三维编织技术在航空航天的应用

导语：三维编织技术在航空航天的应用一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

三维编织技术从上世纪80年代起得到迅速发展，它采用三维整体编织方法，对高性能纤维进行编织，使得纤维在层间相互交织，形成一个网状结构的预制体。由三维编织制备的预制体利用树脂传递模塑工艺（RTM）或树脂膜渗透工艺（RFI）进行浸胶固化，制得的复合材料件不仅具备传统复合材料所具有的高比强度、高比模量等优点，同时还克服了传统复合材料层间强度低，抗剪切能力差的缺点，且具有高的抵抗分层能力和耐冲击性，为其应用于主承力结构件和多功能结构件提供了广阔的前景。编织预形件有良好的成形性和结构的整体性，并且不需大量机械加工和连接，因此材料浪费和加工过程中的搬运都大量减少，显著降低制造费用。三维编织技术可以生产出形状复杂的异型结构，实现结构的整体化设计，提高了结构的整体性，减轻结构重量和制造成本。预制体纤维在复合材料行业曲线linkindustryappraisementpointDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2019.21.005可替代度影响力可实现度行业关联度真实度结构件中呈多向分布，使得采用三维编织预制体的复合材料构件在性能设计上更加灵活。

三维编织原理

三维编织技术是一种制造编织物纤维增强体的技术。纱线携纱器将大量按相同方向排列的纤维线卷沿着预先设定的轨迹在平面上精确地移动，各纤维丝束之间互相交织构成网络状结构，最后打实交织面形成增强的三维编织物预成型体。从编织方式区分，有三种常见的编织形式：二步编织法、四步编织法和多层联锁编织法。相应的预成型体的微观结构如图1所示。上述的编织法中，其中四步编织法发明最早，应用最广。二步编织法与其它另外两种工艺相比，它需要的编织运动最少。在编织过程中，编织纱在携纱器的携带作用下，将沿轴向排列的轴纱捆绑到一起，构成一个空间整体。

三维编织复合材料的优异性能

可满足极端恶劣工作环境要求三维编织复合材料沿X、Y方向分布的纤维相互交织在一起，不存在层间界面，因此具有很高的抗撕裂性和抗剪性，同时也不存在层间剥离问题，能满足极端恶劣的空间工作环境要求。力学性能优异三维编织结构在受外力作用时，每根纤维几乎均匀受载，力学性能得到充分的得到发挥。与织物铺层复合材料相比，在纤维体积含量相等情况下，三维编织复合材料结构的拉伸强度和拉伸模量提高约40％和13％之多，弯曲强度与弯曲模量也相应提高了月28％和29％，表现出优异的力学性能。损伤容限性能高三维复合材料中纤维束之间相互交错缠绕，纤维体中的冲击裂纹通过纤维束之间界面时与纤维界面不平行，被纤维阻隔。三维复合材料的纤维与基体脱粘、基体裂纹、纤维破裂的过程都是渐进的，裂纹扩展比层压板复合材料结构耗散更多的能量，要使材料完全破坏的冲击次数也会增加。由于三维编织复合材料具有高的抗损伤容限性，所以其可望做成空间站防屏蔽材料以抵御流星群、碎片的高速碰撞威胁。适合形状复杂件的制造在编织过程中，三维编织单元立方体可改变其三维的比例，单元立方体可变形来适应复杂形状和尺寸构件的变化。三维编织可利用单元立方体的变形在预制体上编织留孔，避免复合材料件的机械开孔带来的孔边力学性能下降，可按实际整体需要织造复杂形状的零部件和一次完成组合件，实现异形整体编织。

三维编织在航空航天的应用

国外三维编织在航空航天的应用美国航空航天局（NASA）利用先进复合材料技术计划研发出编织复合材料结构，已成功用于机身壁板和全尺寸机翼等结构。美国的“旅行者”（Voyager）号飞机结构中很多关键部件都采用了编织结构复合材料；同时美国比奇公司的“星舟”（Starship）1号公务机的也将编织复合材料构件应用到关键部位。美国的倾斜旋翼V22“鱼鹰”直升飞机其主要承力部件主要采用三维编织复合材料工艺制造。法国的三维碳纤维复合材料在固体火箭发动机上的应用范围中，目前已证实的有出口锥、喷管与壳体的连接件等。诺斯罗普•格鲁门公司研制了编织复合材料机身侧壁板和窗框。洛克希德•马丁公司利用波音公司机身尺寸，设计制造编织结构件。包括机身侧壁板，机身环框和窗框等；美国F－22飞机外型面零件为双马基编织复合材料结构；北约的卫星天线和天线支撑结构也都采用了编织复合材料结构。国内三维编织技术在航天航空领域应用卫星发动机支撑装置中的卫星空间结构要求质轻，质量可靠，稳定性能好，同时又是一个非常复杂的构件。李明珠等研制了三维编织复合材料支架，提高了发动机支架的比强度，解决卫星结构轻质化要求。天津工业大学复合材料所研制的“卫星空间桁架结构用三维编织复合材料整体连接件”已经应用于“嫦娥一号”卫星。李嘉禄等开展的卫星结构用高性能三维编织复合材料构的研制及其生产线的建设项目中，成功研制了两种规格的三维编织复合材料空间多向连接件，由其装配的卫星复合材料发动机支架已通过地面和空间环境考核，正式应用到型号卫星上。林益明等采用三维编织结构的RTM成型技术制得了复合材料制件，并应用于卫星上的支架结构，通过了包括静力、正弦和随机振动的力学试验，目前已应用到某型卫星中。三维编织技术的应用，大大减少了支架的重量，提高了支架的比强度和比刚度，为桁架式航天器结构设计鉴定了基础，为其接头设计提供了一种较为新颖的技术。复合材料承力接头的应用是飞行器有效减轻结构重量的重要技术手段，在飞行器结构中有着重要的应用前景，郑锡涛等在三维四向、三维五向和三维六向编织工艺的基础上制得了编织结构预制件，然后采用树脂传递模塑技术制备了三维编织纤维增强的复合材料结构，表明利用三维编织制造的复合材料单耳接头，可满足航空次承载结构悬挂承载要求；编织复合材料承载单耳接头在机加钻孔后，其承载能力大为降低，采用预留编织孔的方式成型，能够显著提高单耳接头孔边的承载能力。圆管构件是航空器常用结构件，可用于火箭的连接级间段，卫星的柔性太阳能电池帆板等。沈怀荣对于两种三维编织碳/环氧圆管构件及由其组成的火箭模拟级间段，测试了三维编织纤维增强复材圆管的抗压能力，以及火箭级间段模拟结构的轴向压缩承载能力。数据表明，三维编织纤维增强复合材料具有优良的损伤阻抗，有望应用于火箭级间段结构，为编织结构的设计分析和三维编织复合材料在航天领域的应用提供了依据。另外，张国利等利用组合式编织机，在芯模的周边合理配置所需数量的轴纱和编织纱编织得到变截面薄壁壳体预制件，然后通过RTM充模工艺制备三维编织结构的变厚度变截面薄壁壳体，克服了此类壳体结构件尺寸大、纤维体积含量高、型面曲线等高要求，并对其进行了深入的研究，提出了较准确的树脂流动速度、树脂充模时间和树脂流动压力计算方程。所制得的三维整体编织变截面薄壁壳体复合材料可成为运载火箭壳体、雷达和天线罩等构件的首选结构。

三维整体编织技术解决了复合材料结构厚度方向的增强问题和分层问题。通过三维编织的原理，工艺方法和成型后复材件的优异特性，可见三维编织技术提高了结构的整体化，抗冲击性能。因此，与传统复合材料结构相比，三维编织复合材料结构具有诸多优点。随着三维编织技术的发展，三维编织复合材料结构的各项性能将逐渐完善，以满足航空、航天结构对新工艺和新材料日益增长的需求。

作者:郝新超 胡杰 单位:上海飞机设计研究院