3.2航空航天
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、衛(wèi)星等航空航天飛行器上廣泛使用，如：火箭發(fā)動機噴管、密封調(diào)節(jié)片、衛(wèi)星桁架、燃燒室內(nèi)襯、導(dǎo)彈頭錐以及飛機發(fā)動機風(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。
圖16 三維編織復(fù)材飛機上的應(yīng)用
3.2.2作為承力、連接結(jié)構(gòu)件
圖17 多通接頭圖片
三維編織預(yù)制體結(jié)構(gòu)具有整體性、不分層的特點，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、飛機起落架、螺旋槳、大曲率機骨架、機翼、飛機蒙皮、飛機進氣道、航空發(fā)動機機匣等；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。 三維編織預(yù)制體結(jié)構(gòu)具有整體性、不分層的特點，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、汽車傳動軸等。 將CFRP制成中空封閉截面結(jié)構(gòu)，是這一新興輕量化材料的重要發(fā)展方向之一。目前，常見的CFRP中空封閉截面結(jié)構(gòu)的預(yù)成型方法有拉擠成形法、卷管成形法、纏繞成形法、三維編織成形法等幾類。前三種方法由于工藝條件所限，存在成形結(jié)構(gòu)簡單、制造周期長、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差等問題，難以滿足汽車大批量生產(chǎn)的要求。而三維編織成型法是一種在芯模表面上直接編織成三維結(jié)構(gòu)的預(yù)成形工藝，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計性好、集成度和成形效率高等優(yōu)點，可實現(xiàn)中空封閉截面結(jié)構(gòu)一體編織成型，適用于中空梁類零部件，如頂蓋橫梁、上邊梁、門檻梁等，并已在寶馬新7系車型中成功量產(chǎn)應(yīng)用。
圖18 三維編織CFRP車頂橫梁樣件
3.4建筑領(lǐng)域
由斯圖加特大學(xué)的兩個研究所設(shè)計，即計算設(shè)計與建筑研究所（ICD）和建筑結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究所（ITKE）。批量生產(chǎn)在 FibR GmbH 公司進行。演示的目的是展示網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)計和制造過程如何充分利用新型復(fù)合材料建筑系統(tǒng)來優(yōu)化結(jié)構(gòu)的材料效率。此外，這也是首次通過建筑主管部門的授權(quán)程序；在一年內(nèi)獲得了 "個案批準(zhǔn)"。展亭的底座直徑為 23 米，最大高度為 7 米，單位建筑面積重量僅為 7.6 千克/平方米。
圖19 BUGA展亭
新型 BUGA 建筑系統(tǒng)的一個關(guān)鍵要素是無芯三維編織復(fù)合材料組件。它改進了框架與復(fù)合材料組件之間的解耦，并提高了框架的適應(yīng)性。因此，可在制造迭代之間調(diào)整組件的長度，并設(shè)置法蘭的角度。這樣，BUGA 展亭使用的建筑系統(tǒng)就有了六種不同的配置。該建筑系統(tǒng)的每個組件都呈雙曲面形狀。纖維網(wǎng)形成了一個管狀貝殼狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，其橢圓形橫截面可通過纖維合成法進行調(diào)整。3.4.2 CFRTP中空管材
熱塑性CFRTP推廣相對較緩，主要是因為熔融的熱塑性樹脂粘度較高，比較難以浸潤到碳纖維之間。但隨著近幾年可將碳纖維和熱塑性樹脂薄膜通過層壓加熱方式，提高熱塑性樹脂浸潤碳纖維的能力，使得熱塑CFRTP板材和帶狀板材得以發(fā)展。而三維編織技術(shù)，可使纖維相互交錯制造中空管材。具體制作程序為：使用CFRTP單向預(yù)浸帶，通過編織成型制造中空管材，再將編織成型的中空管材加熱，使之熔融，施加壓力的同時進行冷卻，最終成型中空管材。此外，因為使用了熱塑性樹脂，使其加工的管材更具多樣性，比如加熱后可以根據(jù)用途改變形狀，并可接合且無需粘結(jié)劑。
圖20 CFRTP中空管材
國際上，英國Courtaulds公司，日本島精公司提出了“全成衣”的概念， 并推出了四針床電腦橫機，德國STOLL公司也推出了“織可穿”概念，現(xiàn)已可以完全實現(xiàn)一次性無需縫合全成形服裝的生產(chǎn)。 國內(nèi)，孟海濤結(jié)合人體工學(xué)設(shè)計，構(gòu)建了人體對應(yīng)部位的數(shù)據(jù)模型，并且根據(jù)產(chǎn)品的功能性要求，進行了原料的選擇和組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計，開發(fā)出了一款全成形針織護腰；傅雯雯研究了凹凸組織結(jié)構(gòu)對于表面摩擦性能的影響，利用電腦橫機完成了全成形防滑手套的設(shè)計，并對幾種組織結(jié)構(gòu)的透氣、耐磨、頂破性能進行了測試。體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用，體育產(chǎn)業(yè)傳統(tǒng)材料木材已經(jīng)被FRPC材料和碳纖維取代，然后通過三維編織成自行車車架、網(wǎng)球拍、曲棍球棒，以減輕重量。
圖21 體育休閑應(yīng)用
3.6生物醫(yī)療
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，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。根據(jù)《Nature》雜志的一篇研究，組織工程旨在通過植入細(xì)胞、生物材料支架和生物活性分子的組合來修復(fù)或再生組織。快速恢復(fù)組織的生物力學(xué)功能仍然是一項重要挑戰(zhàn)，這就強調(diào)了利用新型支架設(shè)計復(fù)制結(jié)構(gòu)和機械特性的必要性。在此，此研究提出了一種微尺度三維編織技術(shù)，以生成各向異性的三維編織結(jié)構(gòu)，作為新型復(fù)合支架的基礎(chǔ)。通過壓縮、拉伸和剪切測試，復(fù)合支架顯示出與原生關(guān)節(jié)軟骨相同數(shù)量級的機械性能。此外，研究結(jié)果表明，多孔復(fù)合材料支架的初始特性可以再現(xiàn)原生關(guān)節(jié)軟骨的各向異性、粘彈性和拉伸-壓縮非線性。這種支架獨特地結(jié)合了體內(nèi)植入后立即承重的潛力和細(xì)胞組織再生的生物支持，而無需體外培養(yǎng)。
圖22 人造支架模擬圖
3.6.2三維可拉伸熱電織物
中國科學(xué)家研制出的首款具有仿生三維架構(gòu)的電子皮膚。該電子皮膚由清華大學(xué)航天航空學(xué)院和柔性電子技術(shù)實驗室的張一慧教授課題組研制，能在物理層面實現(xiàn)對壓力、摩擦力和應(yīng)變?nèi)N力學(xué)信號的同步解碼和感知。這種電子皮膚的設(shè)計模仿了人類皮膚的結(jié)構(gòu)，包含“表皮”、“真皮”和“皮下組織”，其傳感器和電路的分布類似于人體皮膚中的觸覺感受細(xì)胞。該成果已發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，并可能在醫(yī)療機器人、生物檢測、生物醫(yī)療和人機交互等多個領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。
圖23 具有三維架構(gòu)的電子皮膚：仿生設(shè)計概念及真實器件圖片
(A. 電子皮膚的仿生設(shè)計概念；B. 貼于機械手指尖的電子皮膚；C-G. 電子皮膚的照片、力傳感單元與應(yīng)變傳感器局部放大圖及應(yīng)變柵線與過孔局部顯微放大圖片。)4 三維編織工藝未來展望
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。 隨著三維織物在樹脂、陶瓷和金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用的不斷拓展，三維織物的外形結(jié)構(gòu)和成型方式也變得越發(fā)復(fù)雜?？傊?，三維織物成型工藝的研發(fā)應(yīng)綜合考慮幾何尺寸、復(fù)合工藝、產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率等因素。今后，可從以下方面對三維織物成型工藝展開深層次研究： (1)研發(fā)更為簡單便捷的新型三維織物成型工藝，或針對產(chǎn)品需求采取組合工藝，簡化復(fù)雜產(chǎn)品的成型工藝。 (2) 研發(fā)適用性強且自動化、智能化程度高的裝備，實現(xiàn)三維織物低成本的工程化制備 [1]李政寧,陳革,Frank Ko.三維編織工藝及機械的研究現(xiàn)狀與趨勢[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2018(05):109-115. [2]荊云娟,韋鑫,張元,等.三維編織復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].棉紡織技術(shù),2019,47(11):79-84. [3]熊紹海,袁翔,江嘉吉.三維編織復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].直升機技術(shù),2020(01):50-56.此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。