三維紡織復(fù)合材料是高新技術(shù)領(lǐng)域高端裝備研制的關(guān)鍵材料，近年來取到了迅速的發(fā)展。該類材料采用三維立體織物作為增強(qiáng)體，貫穿空間各個方向的編織纖維提供了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，顯著提高了材料厚度方向的強(qiáng)度和抗沖擊損傷的性能，是高性能復(fù)合材料發(fā)展的前沿方向。

三維立體織物預(yù)制體是高性能復(fù)合材料的關(guān)鍵增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料。相繼發(fā)展的多種三維立體織物預(yù)成型技術(shù)，如三維編織、三維機(jī)織、多軸向針織等技術(shù)，為三維紡織復(fù)合材料提供了多樣化的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式和大范圍可調(diào)節(jié)的纖維取向分布，可以實(shí)現(xiàn)材料性能的裁剪設(shè)計(jì)和復(fù)雜構(gòu)件的近凈成型。

三維機(jī)織預(yù)制體是三維紡織復(fù)合材料中應(yīng)用最為廣泛的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)，具有不分層、耐疲勞、抗沖擊等優(yōu)異的性能，以及高效制造、可設(shè)計(jì)性、仿形編織等優(yōu)點(diǎn)。以三維機(jī)織預(yù)制體為增強(qiáng)體的高性能復(fù)合材料已在航空航天、交通運(yùn)輸、海洋船舶等工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

三維機(jī)織工藝是在傳統(tǒng)二維機(jī)織工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高新紡織技術(shù)。傳統(tǒng)二維機(jī)織工藝是由一層經(jīng)紗和一層緯紗相互交織而形成織物，如圖1所示。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的三維機(jī)織工藝是將多層經(jīng)紗和緯紗交織在一起，形成一個整體不分層的三維織物，如圖2所示。三維機(jī)織工藝主要有正交三向、層間聯(lián)鎖機(jī)織、多層多向機(jī)織等。

圖1 二維機(jī)織物

圖2 三維機(jī)織物

1.1 正交三向機(jī)織工藝

正交三向機(jī)織工藝是由經(jīng)紗、緯紗和接結(jié)紗三個紗線系統(tǒng)相互交織，多層經(jīng)紗沿織物長度方向排列，接結(jié)紗（法向紗）交錯排列在經(jīng)紗層的上下表層間隙，在經(jīng)紗間隙引入緯紗，法向接結(jié)紗交叉貫穿全部經(jīng)緯紗層將多層襯經(jīng)紗和緯紗捆綁在一起，形成整體不分層的三維織物，如圖3所示。正交三向織物中三組紗線相互垂直，呈伸直狀態(tài)，有利于紗線強(qiáng)度的充分發(fā)揮。

圖3 正交三向機(jī)織工藝：（a）織造方法；（c）正交三向織物結(jié)構(gòu)

1.2 層間聯(lián)鎖機(jī)織工藝

層間聯(lián)鎖機(jī)織工藝是由經(jīng)紗和緯紗系統(tǒng)兩個紗線系統(tǒng)相互交織，多層經(jīng)紗沿織物長度方向排列，在經(jīng)紗間隙中引入緯紗，多層經(jīng)紗按一定的規(guī)律相互交錯兩層或多層位置，將緯紗捆綁在一起，形成整體不分層的三維織物，如圖4所示?？椢锩鎯?nèi)經(jīng)紗和緯紗的取向相互垂直，厚度方向由經(jīng)紗彎曲聯(lián)鎖兩層或多層緯紗。層間聯(lián)鎖機(jī)織工藝中可以增加伸直的襯經(jīng)紗和襯緯紗系統(tǒng)，以提高織物經(jīng)向或緯向的性能。

圖4 角聯(lián)鎖機(jī)織工藝：（a）織造方法；（b）角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)

1.3三維多向機(jī)織工藝

在三維機(jī)織工藝基礎(chǔ)上，引入斜向紗線，發(fā)展了多軸向機(jī)織工藝。多層多向機(jī)織工藝是由經(jīng)紗、緯紗、接結(jié)紗、+θ斜向紗和-θ斜向紗五個紗線系統(tǒng)相互交織，多層經(jīng)紗、斜向紗和接結(jié)紗按一定規(guī)律沿織物長度方向排列，在紗線層間引入緯紗，接結(jié)紗交叉貫穿若干紗層，將多層經(jīng)紗、緯紗和斜向紗線捆綁在一起，形成整體不分層的三維織物，如圖5所示。織物中經(jīng)紗、緯紗和接結(jié)紗相互垂直，斜向紗線與經(jīng)紗方向具有一定的傾斜角度，且五組紗線均呈伸直狀態(tài)。斜向紗的引入可以顯著提高織物的面內(nèi)抗剪切性能。

圖5 多層多向機(jī)織工藝：（a）織造方法；（b）多層多向織物結(jié)構(gòu)

采用三維機(jī)織工藝制成的三維織物具有多樣化的結(jié)構(gòu)形式。典型的三維機(jī)織結(jié)構(gòu)按接結(jié)紗貫穿緯紗層的方式分為層間角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)、貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)和正交三向結(jié)構(gòu)；按照經(jīng)紗的面內(nèi)運(yùn)動規(guī)律可分為平紋結(jié)構(gòu)、斜紋結(jié)構(gòu)和緞紋結(jié)構(gòu)；在典型織物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，沿經(jīng)向、緯向引入或同時引入紗線，形成襯經(jīng)、襯緯的衍生織物結(jié)構(gòu)。

2.1 正交三向結(jié)構(gòu)

正交三向結(jié)構(gòu)由三組相互呈正交狀態(tài)的紗線構(gòu)成，如圖6所示，紗線取向垂直的經(jīng)紗層和緯紗層交替重疊，接結(jié)紗沿緯紗列間垂直貫穿所有經(jīng)緯紗層，將伸直的經(jīng)紗和緯紗捆綁在一起形成整體結(jié)構(gòu)。

圖6 正交三向結(jié)構(gòu)

2.2 層間角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)

層間角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)也稱2.5D結(jié)構(gòu)，基本的層間角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)中包含兩組面內(nèi)取向相互垂直的多層經(jīng)紗和緯紗，經(jīng)紗以一定角度穿過若干層緯紗層，將相鄰若干層緯線聯(lián)結(jié)在一起形成整體結(jié)構(gòu)。典型的層間角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)包括層聯(lián)平紋、層聯(lián)斜紋和層聯(lián)緞紋。層聯(lián)平紋結(jié)構(gòu)為經(jīng)紗彎曲循環(huán)聯(lián)鎖相鄰兩層兩列緯紗，在織物表層形成一上一下平紋交織結(jié)構(gòu)，如圖7所示。層聯(lián)斜紋結(jié)構(gòu)為經(jīng)紗彎曲循環(huán)聯(lián)鎖相鄰兩層四列緯紗，在織物表層形成一上三下斜紋交織結(jié)構(gòu)，如圖8所示。層聯(lián)緞紋結(jié)構(gòu)為經(jīng)紗彎曲循環(huán)聯(lián)鎖相鄰四層八列緯紗，在織物表層形成八枚五飛緯面緞紋交織結(jié)構(gòu)，如圖9所示。在典型的層間角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過引入襯經(jīng)紗和襯緯紗可以獲得襯經(jīng)或襯緯層間角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)。

圖7 層聯(lián)平紋結(jié)構(gòu)

圖8 層聯(lián)斜紋結(jié)構(gòu)

圖9 層聯(lián)斜紋結(jié)構(gòu)

2.3 貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)

基本的貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)中包含兩組面內(nèi)取向相互垂直的一層經(jīng)紗和多層緯紗，經(jīng)紗以一定角度貫穿所有經(jīng)緯紗層，將緯紗捆綁在一下形成整體結(jié)構(gòu)，如圖10所示。貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)根據(jù)其緯紗層數(shù)在織物表面可以設(shè)計(jì)為平紋、斜紋、緞紋等結(jié)構(gòu)，圖10所示織物表面交織結(jié)構(gòu)為12枚5飛緞紋結(jié)構(gòu)。貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)中也可引入襯經(jīng)紗和襯緯紗，形成襯經(jīng)貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)和襯緯貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)。

圖10 貫穿緞紋結(jié)構(gòu)

2.4 三維多向機(jī)織結(jié)構(gòu)

三維多向機(jī)織結(jié)構(gòu)包含5個紗線系統(tǒng)：經(jīng)紗系統(tǒng) (0°) 、緯紗系統(tǒng) (90°) 、正斜向紗系統(tǒng) (+θ) 、負(fù)斜向紗系統(tǒng) (-θ) 以及接結(jié)紗系統(tǒng)，接結(jié)紗捆綁其它系統(tǒng)紗線形成整體結(jié)構(gòu)。多層多向機(jī)織結(jié)構(gòu)中，經(jīng)紗與織物長度方向平行；+θ（或-θ）斜向紗與經(jīng)紗軸向成+θ（或-θ）夾角；緯紗垂直于經(jīng)紗，沿織物寬度方向排列；接結(jié)紗與緯紗、經(jīng)紗呈正交配置，貫穿所有紗線層或若干紗線層，通過與緯紗交織，將各紗線層捆綁約束成為整體結(jié)構(gòu)，如圖11。根據(jù)接結(jié)紗貫穿的紗線層狀態(tài)分為多層多向結(jié)構(gòu)和層聯(lián)多向結(jié)構(gòu)。

圖11 三維多向機(jī)織結(jié)構(gòu)

3 三維機(jī)織復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

采用三維機(jī)織結(jié)構(gòu)織物作為增強(qiáng)體，復(fù)合材料在厚度方向上獲得了增強(qiáng)，克服了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料易分層破壞的缺點(diǎn)，突破了復(fù)合材料在主承力結(jié)構(gòu)和多功能結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，成為高性能樹脂基復(fù)合材料、碳碳復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等的理想增強(qiáng)材料。隨著三維機(jī)織技術(shù)的發(fā)展，不僅可以凈體制備形狀復(fù)雜、不同尺寸的異型構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，減少零配件數(shù)量，保證結(jié)構(gòu)的整體性，而且增強(qiáng)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(jì)更具靈活性，實(shí)現(xiàn)了材料的“特定設(shè)計(jì)”。

3.1 不同結(jié)構(gòu)三維機(jī)織復(fù)合材料性能對比

三維機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于其三維機(jī)織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體的組織結(jié)構(gòu)。三維機(jī)織結(jié)構(gòu)具有多樣性，紗線粗細(xì)、紗線取向、纖維含量、交織方式等可以靈活調(diào)節(jié)，對其增強(qiáng)的復(fù)合材料的最終性能產(chǎn)生較大影響，如表1所示。正交三向結(jié)構(gòu)中經(jīng)紗、緯紗和接結(jié)紗分別沿織物的長度、寬度和厚度方向伸直排列，可以充分發(fā)揮纖維的性能，織物在三個方向上獲得較高性能。層間或貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)中經(jīng)紗彎曲起到接結(jié)紗的作用，導(dǎo)致經(jīng)紗的強(qiáng)度利用率降低，織物經(jīng)向性能低于緯向性能，且織物經(jīng)向性能隨著經(jīng)紗斜向角增加而降低，其中層聯(lián)平紋結(jié)構(gòu)的經(jīng)向性能最低。此外，隨著經(jīng)紗彎曲聯(lián)鎖的緯紗層數(shù)增加，織物中經(jīng)紗層數(shù)將減少，導(dǎo)致織物經(jīng)向性能降低。通過引入襯經(jīng)紗可以顯著提高角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的經(jīng)向性能，也可以通過引入襯緯紗線，減小經(jīng)紗的斜向角度，從而提高織物的經(jīng)向性能。不論是正交三向結(jié)構(gòu)還是角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，紗線在織物面內(nèi)的投影取向均沿著織物的經(jīng)緯雙向分布，因此其面內(nèi)抗剪切性能較差。三維多向機(jī)織結(jié)構(gòu)中引入了斜向紗線，可以顯著提高復(fù)合材料的面內(nèi)抗剪切性能。

表1 不同結(jié)構(gòu)機(jī)織復(fù)合材料性能對比

3.2 整體構(gòu)件性能-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)與制造

三維機(jī)織復(fù)合材料制造主要包含兩個工藝過程，三維機(jī)織預(yù)制體成型和基體材料滲透復(fù)合或致密化，其中三維機(jī)織預(yù)制體成型過程決定著復(fù)合材料的最終力學(xué)性能，并對基體滲透復(fù)合或致密化過程產(chǎn)生顯著影響。三維機(jī)織預(yù)制體采用三維機(jī)織工藝織造，可以創(chuàng)構(gòu)獨(dú)特的織物結(jié)構(gòu)，賦予材料獨(dú)特的性能，結(jié)合提花和仿形編織技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大型/異形復(fù)合材料構(gòu)件三維整體結(jié)構(gòu)的近凈成型，實(shí)現(xiàn)整體構(gòu)件的性能與結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)與制造，如圖12所示。三維機(jī)織工藝分為方型工藝和圓型工藝。方型工藝可以實(shí)現(xiàn)高厚平板、塊體織物、變厚度織物等的織造。圓型工藝可以實(shí)行回轉(zhuǎn)體、截錐體、異形管狀織物等的織造。三維機(jī)織工藝具有靈活多樣性，可以實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)的耦合仿形編織，是復(fù)雜構(gòu)件結(jié)構(gòu)一體化、減少零部件連接數(shù)量、提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的高新技術(shù)。整體構(gòu)件預(yù)制體三維機(jī)織預(yù)成型過程中，預(yù)制體的宏觀構(gòu)件結(jié)構(gòu)和細(xì)觀織物結(jié)構(gòu)同步形成，通過對整體構(gòu)件的多相材料布局和多尺度結(jié)構(gòu)布局的并行設(shè)計(jì)，將適宜材料編至適宜位置、獨(dú)特結(jié)構(gòu)創(chuàng)成獨(dú)特性能，獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)材料滿足復(fù)合材料構(gòu)件的服役環(huán)境要求。

圖12 三維機(jī)織近凈成型構(gòu)件示意圖

三維機(jī)織技術(shù)近年來得到迅速發(fā)展，是復(fù)合材料高效、低成本制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。三維機(jī)織工藝僅需經(jīng)向和緯向兩組紗線即可實(shí)現(xiàn)，工藝相對簡單，非常適合織造具有一定厚度的寬幅織物。德國多尼爾公司推出了用于生產(chǎn)碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維的三維機(jī)織設(shè)備，如圖13所示，采用提花機(jī)控制，經(jīng)紗由紗架供紗，可以織造變截面織物。美國ALABANY國際公司開發(fā)了生成發(fā)動機(jī)葉片和機(jī)匣的三維機(jī)織設(shè)備，如圖14所示。國內(nèi)天津工業(yè)大學(xué)在2014年研發(fā)了國內(nèi)首臺碳纖維三維機(jī)織設(shè)備，如圖15所示，采用提花機(jī)控制，經(jīng)紗由小經(jīng)軸積極送經(jīng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異形織物織造。

圖13 多尼爾公司的三維機(jī)織設(shè)備

圖14 ALABANY公司的三維機(jī)織設(shè)備

圖15 天津工業(yè)大學(xué)的三維機(jī)織設(shè)備

三維機(jī)織預(yù)制體保持了增強(qiáng)纖維的連續(xù)性和編織結(jié)構(gòu)的完整性，以其增強(qiáng)的三維機(jī)織復(fù)合材料具有不分層、抗沖擊和耐疲勞等優(yōu)異性能，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。法國SNECMA和美國GE公司組建的CFM國際公司研制的LEAP-X發(fā)動機(jī)采用了碳纖維三維機(jī)織技術(shù)和RTM技術(shù)制成的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，燃油消耗減少16%，且更為安靜。新一代的LEAP發(fā)動機(jī)采用了三維機(jī)織/RTM復(fù)合材料風(fēng)扇包容機(jī)匣，整個機(jī)匣預(yù)制件（包括法蘭）一次編織成型，不僅能夠有效地包容風(fēng)扇葉片碎片，而且可以大大減輕發(fā)動機(jī)的重量。Messier-Bugatti-Dowty公司為Boeing 787研發(fā)了碳纖維復(fù)合材料主起落架支架，如圖14所示，這是在商用飛機(jī)起落架上首次使用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。與金屬支架相比，三維機(jī)織復(fù)合材料支架減輕了結(jié)構(gòu)重量，滿足復(fù)雜的軸向和剪切工況，抵抗鳥類或跑道碎片的撞擊和起降周期性疲勞，提高了服役可靠性。

圖16  CFM公司的三維機(jī)織復(fù)合材料葉片和包容機(jī)匣

圖17  Messier-Bugatti-Dowty公司研制的主起落架支架

三維機(jī)織預(yù)制體具有卓越的異型構(gòu)件仿形能力，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的近凈尺寸成型，如采用三維機(jī)織工藝仿形編織的異型梁、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子、截錐體、壁板、噴管、燃燒室等，如圖18所示。采用三維機(jī)織預(yù)制體制成的陶瓷基、碳碳等復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐沖擊、耐燒蝕等優(yōu)異性能，是研制航天結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)、制動裝置和熱防護(hù)等主要系統(tǒng)和部位的理想材料，是實(shí)現(xiàn)超高溫環(huán)境下主承力構(gòu)件防熱/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖18  三維機(jī)織復(fù)合材料異形構(gòu)件（來自網(wǎng)絡(luò)）