三維編織工藝（上）
更新時間：2024-07-22 08:54:40
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三維編織技術(shù)是在傳統(tǒng)二維編織技術(shù)上發(fā)展起來的一種高新紡織技術(shù)。發(fā)展它的目的是為了克服傳統(tǒng)復合材料固有的缺點，即受力后容易分層的問題。正是由于這個缺點，傳統(tǒng)復合材料很難用于制作主承力結(jié)構(gòu)件和高功能制件，而三維編織技術(shù)最大的優(yōu)勢就在于非常適合制作各種復雜形狀的高性能纖維結(jié)構(gòu)件、連接件。
圖1 二維編織物和三位編織物
1.2三維編織工藝方法
簡單的來說，三維編織是在二位編織的基礎(chǔ)上增加了軸向纖維，從而織出立體整體的織物高新紡織技術(shù)。三維編織復合材料的編織工藝有兩步法、四步法、多層聯(lián)結(jié)編織法和多步法等，其中四步法和兩步法是目前該領(lǐng)域使用最主要的兩種方法：
四步法可以編織許多不同截面的結(jié)構(gòu)，如板狀、管狀、半柱狀和柱狀等。 兩步法適合編織非常厚的結(jié)構(gòu)，可以編織板狀、管狀等結(jié)構(gòu)。1.3 三維編織工藝的分類
三維編織工藝主要分為三類: 行列式三維編織 ( Track and Column Braiding) 、旋轉(zhuǎn)式三維編織(Rotary Braiding) 和六角形三維編織( Hexagonal Braiding) 。1.3.1 行列式三維編織工藝
行列式三維編織的主要特點為: 攜紗器在底盤上的二維笛卡爾坐標平面或極坐標平面上按照一定的路徑移動，帶動紗線在空間交織形成相應的三維結(jié)構(gòu)預制件。行列式三維編織物的空間幾何結(jié)構(gòu)有兩種: 一種是編織紗線貫穿厚度方向; 另一種是紗線在層與層之間進行交織，形成相鄰層之間的內(nèi)鎖。行列式三維編織工藝主要有“二步法”和“四步法” 兩種，如圖 2 和圖 3 所示。
圖2 “二步法”三維編織工藝示意圖
圖3 “四步法”編織工藝示意圖
由“四步法”得到的三維編織物微觀結(jié)構(gòu)上紗線會呈四個方向排列，因此被稱為三維四向編織。如果在編織紗中加入一系列固定不動的軸紗，則可以衍生出三維五向編織、三維六向編織等。此外，在攜紗器行(列) 移動時，如每一步移動不同數(shù)量的列 (行) ，則每八步為一個機器循環(huán)，稱為“八步法”編織。 旋轉(zhuǎn)式三維編織工藝源于旋轉(zhuǎn)二維編織，如編帶編織( Lace Braiding) 和五月柱編織( Maypole Braiding) 。盡管不同的編織工藝從攜紗器的運動形式上看很相似，但其本質(zhì)是不同的。旋轉(zhuǎn)式二維編織中通常有兩組攜紗器，一組攜紗器(實心點) 繞圓心順時針帶動紗線循環(huán)轉(zhuǎn)動，另一組攜紗器(空心點) 繞圓心逆時針帶動紗線按相反軌跡循環(huán)轉(zhuǎn)動，使紗線相互纏繞形成編織物，如圖 4所示。
圖4 旋轉(zhuǎn)式二維編織的攜紗器軌跡
1.3.3 六角形三維編織工藝
六角形三維編織源于對三維編織物纖維填充高密度的要求。自然界中，如蜂巢、碳元素的同素異形體中都呈現(xiàn)出了正六角形的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和填充密度，Ko等據(jù)此發(fā)明了六角形三維編織工藝。六角形三維編織的基本單元是由三個中心距離彼此相等的等半徑圓形相交構(gòu)成的，如圖5所示，將三個圓形重合區(qū)去除得到了六角形齒輪，齒輪的間隙用于放置攜紗器; 將此基本單元從中心向外擴展即可得到六角形編織陣列，見圖5 和圖 6。在角輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動作用下，位于角輪翼緣的攜紗器可以在不同角輪的翼緣之間進行傳遞，帶動攜紗器以一定軌跡在空間交織。
圖5 六角形編織基本單元與擴展單元
圖6 六角形編織陣列
1.3.4 不同三維編織工藝特點的對比
行列式三維編織中攜紗器的移動是以整行或整列的形式進行的，雖然可以用來織造異形截面的三維編織物，但其編織速度較慢，一般為每分鐘 8 個～10 個機器循環(huán); 而且攜紗器帶紗較少，導致連續(xù)編織 10 m～20 m 后即需更換紗管; 也不適用于變截面三維織物的織造。 旋轉(zhuǎn)式三維編織中攜紗器均勻分布在以編織軸為圓心的圓周上，且至少有兩組紗線，其中一組繞底盤中心點順時針旋轉(zhuǎn)，另一組繞底盤中心點逆時針旋轉(zhuǎn)，形成封閉的路徑。槽輪凹槽的數(shù)量決定了編織紗交織的形式以及編織物的結(jié)構(gòu)，尤其是角輪的凹槽只有一半可以放置攜紗器。 六角形三維編織相較于行列式和旋轉(zhuǎn)式編織更加靈活，可以依據(jù)編織物的截面形狀和空間結(jié)構(gòu)選擇攜紗器的分布和運動路徑，不必重新加工機器底盤。三種編織工藝的特點對比如表 1 所示。
表1 各種三維編織工藝的特點對比
1.5 三維編織復合材料的性能特點
三維編織復合材料因其整體復雜的空間纖維結(jié)構(gòu)，顯著地提高了材料的比強度和比剛度，從根本上克服了傳統(tǒng)層合結(jié)構(gòu)復合材料層間強度低、易分層等致命弱點，還使其具有優(yōu)良的力學性能，如：良好的抗沖擊損傷性能、耐疲勞性能和耐燒蝕性能等，以及結(jié)構(gòu)整體性好、可設(shè)計性強等諸多優(yōu)點，受到工程界的普遍關(guān)注，成為航空、航天、能源、重大戰(zhàn)略裝備、軌道交通、汽車輕量化、碳/碳復材、城市基建、生物醫(yī)療、體育用品等領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料。1.5.1三維編織預制體具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計性 三維編織復合材料具有極強的結(jié)構(gòu)可設(shè)計性。它的性能可以通過三維編織預制體編織結(jié)構(gòu) 的合理設(shè)計實現(xiàn)并提高。根據(jù)材料的最終使用性能要求以及形狀要求，通過設(shè)計合理的編織工藝，包括設(shè)計編織角（預制件中編織紗線與制件成形方向的夾角）、花節(jié)高度（編織紗線運動一個完整的機器循環(huán)所形成的編織物長度）、改變紗線細度以及纖維體積分數(shù)等工藝參數(shù)，從而改變復合材料各個方向上的性能。此外，還可以通過改變紗線的位置，在編織物某一方向上增加紗線，變換預制體的編織結(jié)構(gòu)等工藝設(shè)計，達到對三維編織復合材料力學性能和其他性能的調(diào)節(jié)作用。目前，三維編織預制體結(jié)構(gòu)種類可大致分為三維四向、三維五向及全五向、三維六向、三維七向編織結(jié)構(gòu)等。此外，不同的織物橫截面形狀需要設(shè)計相應的紗線運動式樣，采用不同的紗線運動式樣編織出的織物細觀幾何形狀和力學性能也會不同。1.5.2三維編織預制體具有近凈成形性
可以直接一次性編織成不同形狀的異形整體預制件。采用三維編織技術(shù)不僅可以編織矩形預 制件，還可以編織矩形組合截面的異形預制件，如 工字梁、Ｔ形梁等，還可以編織圓管、圓錐套、噴管等變截面形狀的異形件。針對異形（變截面）構(gòu)件，可以采用三維編織增減紗工藝技術(shù)實現(xiàn)構(gòu)件的截面變化，通過分析計算，設(shè)計合理的增減紗單元數(shù)量及位置，在基本編織紗線數(shù)量確定的情況下，織物的內(nèi)環(huán)周長的大小決定了參與編織紗線 的列數(shù)，織物的厚度決定了參與編織紗線的行數(shù)， 以此實現(xiàn)異形構(gòu)件的一次編織成形，達到最終制 件的尺寸，無需再進行機械加工，從而可避免由于加工而造成的纖維及紗線的損傷，大大提高復合 材料制件的性能。1.5.3可編織高性能纖維
近年來，隨著高性能纖維的不斷發(fā)展，在航空航天、建筑、船艦、汽車等領(lǐng)域使用高性能纖維的 種類及頻率也越來越多，三維編織技術(shù)幾乎可以 編織任何種類的纖維。目前用于三維編織預制件的纖維種類也已經(jīng)幾乎涵蓋了所有的高性能纖維，包括碳纖維、碳化硅纖維、超高分子量聚乙烯、氮化硅纖維、芳綸、石英纖維、玻璃纖維等，以滿足當前高科技領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軓秃喜牧系钠惹行枰?/span>1.5.4 具有比傳統(tǒng)復合材料更優(yōu)良的力學性能
三維編織物具有特殊的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，紗線在三維空間中沿多個方向延伸交織，由三維編織 預制體增強的復合材料不存在“層”的問題，這種獨特的織物結(jié)構(gòu)決定了其復合材料具有比傳統(tǒng)復 合材料更為優(yōu)異的力學性能。眾多研究者對三維編織復合材料的力學性能（拉伸、彎曲、壓縮、疲勞等）進行了研究，結(jié)果都表明：三維編織復合材料具有良好的力學性能，并且編織參數(shù)，如編織角、 編織結(jié)構(gòu)、纖維體積分數(shù)等對其復合材料的力學性能有較大的影響；在纖維體積分數(shù)相近的情況下，三維編織復合材料的拉伸、彎曲、壓縮強度和模量要比層合復合材料高的多；在厚度方向上，碳化硅／陶瓷基三維編織復合材料的拉伸強度近乎是碳化硅平面織物增強層合復合材料的6倍。 三維編織復合材料具有良好的抗損傷性能。打孔對其力學性能的影響不大，鉆孔后，三維編織 復合材料的拉伸強度僅損失10%左右，但層合復合材料拉伸強度卻損失約50%。 三維編織復合材料特殊的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其 在沖擊載荷作用下不易分層，因此具有良好的抗沖擊損傷容限特性和耐疲勞性能。
1.6三維編織復合材料成型工藝
三維編織復合材料多采用液體成型工藝進行浸膠固化，包括樹脂傳遞模塑(RTM)工藝、樹脂膜滲透(RFI)工藝、真空輔助樹脂滲透(VARI)工藝等。其中RTM工藝是從濕法鋪層和注塑工藝演衍生出來的，其能夠制造出高精度、低孔隙率、高纖維含量的復合材料構(gòu)件，是三維編織復合材料主要制造技術(shù)之一。三維編織復合材料制件繁多，涉及到U字型、T字型、X字型、米字型、工字型、之字型、蜂窩狀、球體、截錐體等多種異型結(jié)構(gòu)，在制造業(yè)智能化、機械輕量化發(fā)展背景下，三維編織復合材料應用前景較好。 20世紀60-70年代三維編織技術(shù)的概念最初由美國和歐洲的研究機構(gòu)提出。這一時期，研究人員開始探索如何通過編織技術(shù)制造出具有三維結(jié)構(gòu)的復合材料。 20世紀80-90年代隨著復合材料在航空航天、國防和體育用品等領(lǐng)域的應用需求增加，三維編織技術(shù)得到了快速發(fā)展。美國的一些公司和研究機構(gòu)，如Textron Systems和Lockheed Martin，開始研發(fā)和商業(yè)化三維編織設(shè)備和工藝。歐洲的德國、法國和英國等國家也在這一領(lǐng)域進行了大量研究，推動了技術(shù)的進步。隨后，三維編織技術(shù)逐漸成熟，開始廣泛應用于航空航天、汽車、醫(yī)療和體育用品等行業(yè)。