòu)；采用接結(jié)紗傾斜貫穿整個厚度的方法，將全部紗線層進行接結(jié)，稱為貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)；采用一組紗線垂直貫穿整個厚度的方法，將全部紗線層進行接結(jié)，稱為正交接結(jié)結(jié)構(gòu)。三維機織預成型體中僅含有經(jīng)向和緯向紗線，非常適合織造具有一定厚度的寬幅織物。天津工業(yè)大學對三維機織設(shè)備進行了全面的改造和升級，經(jīng)過改造后的織機可以織造圓型和異型預成型體，最大厚度可達50mm。
 

       3 三維針織技術(shù)

三維針織技術(shù)是利用針織線圈將若干層平行伸直的襯墊紗捆綁在一起，形成具有一定厚度的三維整體預成型體。天津工業(yè)大學已成功研制出了一臺雙軸向緯編織物織造設(shè)備，如圖1所示，織物幅寬達到2.7m。雙軸向緯編織物采用雙面羅紋組織結(jié)構(gòu)來捆綁多至5層的襯緯襯經(jīng)紗，適于玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維的織造加工，該織物具有極優(yōu)越的沖壓成型能力。在深度沖壓下，織物變形均勻，不起折皺，非常適合異型曲面制件的變形成型加工。

圖1 先進的雙軸向緯編織物設(shè)備
 

       在ACT計劃的推動下，美國的許多大學，如Delaware大學、Drexel大學、North Carolina State大學、Auburn大學等都開展了對于三維紡織預成型技術(shù)的研究。美國的大西洋公司、波音公司分別耗資數(shù)千萬美元制造了大型三維編織機，3TEX公司研制了多梭口三維機織設(shè)備，該設(shè)備直接為美國航天航空部門服務。與此同時，俄羅斯、德國、日本等國家也都積極開展了三維紡織技術(shù)的研究。日本Tsuzuki公司研制的一種角輪式三維編織機，攜紗器由角輪傳動，角輪的運動由計算機控制，具有較高的編織速度，可連續(xù)織造截面為T形、I形、矩形，實體圓形及半圓型的制件。德國LIBA公司研制的多軸向縫編機可平行鋪放6層或6層以上的紗線，這些紗線由縫編紗捆綁在一起，形成具有一定厚度的織物。

      為了滿足我國航空航天等領(lǐng)域研制高性能復合材料的需求，1989年天津工業(yè)大學在國內(nèi)率先開展了三維紡織技術(shù)的研究工作。經(jīng)過十幾年的自主創(chuàng)新，在以下技術(shù)領(lǐng)域取得了突破：

    （1）異型結(jié)構(gòu)部件三維凈體編織成型工藝技術(shù)及裝備； 
    （2）圓型/異型2.5D機織成型工藝技術(shù)及裝備；
    （3）雙/多軸向緯編工藝技術(shù)及裝備；
    （4）多維編織工藝計算機輔助設(shè)計技術(shù)；
    （5）先進紡織復合材料虛擬設(shè)計與制造?！?/div>