三維編織技術在航空航天的應用

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三維編織技術從上世紀80年代起得到迅速發展，它采用三維整體編織方法，對高性能纖維進行編織，使得纖維在層間相互交織，形成一個網狀結構的預制體。由三維編織制備的預制體利用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）或樹脂膜滲透工藝（RFI）進行浸膠固化，制得的復合材料件不僅具備傳統復合材料所具有的高比強度、高比模量等優點，同時還克服了傳統復合材料層間強度低，抗剪切能力差的缺點，且具有高的抵抗分層能力和耐沖擊性，為其應用于主承力結構件和多功能結構件提供了廣闊的前景。編織預形件有良好的成形性和結構的整體性，并且不需大量機械加工和連接，因此材料浪費和加工過程中的搬運都大量減少，顯著降低制造費用。三維編織技術可以生產出形狀復雜的異型結構，實現結構的整體化設計，提高了結構的整體性，減輕結構重量和制造成本。預制體纖維在復合材料行業曲線linkindustryappraisementpointDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2019.21.005可替代度影響力可實現度行業關聯度真實度結構件中呈多向分布，使得采用三維編織預制體的復合材料構件在性能設計上更加靈活。

三維編織原理

三維編織技術是一種制造編織物纖維增強體的技術。紗線攜紗器將大量按相同方向排列的纖維線卷沿著預先設定的軌跡在平面上精確地移動，各纖維絲束之間互相交織構成網絡狀結構，最后打實交織面形成增強的三維編織物預成型體。從編織方式區分，有三種常見的編織形式：二步編織法、四步編織法和多層聯鎖編織法。相應的預成型體的微觀結構如圖1所示。上述的編織法中，其中四步編織法發明最早，應用最廣。二步編織法與其它另外兩種工藝相比，它需要的編織運動最少。在編織過程中，編織紗在攜紗器的攜帶作用下，將沿軸向排列的軸紗捆綁到一起，構成一個空間整體。

三維編織復合材料的優異性能

可滿足極端惡劣工作環境要求三維編織復合材料沿X、Y方向分布的纖維相互交織在一起，不存在層間界面，因此具有很高的抗撕裂性和抗剪性，同時也不存在層間剝離問題，能滿足極端惡劣的空間工作環境要求。力學性能優異三維編織結構在受外力作用時，每根纖維幾乎均勻受載，力學性能得到充分的得到發揮。與織物鋪層復合材料相比，在纖維體積含量相等情況下，三維編織復合材料結構的拉伸強度和拉伸模量提高約40％和13％之多，彎曲強度與彎曲模量也相應提高了月28％和29％，表現出優異的力學性能。損傷容限性能高三維復合材料中纖維束之間相互交錯纏繞，纖維體中的沖擊裂紋通過纖維束之間界面時與纖維界面不平行，被纖維阻隔。三維復合材料的纖維與基體脫粘、基體裂紋、纖維破裂的過程都是漸進的，裂紋擴展比層壓板復合材料結構耗散更多的能量，要使材料完全破壞的沖擊次數也會增加。由于三維編織復合材料具有高的抗損傷容限性，所以其可望做成空間站防屏蔽材料以抵御流星群、碎片的高速碰撞威脅。適合形狀復雜件的制造在編織過程中，三維編織單元立方體可改變其三維的比例，單元立方體可變形來適應復雜形狀和尺寸構件的變化。三維編織可利用單元立方體的變形在預制體上編織留孔，避免復合材料件的機械開孔帶來的孔邊力學性能下降，可按實際整體需要織造復雜形狀的零部件和一次完成組合件，實現異形整體編織。

三維編織在航空航天的應用

國外三維編織在航空航天的應用美國航空航天局（NASA）利用先進復合材料技術計劃研發出編織復合材料結構，已成功用于機身壁板和全尺寸機翼等結構。美國的“旅行者”（Voyager）號飛機結構中很多關鍵部件都采用了編織結構復合材料；同時美國比奇公司的“星舟”（Starship）1號公務機的也將編織復合材料構件應用到關鍵部位。美國的傾斜旋翼V22“魚鷹”直升飛機其主要承力部件主要采用三維編織復合材料工藝制造。法國的三維碳纖維復合材料在固體火箭發動機上的應用范圍中，目前已證實的有出口錐、噴管與殼體的連接件等。諾斯羅普•格魯門公司研制了編織復合材料機身側壁板和窗框。洛克希德•馬丁公司利用波音公司機身尺寸，設計制造編織結構件。包括機身側壁板，機身環框和窗框等；美國F－22飛機外型面零件為雙馬基編織復合材料結構；北約的衛星天線和天線支撐結構也都采用了編織復合材料結構。國內三維編織技術在航天航空領域應用衛星發動機支撐裝置中的衛星空間結構要求質輕，質量可靠，穩定性能好，同時又是一個非常復雜的構件。李明珠等研制了三維編織復合材料支架，提高了發動機支架的比強度，解決衛星結構輕質化要求。天津工業大學復合材料所研制的“衛星空間桁架結構用三維編織復合材料整體連接件”已經應用于“嫦娥一號”衛星。李嘉祿等開展的衛星結構用高性能三維編織復合材料構的研制及其生產線的建設項目中，成功研制了兩種規格的三維編織復合材料空間多向連接件，由其裝配的衛星復合材料發動機支架已通過地面和空間環境考核，正式應用到型號衛星上。林益明等采用三維編織結構的RTM成型技術制得了復合材料制件，并應用于衛星上的支架結構，通過了包括靜力、正弦和隨機振動的力學試驗，目前已應用到某型衛星中。三維編織技術的應用，大大減少了支架的重量，提高了支架的比強度和比剛度，為桁架式航天器結構設計鑒定了基礎，為其接頭設計提供了一種較為新穎的技術。復合材料承力接頭的應用是飛行器有效減輕結構重量的重要技術手段，在飛行器結構中有著重要的應用前景，鄭錫濤等在三維四向、三維五向和三維六向編織工藝的基礎上制得了編織結構預制件，然后采用樹脂傳遞模塑技術制備了三維編織纖維增強的復合材料結構，表明利用三維編織制造的復合材料單耳接頭，可滿足航空次承載結構懸掛承載要求；編織復合材料承載單耳接頭在機加鉆孔后，其承載能力大為降低，采用預留編織孔的方式成型，能夠顯著提高單耳接頭孔邊的承載能力。圓管構件是航空器常用結構件，可用于火箭的連接級間段，衛星的柔性太陽能電池帆板等。沈懷榮對于兩種三維編織碳/環氧圓管構件及由其組成的火箭模擬級間段，測試了三維編織纖維增強復材圓管的抗壓能力，以及火箭級間段模擬結構的軸向壓縮承載能力。數據表明，三維編織纖維增強復合材料具有優良的損傷阻抗，有望應用于火箭級間段結構，為編織結構的設計分析和三維編織復合材料在航天領域的應用提供了依據。另外，張國利等利用組合式編織機，在芯模的周邊合理配置所需數量的軸紗和編織紗編織得到變截面薄壁殼體預制件，然后通過RTM充模工藝制備三維編織結構的變厚度變截面薄壁殼體，克服了此類殼體結構件尺寸大、纖維體積含量高、型面曲線等高要求，并對其進行了深入的研究，提出了較準確的樹脂流動速度、樹脂充模時間和樹脂流動壓力計算方程。所制得的三維整體編織變截面薄壁殼體復合材料可成為運載火箭殼體、雷達和天線罩等構件的首選結構。

三維整體編織技術解決了復合材料結構厚度方向的增強問題和分層問題。通過三維編織的原理，工藝方法和成型后復材件的優異特性，可見三維編織技術提高了結構的整體化，抗沖擊性能。因此，與傳統復合材料結構相比，三維編織復合材料結構具有諸多優點。隨著三維編織技術的發展，三維編織復合材料結構的各項性能將逐漸完善，以滿足航空、航天結構對新工藝和新材料日益增長的需求。

作者:郝新超 胡杰 單位:上海飛機設計研究院