三維紡織技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軓?fù)合材料需求的推動下，從20世紀(jì)80年月起，三維紡織技術(shù)得到了快速進展。承受三維紡織預(yù)成型體增加的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、更高的損傷容限以及卓越的抗燒蝕性能，為復(fù)合材料應(yīng)用于主承力構(gòu)造件和多功能構(gòu)造件供給了寬闊的前景。天津工業(yè)大學(xué)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(yù)成型、樹脂基復(fù)合成型等全過程技術(shù)的先進紡織復(fù)合材料科研和生產(chǎn)單位，研發(fā)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于我國航空航天領(lǐng)域。 高性能復(fù)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，對推動飛行器現(xiàn)代化起著格外關(guān)鍵的支撐作用。復(fù)合材料的用量已成為衡量各國飛行器先進水平的標(biāo)志：空客A380承受了25%的復(fù)合材料，而波音B787飛機的復(fù)合材料用量已到達50%?！笆晃濉逼陂g，高性能復(fù)合材料及復(fù)合構(gòu)造部件制備技術(shù)已作為我國一代飛行器輕質(zhì)化、高性能化的關(guān)鍵技術(shù)而列入我國科技進展規(guī)劃，并亟待進一步提高。三維紡織復(fù)合材料技術(shù)作為一種型高性能復(fù)合材料構(gòu)造部件的制備技術(shù)，是將增加纖維編織成復(fù)合材料構(gòu)造件的近凈形三維整體織物〔紡織預(yù)成型體〕，再承受樹脂傳遞模塑工藝〔RTM〕注入樹脂后復(fù)合固化形成高性能復(fù)合材料構(gòu)造件。由于承受了三維整體織物作為增加體，復(fù)合材料在厚度方向上獲得了增加，從而抑制了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料簡潔分層破壞的缺點，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。隨著三維紡織技術(shù)的進展，不僅可以凈體制備外形簡單、不同尺寸的異型構(gòu)件，實現(xiàn)構(gòu)造的一體化設(shè)計，削減零配件數(shù)量，保證構(gòu)造的整體性，而且增加纖維在復(fù)合材料中呈空間多向分布，使復(fù)合材料的性能設(shè)計更具敏捷性，實現(xiàn)了材料的“特定設(shè)計”。三維紡織技術(shù)紡織預(yù)成型體是復(fù)合材料的構(gòu)造增加骨架，它的作用類似于建筑物中的鋼構(gòu)造框架。在復(fù)合材料構(gòu)造成型之前，利用紡織技術(shù)將增加纖維定位分布，形成二維(2D)或三維(3D)的織物與構(gòu)造。與二維紡織預(yù)成型體相比，三維紡織預(yù)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)狀構(gòu)造，因而從構(gòu)造上強化了復(fù)合材料，并顯著提高了復(fù)合材料的性能。承受三維織物增加的樹脂基復(fù)合材料的沖擊損傷面積是二維織物層合復(fù)合材料的1/10；三維織物增加的碳基復(fù)合材料的拉伸5～81.51985天局〔NASA〕實施了先進復(fù)合材料技術(shù)〔ACT〕進展打算，大力進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、簡單、整體構(gòu)造的復(fù)合材料制件，形成了復(fù)合材料構(gòu)造一體化技術(shù)。用于復(fù)合材料預(yù)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。三維編織技術(shù)三維編織技術(shù)源于Florentine1982“Magnaweave”編織方法。即每一根編織紗線由一個攜紗器單獨掌握，攜紗器按肯定的規(guī)律運動，使編織紗線在三維空間內(nèi)相互交織穿插，形成具有肯定外形和尺寸的整體預(yù)成型體。根本的三維編織工藝制備的預(yù)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構(gòu)造。在編織過程中，可依據(jù)需要分別在長度、寬度和厚度方向上參加伸直的紗線，這樣就可以形成三維五向、三維六向和三維七向編織構(gòu)造。此外，三維編織過程中可通過轉(zhuǎn)變攜紗器的排列外形和增減編織紗線的數(shù)量等工藝方法，敏捷地編織出各種外形的預(yù)成型體。1994年，美國AtlanticResearch140001996年，天津工業(yè)大學(xué)研制的計算機掌握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、TL機所能編織的預(yù)成型體的幾何尺寸具有肯定的局限性，為此，天津工業(yè)大學(xué)成功研制了組合式三維編織機，標(biāo)準(zhǔn)化的編織單元可以敏捷的進展組合，以滿足不同外形和尺寸制件的編織需要。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，將假設(shè)干經(jīng)紗和緯紗層相互接結(jié)而形成具有肯定厚度的三維整體預(yù)成型體。其中，承受分層接結(jié)的方法，將各相鄰紗線層進展接結(jié)，稱為層層角聯(lián)鎖構(gòu)造，也稱2.5D機織構(gòu)造；承受接結(jié)紗傾斜貫穿整個厚度的方法，將全部紗線層進展接結(jié)，稱為貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)；承受一組紗線垂直貫穿整個厚度的方法，將全部紗線層進展接結(jié)，稱為正交接結(jié)構(gòu)造。三維機織預(yù)成型體中僅含有經(jīng)向和緯向紗線，格外適合織造具有肯定厚度的寬幅織物。天津工業(yè)大學(xué)對三維機織設(shè)備進展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(yù)成型50mm。三維針織技術(shù)三維針織技術(shù)是利用針織線圈將假設(shè)干層平行伸直的襯墊紗捆綁在一起，形成具有肯定厚度的三維整體預(yù)成型體。天津工業(yè)大學(xué)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，織物幅寬到達2.7m。雙軸向緯編織物承受雙面羅紋組織構(gòu)造來捆綁多至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)越的沖壓成型力量。在深度沖壓下，織物變形均勻，不起折皺，格外適合異型曲面制件的變形成型加工。1先進的雙軸向緯編織物設(shè)備ACTDelawareDrexelNorthCarolinaState大學(xué)、Auburn大學(xué)等都開展了對于三維紡織預(yù)成型技術(shù)的爭論。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效勞。與此同時，俄羅斯、德國、日本等國家也都樂觀開展了三維紡織技術(shù)的爭論。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掌握，具有較高的編織速度，可連續(xù)織造截面為TI圓形及半圓型的制件。德國LIBA66線，這些紗線由縫編紗捆綁在一起，形成具有肯定厚度的織物。為了滿足我國航空航天等領(lǐng)域研制高性能復(fù)合材料的需求，1989開展了三維紡織技術(shù)的爭論工作。經(jīng)過十幾年的自主創(chuàng)，在以下技術(shù)領(lǐng)域取得了突破：異型構(gòu)造部件三維凈體編織成型工藝技術(shù)及裝備；圓型/2.5D〔3〕雙/多軸向緯編工藝技術(shù)及裝備；多維編織工藝計算機關(guān)心設(shè)計技術(shù)；先進紡織復(fù)合材料虛擬設(shè)計與制造。樹脂傳遞模塑工藝〔RTM〕RTM1940年月的MacroMacro浸漬過程。該工藝與手糊工藝相比，由于具有可生產(chǎn)雙面光滑產(chǎn)品、樹脂的注射壓力適中的優(yōu)點，得到了肯定的發(fā) 展。美國海軍承受該工藝開發(fā)了大型玻璃纖維增加塑料船體。70年月，隨著對汽車構(gòu)造件和高性能體育用品等的開發(fā)，RTM工藝因其本錢低、可設(shè)計性強、產(chǎn)品尺寸精度高、外表質(zhì)量好，以及低工藝污染、環(huán)保等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用。進入80年月，美國NASA開展了RTM90年月美國LockheedMartin司已經(jīng)把RTM技術(shù)應(yīng)用到F/A-22的構(gòu)造件上，通過構(gòu)造一體化設(shè)計，大大削減了零部件數(shù)量，降低了制造本錢。因而，RTM種低本錢、高質(zhì)量的復(fù)合材料成型技術(shù)在航空航天領(lǐng)域得到了快速的進展。RTM工藝的關(guān)鍵技術(shù)主要包括模具設(shè)計技術(shù)和RTM注膠掌握技術(shù)等。對于不同的零部件，RTM模具可分為單面模具和雙面模具。天津工業(yè)大學(xué)開發(fā)的雙面模具設(shè)計和制造技術(shù)，可保證復(fù)合材料制件的幾何尺寸精度，從而實現(xiàn)簡單外形零部件的凈尺寸制造；研制的恒壓高溫RTM設(shè)備承受恒定壓力輸送樹脂，最高注射溫度可達300℃，注射壓力可達2MPa，可滿足高性能樹脂高溫注膠。三維紡織預(yù)成型技術(shù)是一種先進的纖維預(yù)成型技術(shù)，承受這種技術(shù)將纖維織造成具有肯定厚度和肯定外形的纖維預(yù)成型體，使RTM工藝中的纖維鋪層更簡化、高效，同時可保證預(yù)成型體內(nèi)纖維的連續(xù)性和整體性，顯著提高復(fù)合材料制件的力學(xué)性能。三維紡織復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用案例以三維紡織預(yù)成型體為增加骨架的先進紡織復(fù)合材料是一個不分層的整體構(gòu)造，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和功能性能，它使得承受復(fù)合材料制作主承力構(gòu)造件和多功能制件成為可能。此外，三維紡織預(yù)成型技術(shù)還具有卓越的異型構(gòu)件仿形編織成型力量。22.5D35mm，用于陶瓷基復(fù)合材料的增加骨架。22.5D335mm300mm,高度600mm。編織成型過程中，承受均勻截面編織技術(shù)，實現(xiàn)了制件橫截面的變化，同時保證了制件各部位編織密度和纖維體積含量均勻，用于防熱構(gòu)件的增加骨架。3三維編織截錐預(yù)成型體圖4為雙軸向緯編織物增加的復(fù)合材料頭盔。該產(chǎn)品承受一層雙軸向緯編織物一次變形鋪敷成型，不需要裁剪，與RTM技術(shù)結(jié)合制成凈尺寸的頭盔，具有精度高、性能好、工藝簡潔、本錢低等特點。4RTM成型的復(fù)合材料