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什么是三維編織
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(fù)合材料固有的缺點(diǎn)，即受力后容易分層的問題，正是由于這個缺點(diǎn)，傳統(tǒng)復(fù)合材料很難用于制作主承力的結(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(fù)雜形狀的高性能纖維結(jié)構(gòu)件、連接件。
三維編織復(fù)合材料是利用三維編織技術(shù)先將增強(qiáng)纖維束織造成所需的結(jié)構(gòu)形狀預(yù)制件，由此制成的預(yù)制件結(jié)構(gòu)具有特殊的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，紗線在編織物結(jié)構(gòu)中連續(xù)不間斷且伸直度較高，不僅在平面內(nèi)相互交織，而且在厚度方向上也相互交織。然后，再把預(yù)制體作為增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)，和基體（包括樹脂、碳、碳化硅、金屬等）復(fù)合，從而制成復(fù)合材料制件。
三維編織過程 圖片來源：云路復(fù)材
三維編織復(fù)合材料的性能特點(diǎn)
三維編織復(fù)合材料因其整體復(fù)雜的空間纖維結(jié)構(gòu)，顯著地提高了材料的比強(qiáng)度和比剛度，從根本上克服了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料層間強(qiáng)度低、易分層等致命弱點(diǎn)，還使其具有優(yōu)良的力學(xué)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(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(fù)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。
三維編織復(fù)合材料制品 圖片來源：云路復(fù)材
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三維編織復(fù)合材料的應(yīng)用
1.作為功能性結(jié)構(gòu)材料
三維編織復(fù)合材料作為功能性結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)在火箭、飛機(jī)、衛(wèi)星等航空航天飛行器上廣泛使用，如：火箭發(fā)動機(jī)噴管、密封調(diào)節(jié)片、衛(wèi)星桁架、燃燒室內(nèi)襯、導(dǎo)彈頭錐以及飛機(jī)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片等耐高溫、耐燒蝕和高速沖刷的結(jié)構(gòu)材料，以及氮化硅纖維增強(qiáng)的導(dǎo)彈天線罩透波材料、耐磨損剎車片材料等功能性材料。
三維編織應(yīng)用 圖片來源：《三維編織復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望》，熊紹海等
2.作為承力、連接結(jié)構(gòu)件
三維編織預(yù)制體結(jié)構(gòu)具有整體性、不分層的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)中紗線連續(xù)且伸直度好，有利于材料在受力時均勻承擔(dān)載荷。此外，三維編織技術(shù)可以一次性整體編織復(fù)雜連接件，不需要進(jìn)行二次加工，既可滿足性能上的高需求，也大大減輕了構(gòu)件質(zhì)量。因此，三維編織復(fù)合材料在制作承力結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)連接件方面具有明顯的優(yōu)勢，典型產(chǎn)品如：工字梁、Ｔ形梁、高性能復(fù)合材料管件、汽車傳動軸、飛機(jī)起落架、螺旋槳、大曲率機(jī)骨架、機(jī)翼、飛機(jī)蒙皮、飛機(jī)進(jìn)氣道、航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣等；還有一些異形接頭，如：衛(wèi)星桁架、耳片結(jié)構(gòu)、多通接頭等。其中，我國首顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號”衛(wèi)星空間桁架結(jié)構(gòu)連接件就采用了三維編織復(fù)合材料。
3. 作為人造生物結(jié)構(gòu)件
因?yàn)槿S編織復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計性且質(zhì)輕的性能特點(diǎn)，因而也可用于人造生物組織方面，如：人造支架、人造韌帶、人造血管、接骨板等。
4. 碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體
預(yù)制體是碳/碳復(fù)合材料的骨架，其成型工藝是碳/碳復(fù)合材料最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一，決定著碳/碳復(fù)合材料的性能?，F(xiàn)在主流的碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體成型工藝是針刺技術(shù)，制件屬于2.5D織物。隨著行業(yè)的發(fā)展，碳/碳復(fù)合材料需要更先進(jìn)的預(yù)制體（3D織物），而突破傳統(tǒng)復(fù)材工藝固有缺陷的三維編織技術(shù)，在國外已應(yīng)用多年。
三維編織技術(shù)的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的大尺寸、高精度編織，而且克服了針刺預(yù)制體的缺陷，在改進(jìn)層間強(qiáng)度、損傷容限和熱應(yīng)力失配等方面發(fā)揮作用。
碳纖維預(yù)制體，圖片來源：云路復(fù)材
例如，傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的坩堝預(yù)制體整體密度為0.3-0.4 g/cm³，三維編織預(yù)制體整體密度為0.7-0.8 g/cm³，隨著坩堝預(yù)制體整體密度的提高，預(yù)制體在后續(xù)碳化處理過程中質(zhì)量損失與體積收縮現(xiàn)象將得到大幅度的改善，碳化后的坩堝產(chǎn)品使用壽命將延長20%左右。三維編織工藝采用智能連續(xù)一體化成型生產(chǎn)，使產(chǎn)品具有更高的整體性和一致性，生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)工藝提升20%至30%，尤其在生產(chǎn)大尺寸坩堝預(yù)制體時，生產(chǎn)效率優(yōu)勢更為明顯。
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三維編織復(fù)合材料目前存在的問題
盡管三維編織復(fù)合材料制件多種多樣，但目前國內(nèi)的商業(yè)應(yīng)用仍相對較少，制約三維編織技術(shù)推廣的原因主要有研究起步晚、設(shè)備的自主研發(fā)、編織技術(shù)創(chuàng)新、數(shù)字化設(shè)計理論、在線檢測技術(shù)、自動化與智能化控制技術(shù)等問題。
