在航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?a href="http:///sell/" target="_blank">復(fù)合材料新需求的推動(dòng)下，從20世紀(jì)80年代起，三維紡織技術(shù)得到了迅速發(fā)展。采用三維紡織預(yù)成型體增強(qiáng)的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、更高的損傷容限以及卓越的抗燒蝕性能，為復(fù)合材料應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)件和多功能結(jié)構(gòu)件提供了廣闊的前景。天津工業(yè)大學(xué)是國(guó)內(nèi)首家研制開發(fā)三維紡織技術(shù)的單位，擁有先進(jìn)的技術(shù)裝備和核心技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)唯一具備材料設(shè)計(jì)、紡織預(yù)成型、樹脂基復(fù)合成型等全過程技術(shù)的先進(jìn)紡織復(fù)合材料科研和生產(chǎn)單位，研發(fā)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于我國(guó)航空航天領(lǐng)域。

高性能復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)可以有效減輕飛行器自身重量，使飛行器飛得更快、更遠(yuǎn)，并提高飛行器防熱、透波、隱身等功能，對(duì)推進(jìn)飛行器現(xiàn)代化起著十分關(guān)鍵的支撐作用。復(fù)合材料的用量已成為衡量各國(guó)飛行器先進(jìn)水平的標(biāo)志：空客A380采用了25%的復(fù)合材料，而波音B787飛機(jī)的復(fù)合材料用量已達(dá)到50%。“十一五”期間，高性能復(fù)合材料及復(fù)合結(jié)構(gòu)部件制備技術(shù)已作為我國(guó)新一代飛行器輕質(zhì)化、高性能化的關(guān)鍵技術(shù)而列入我國(guó)科技發(fā)展規(guī)劃，并亟待進(jìn)一步提高。

三維紡織復(fù)合材料技術(shù)作為一種新型高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的制備技術(shù)，是將增強(qiáng)纖維編織成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的近凈形三維整體織物（紡織預(yù)成型體），再采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）注入樹脂后復(fù)合固化形成高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。由于采用了三維整體織物作為增強(qiáng)體，復(fù)合材料在厚度方向上獲得了增強(qiáng)，從而克服了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料容易分層破壞的缺點(diǎn)，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。隨著三維紡織技術(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)”。

       三維紡織技術(shù)

       紡織預(yù)成型體是復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)骨架，它的作用類似于建筑物中的鋼結(jié)構(gòu)框架。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型之前，利用紡織技術(shù)將增強(qiáng)纖維定位分布，形成二維(2D)或三維(3D)的織物與結(jié)構(gòu)。與二維紡織預(yù)成型體相比，三維紡織預(yù)成型體內(nèi)纖維在三維方向上相互交織，形成一個(gè)整體的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而從結(jié)構(gòu)上強(qiáng)化了復(fù)合材料，并顯著提高了復(fù)合材料的性能。采用三維織物增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料的沖擊損傷面積是二維織物層合復(fù)合材料的1/10；三維織物增強(qiáng)的碳基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度是純石墨材料的5～8倍；三維織物增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度是二維織物層合復(fù)合材料的1.5倍。由于三維紡織預(yù)成型體在復(fù)合材料制造中的重要性，1985年由美國(guó)航空航天局（NASA）實(shí)施了先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)（ACT）發(fā)展計(jì)劃，大力發(fā)展了多種三維紡織技術(shù)以及樹脂傳遞模塑工藝（RTM）,以制造少（無）連接、大型、復(fù)雜、整體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料制件，形成了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)。

       用于復(fù)合材料預(yù)成型體制備的三維紡織技術(shù)主要包括三維編織技術(shù)、三維機(jī)織技術(shù)和三維針織技術(shù)等。

1 三維編織技術(shù)

三維編織技術(shù)源于Florentine在1982年提出的“Magnaweave”編織方法。即每一根編織紗線由一個(gè)攜紗器單獨(dú)控制，攜紗器按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，使編織紗線在三維空間內(nèi)相互交織交叉，形成具有一定形狀和尺寸的整體預(yù)成型體。基本的三維編織工藝制備的預(yù)成型體內(nèi)有4種空間傾斜分布的編織紗線，我們稱之為三維四向編織結(jié)構(gòu)。在編織過程中，可根據(jù)需要分別在長(zhǎng)度、寬度和厚度方向上加入伸直的紗線，這樣就可以形成三維五向、三維六向和三維七向編織結(jié)構(gòu)。此外，三維編織過程中可通過改變攜紗器的排列形狀和增減編織紗線的數(shù)量等工藝方法，靈活地編織出各種形狀的預(yù)成型體。

1994年，美國(guó)Atlantic Research公司研制的圓型三維編織機(jī)可掛14000根紗線；1996年，天津工業(yè)大學(xué)研制的計(jì)算機(jī)控制的方型三維編織機(jī)可掛4萬根紗線，是國(guó)內(nèi)目前最大、最先進(jìn)的編織設(shè)備，可編織工字梁、T形梁、L形梁等多種形狀的預(yù)成型體。此外，由于一臺(tái)編織機(jī)所能編織的預(yù)成型體的幾何尺寸具有一定的局限性，為此，天津工業(yè)大學(xué)成功研制了組合式三維編織機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)化的編織單元可以靈活的進(jìn)行組合，以滿足不同形狀和尺寸制件的編織需要。

2 三維機(jī)織技術(shù)

三維機(jī)織技術(shù)利用多層經(jīng)紗織造方法，將若干經(jīng)紗和緯紗層相互接結(jié)而形成具有一定厚度的三維整體預(yù)成型體。其中，采用分層接結(jié)的方法，將各相鄰紗線層進(jìn)行接結(jié)，稱為層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，也稱2.5D機(jī)織結(jié)構(gòu)；采用接結(jié)紗傾斜貫穿整個(gè)厚度的方法，將全部紗線層進(jìn)行接結(jié)，稱為貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)；采用一組紗線垂直貫穿整個(gè)厚度的方法，將全部紗線層進(jìn)行接結(jié)，稱為正交接結(jié)結(jié)構(gòu)。三維機(jī)織預(yù)成型體中僅含有經(jīng)向和緯向紗線，非常適合織造具有一定厚度的寬幅織物。天津工業(yè)大學(xué)對(duì)三維機(jī)織設(shè)備進(jìn)行了全面的改造和升級(jí)，經(jīng)過改造后的織機(jī)可以織造圓型和異型預(yù)成型體，最大厚度可達(dá)50mm。
 

       3 三維針織技術(shù)

三維針織技術(shù)是利用針織線圈將若干層平行伸直的襯墊紗捆綁在一起，形成具有一定厚度的三維整體預(yù)成型體。天津工業(yè)大學(xué)已成功研制出了一臺(tái)雙軸向緯編織物織造設(shè)備，如圖1所示，織物幅寬達(dá)到2.7m。雙軸向緯編織物采用雙面羅紋組織結(jié)構(gòu)來捆綁多至5層的襯緯襯經(jīng)紗，適于玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維的織造加工，該織物具有極優(yōu)越的沖壓成型能力。在深度沖壓下，織物變形均勻，不起折皺，非常適合異型曲面制件的變形成型加工。

圖1 先進(jìn)的雙軸向緯編織物設(shè)備
 

       在ACT計(jì)劃的推動(dòng)下，美國(guó)的許多大學(xué)，如Delaware大學(xué)、Drexel大學(xué)、North Carolina State大學(xué)、Auburn大學(xué)等都開展了對(duì)于三維紡織預(yù)成型技術(shù)的研究。美國(guó)的大西洋公司、波音公司分別耗資數(shù)千萬美元制造了大型三維編織機(jī)，3TEX公司研制了多梭口三維機(jī)織設(shè)備，該設(shè)備直接為美國(guó)航天航空部門服務(wù)。與此同時(shí)，俄羅斯、德國(guó)、日本等國(guó)家也都積極開展了三維紡織技術(shù)的研究。日本Tsuzuki公司研制的一種角輪式三維編織機(jī)，攜紗器由角輪傳動(dòng)，角輪的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)控制，具有較高的編織速度，可連續(xù)織造截面為T形、I形、矩形，實(shí)體圓形及半圓型的制件。德國(guó)LIBA公司研制的多軸向縫編機(jī)可平行鋪放6層或6層以上的紗線，這些紗線由縫編紗捆綁在一起，形成具有一定厚度的織物。

      為了滿足我國(guó)航空航天等領(lǐng)域研制高性能復(fù)合材料的需求，1989年天津工業(yè)大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先開展了三維紡織技術(shù)的研究工作。經(jīng)過十幾年的自主創(chuàng)新，在以下技術(shù)領(lǐng)域取得了突破：

    （1）異型結(jié)構(gòu)部件三維凈體編織成型工藝技術(shù)及裝備； 
    （2）圓型/異型2.5D機(jī)織成型工藝技術(shù)及裝備；
    （3）雙/多軸向緯編工藝技術(shù)及裝備；
    （4）多維編織工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)；
    （5）先進(jìn)紡織復(fù)合材料虛擬設(shè)計(jì)與制造?！?/div>