我國三維編織復(fù)合材料研究起步較晚，與歐美等發(fā)達國家相比，國內(nèi)三維編織復(fù)合材料在理論研究、試驗研究、結(jié)構(gòu)參數(shù)、檢測技術(shù)等方面較為滯后，因此目前我國三維編織復(fù)合材料商業(yè)應(yīng)用仍較少。

三維編織復(fù)合材料是工程界熱門研究方向之一，在國內(nèi)，從事研究和生產(chǎn)三維編織復(fù)合材料的機構(gòu)和企業(yè)有中國紡織科學(xué)研究院有限公司、北京柏瑞鼎科技有限公司、天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究院、云路復(fù)合材料(上海）有限公司等。

碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維為增強相的碳基復(fù)合材料，是目前極少數(shù)可以在2000℃以上保持較高力學(xué)性能的材料，它具有低比重、高比強、高比模、低熱膨脹系數(shù)、耐熱沖擊以及耐燒蝕等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、光伏等領(lǐng)域。

碳纖維預(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。現(xiàn)在主流的碳/碳復(fù)材預(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。鑒于三維編織尚未在國內(nèi)碳/碳復(fù)材行業(yè)得到普及和商用，下文將淺論它在該行業(yè)的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

飛機著陸時速度很快，需要依靠反推裝置和剎車裝置吸收由此產(chǎn)生的巨大能量，使機身靜止下來。剎車盤在摩擦過程中，把動能轉(zhuǎn)化為熱能，其工作溫度最高可達1600℃。這使得剎車盤成為飛機剎車系統(tǒng)的關(guān)鍵部件、碳/碳復(fù)合材料最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，世界上有60余種型號的飛機使用碳/碳復(fù)材飛機剎車盤，其用量約占碳/碳復(fù)材年消耗量的60%。

因為成本低、工藝適應(yīng)性好及力學(xué)性能優(yōu)異等特點，針刺技術(shù)被大量用于制作碳/碳復(fù)材飛機剎車盤的預(yù)制體，并占有主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)地位。然而隨著行業(yè)要求的提高，針刺預(yù)制體因其缺陷而越來越跟不上市場需求。

碳纖維模量較高，抱合力較差，在針刺過程中容易損傷，所以很多針刺預(yù)制體采用預(yù)氧化纖維（即由碳纖維原絲在張力作用下于空氣中加熱預(yù)氧化后得到的中間產(chǎn)品）。可是，采用預(yù)氧化纖維的預(yù)制體完成后，首先需要進行碳化工藝，將預(yù)氧化纖維轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維，然后進行致密化工藝。在此過程中，纖維很容易收縮，可能導(dǎo)致嚴(yán)重分層和變形，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易加工的制品。研究表明，通常質(zhì)量損失約50%，體積收縮約15%。因此，傳統(tǒng)工藝過于復(fù)雜，也很難在編織的同時最大程度保留碳纖維的性能。

相比之下，三維編織復(fù)合材料克服了傳統(tǒng)工藝的缺點，即受力后容易分層的問題。三維編織復(fù)合材料是利用三維編織機首先將碳纖維等高性能纖維織造成三維整體織物，再和基體（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。與層合復(fù)合材料相比，三維編織復(fù)合材料具有完全整體、不分層的結(jié)構(gòu)以及良好的綜合力學(xué)性能，適合制造結(jié)構(gòu)制件和高功能制件。

在我國，飛機剎車盤的預(yù)制體品種單一，仍以針刺預(yù)制體為主，缺乏對于新型的三維編織和各種異形編織預(yù)制體的研產(chǎn)；在成型異形件方面，國外所做的旋轉(zhuǎn)體預(yù)制體最大外徑達到2600mm，遠大于國內(nèi)的1200mm；國外自動化程度高，制品性能穩(wěn)定，而國內(nèi)至今大多采用手工鋪層針刺，效率低。所以，研發(fā)三維編織技術(shù)和三維編織復(fù)合材料對我國發(fā)展新材料具有重要意義。

傳統(tǒng)的石墨熱場系統(tǒng)產(chǎn)品成本高、供貨周期長、依賴進口，阻礙了光伏行業(yè)降成本、擴規(guī)模的發(fā)展進程。

2005-2015年，國內(nèi)光伏行業(yè)開始嘗試新材料、新工藝。在該階段，碳/碳復(fù)合材料為光伏行業(yè)實現(xiàn)單晶硅拉制爐增大投料量、提高拉速、降低能耗等工藝提供了新型熱場設(shè)計與材料保障，推動了光伏行業(yè)的降本增效、技術(shù)進步。

2016年之后，隨著下游晶硅制造行業(yè)向大尺寸、高拉速和高品質(zhì)方向的發(fā)展，碳/碳復(fù)合材料的高安全性、高純度和可設(shè)計等方面的技術(shù)優(yōu)勢越來越明顯，逐漸成為市場需求主導(dǎo)，其產(chǎn)品在高溫?zé)釄鱿到y(tǒng)應(yīng)用中，也開始向大尺寸的方向發(fā)展。

在國家“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的指引下，用于單晶硅生產(chǎn)的碳/碳復(fù)合材料坩堝和配套導(dǎo)流筒、保溫筒等熱場產(chǎn)品需求量呈爆發(fā)式增長，尤其是大尺寸坩堝市場前景廣闊。

然而，這些產(chǎn)品的碳纖維預(yù)制體仍然主要采用傳統(tǒng)的針刺技術(shù)制成。另一方面，大直徑、形狀復(fù)雜部件的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計與高性能、低成本的碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品制造整體技術(shù)具有較高的技術(shù)門檻。

三維編織技術(shù)的發(fā)展解決了這些行業(yè)痛點，它可以實現(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，在改進層間強度、損傷容限和熱應(yīng)力失配等方面發(fā)揮作用。

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。

目前，三維編織技術(shù)適用于各種大尺寸異形結(jié)構(gòu)件的織造，采用編織-拉擠-纏繞一體化自動化成型工藝，可以一次性整體編織成型。同時，三維編織技術(shù)減少了工藝環(huán)節(jié)和生產(chǎn)周期，極大降低了碳纖維預(yù)制體的生產(chǎn)成本，將成為低成本碳/碳復(fù)合材料很重要的一個發(fā)展領(lǐng)域。

當(dāng)前，碳/碳復(fù)合材料是國家重點扶持的行業(yè)之一，要求積極開發(fā)新型超大規(guī)格、特殊結(jié)構(gòu)材料的一體化制備工藝，推進高性能復(fù)合材料生產(chǎn)制備低成本化、產(chǎn)品品種多樣化和裝備設(shè)計自主化。另一方面，根據(jù)《當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域指南》《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年本）》《民用航空工業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃(2013-2020年)》等政策，飛機剎車系統(tǒng)屬于國家優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料是重點發(fā)展的關(guān)鍵材料。