1.4 三維編織復合材料應用領域

由于三維編織復合材料是完全的整體結構不分層，所以其比強度、比模量高，具有優良的力學性能和功能，使采用復合材料來制作主承力結構件和特殊的具有多種功能的制件成為可能。但由于三維編織復合材料制造成本非常高，導致目前主要應用于國防軍工、航空航天等領域。比較典型的有航空渦扇發動機風扇葉片、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、航空發動機機匣、飛船關鍵連接件、火箭發動機噴管及密封調節片、衛星桁架、燃燒室內襯、導彈頭錐以及氮化硅纖維增強的導彈天線罩透波材料、耐磨損剎車片材料各類固體火箭發動機喉襯材料等功能件和承力連接件。現就其它應用領域前景做介紹。

1.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展。而三維編織技術，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用途改變形狀，并可接合且無需粘結劑。

2.突破傳統的異形構件—“飛揚”火炬

2022年“飛揚”火炬是變徑，變曲率的異形構件。加上表面自上而下的祥云條紋，制作難度很高。而此火炬就是由云路復合材料有限公司采用自動化立體編織工藝制備而成。

3.剎車盤—碳/碳復合材料預制體

國外采用3D織物制備的碳/碳復合材料先進預制體已多年，但在國內普及和商用并不多。在此領域，三維編織技術可應用于飛機剎車盤。目前世界上60余種型號飛機采用碳/碳復材剎車盤，但傳統碳/碳復材剎車（大部分采用針刺技術）盤有其弊端，比如抱和力較差，分層變形等。三維編織可克服傳統工藝缺點，改善分層問題，并提升綜合力學性能。

4.光伏熱場—碳/碳復合材料坩堝

隨著光伏熱場領域里晶硅制造行業向大尺寸、高品質方向發展，碳/碳復合材料坩堝也逐漸超大尺寸方向發展。但傳統的碳/碳復合材料坩堝制備技術在其朝大尺寸、形狀復雜結構功能一體化方向上有所制約，而三維編織技術能很好地實現坩堝預制件大尺寸、高精度制作，并克服傳統針刺預制體存在的的缺陷。例如三維編織工藝制備的預制體密度比傳統工藝制備的坩堝預制體密度大0.4g/cm3左右（傳統坩堝密度為0.3-0.4 g/cm3，三維編織制備的密度為0.7-0.8 g/cm3）。密度的提升可使預制體在后續碳化過程中的質量損失與體積收縮現象得到大幅改善。此外，由于三維編織工藝采用連續一體化智能成型生產，生產效率較傳統工藝可提升20%至30%。

5.生物醫用

三維編織復合材料是高技術領域中的一類新型先進復合材料，可制造高溫功能結構材料，也可作為防護材料。此外在醫學領域也可制造生物醫學材料，比如采用三維編織工藝制備生物支架等。

1.5 三維編織復合材料發展趨勢

我國三維編織復合材料研究起步較晚，與歐美等發達國家相比，國內三維編織復合材料在理論研究、試驗研究、結構參數、檢測技術等方面較為滯后，因此目前我國三維編織復合材料商業應用仍較少。

三維編織復合材料是工程界熱門研究方向之一，在國內，從事研究和生產三維編織復合材料的機構和企業有中國紡織科學研究院有限公司、北京柏瑞鼎科技有限公司、天津工業大學復合材料研究院、云路復合材料(上海）有限公司等。

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

碳纖維預制體是碳/碳復合材料的骨架，其成型工藝是碳/碳復合材料最重要的基礎技術之一，決定著碳/碳復合材料的性能。現在主流的碳/碳復材預制體成型工藝是針刺技術，制件屬于2.5D織物。隨著行業的發展，碳/碳復合材料需要更先進的預制體（3D織物），而突破傳統復材工藝固有缺陷的三維編織技術，在國外已應用多年。鑒于三維編織尚未在國內碳/碳復材行業得到普及和商用，下文將淺論它在該行業的發展潛力。

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的關鍵部件、碳/碳復合材料最主要的應用領域。目前，世界上有60余種型號的飛機使用碳/碳復材飛機剎車盤，其用量約占碳/碳復材年消耗量的60%。因為成本低、工藝適應性好及力學性能優異等特點，針刺技術被大量用于制作碳/碳復材飛機剎車盤的預制體，并占有主導的產業地位。然而隨著行業要求的提高，針刺預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，所以很多針刺預制體采用預氧化纖維（即由碳纖維原絲在張力作用下于空氣中加熱預氧化后得到的中間產品）。可是，采用預氧化纖維的預制體完成后，首先需要進行碳化工藝，將預氧化纖維轉變為碳纖維，然后進行致密化工藝。在此過程中，纖維很容易收縮，可能導致嚴重分層和變形，特別是結構復雜、不易加工的制品。研究表明，通常質量損失約50%，體積收縮約15%。因此，傳統工藝過于復雜，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，三維編織復合材料克服了傳統工藝的缺點，即受力后容易分層的問題。三維編織復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）復合，從而制成復合材料制件。與層合復合材料相比，三維編織復合材料具有完全整體、不分層的結構以及良好的綜合力學性能，適合制造結構制件和高功能制件。

在我國，飛機剎車盤的預制體品種單一，仍以針刺預制體為主，缺乏對于新型的三維編織和各種異形編織預制體的研產；在成型異形件方面，國外所做的旋轉體預制體最大外徑達到2600mm，遠大于國內的1200mm；國外自動化程度高，制品性能穩定，而國內至今大多采用手工鋪層針刺，效率低。所以，研發三維編織技術和三維編織復合材料對我國發展新材料具有重要意義。