Transcript 2、劣势
典 型结 构 剖 解 三维四向 三维五向 编织原理 编织设备 主要产品形式 主要产品形式 编织结构性能特征 1、优势： 净尺寸仿形，异形构件； 结构形态多样，纤维多向性。 2、劣势： 加工余量少，性能降低明显； 抗分层能力相对较差，易于剥离。 4、缝合与穿刺结构立体织物 缝合工艺：用纤维将两层或两界面以上的实体经过穿连进行成形。 穿刺工艺 ：钢针（碳棒）预铺矩阵，织物穿刺，纤维置换。 机织布 碳纤维 钢针 典 型结 构 剖 解 缝合设备 主要产品形式 缝合结构性能特征 1、优势： 大尺寸构件，异形结构； 快速成形，制备效率高。 2、劣势： 纤维损伤较大，复合材料界面较差； Z向纤维含量较少，不耐冲击与压缩。 （三）立体织物成型工艺 主要成型工艺 1、手糊工艺 2、RTM工艺 3、真空导流工艺 4、热压罐工艺 5、浸胶与喷射工艺 RTM成型工艺 RTM工艺是指把低粘度、无溶剂液体 树脂在一定压力下注入模腔,浸渍预先 固定在模具内的纤维增强体,并在一定 温度下固化成型的工艺 。 RTM工艺特点 (1)RTM工艺分增强材料预成型坯加工和树脂注射固化两个步骤,这 两个步骤可分开进行，具有高度的灵活性和组合性，能实现“材料 设计”。 (2)RTM是闭模成型工艺，增强材料与树脂的浸润由带压树脂在密 闭模腔中快速流动来完成，而非手糊和喷射工艺中的手工浸润，又 非预浸料工艺和SMC工艺中的昂贵机械化浸润，是一种低成本、 高质量的半机械化纤维/树脂浸润方法。 (3)RTM工艺采用了与制品形状相近的增强材料预成型技术,织物/树 脂的浸润一经完成即可固化，因此可用低黏度快速固化的树脂，并 可对模具加热而进一步提高生产效率和产品质量。 RTM工艺特点 (4)增强材料预成型体可以是短切毡、连续纤维毡、纤维布、无皱折 织物、三维针织物以及三维编织物，并可根据性能要求进行择向增 强、局部增强、混杂增强以及采用预埋和夹芯结构，可充分发挥复 合材料性能的可设计性。 (5)RTM工艺的闭模树脂注人方法可极大地减少树脂的有害成分对 人体和环境的毒害，满足先进工业国家对苯乙烯等有害气体挥发浓 度越来越严格的限制。 (6)RTM—般采用低压注射技术（注射压力<0.4MPa)，有利于制备 大尺寸、复杂外形、两面光洁的整体结构。 (7)模具可根据生产规模的要求选择不同的材料，以最大限度降低成 本。 RTM注射机 真空辅助成型工艺 辅助树脂被织物吸收，不仅可降低孔隙 率，预成形纤维更紧密，真空形成的负 压，树脂就顺真空通路沿预成形体各层 面流动，从而充分浸渍纤维，并使纤维 /树脂分布均匀。 多层织物真空辅助成型（视屏） 真空吸胶工艺 几种结构浸透性对比 A：多层机织布 B：多层针织布 C：正交三向机织布 夹芯织物真空辅助成型 真空辅助成型工艺 夹芯织物其它复合成型工艺 （四）立体织物应用及发展趋势 1 立体织物的工程应用 立体织物的工程应用始于20世纪60年代，为满足军 事工业和尖端武器的发展需求，为解决战略导弹弹 头再入大气层的“热障”问题（导弹的弹头在再入 大气层瞬间，弹头驻点大气压可达十几MPa，弹头表 面温度可达到上万度，再入过程中弹头的轴向载荷 很大，这是任何传统材料和简单的结构设计难以解 决的课题），美国研制成功碳纤维三向织物和石英 纤维三向织物，用于战略导弹的头锥和天线窗。 与此同时，法国研制了战略导弹固体火箭发动机 喷管用的编织复合材料，先后研制成功三向和四 向编织工艺，开发出喷管上应用的三向碳/碳复 合材料的多种产品。进入20世纪90年代，立体织 物及编织工艺以惊人的速度蓬勃发展，各种新结 构，新工艺层出不穷，它的应用已由航空航天领 域拓展到交通、体育运动器材、建筑等领域。 军用领域应用情况 1、热防护系统 再入飞行器、高超声速飞行器的头锥、翼前缘、迎风 面、背风面或发动机热端等部位。 2、透波系统 各类天线罩、雷达罩等。 3、结构-功能、智能化系统 隔热瓦、刹车盘、智能机翼蒙皮、无人飞机等。 军用领域材料使用情况 烧蚀类 – 碳/碳、碳/酚醛、碳/ 陶瓷复合材料系列 飞船返回舱 热防护类 – 碳/碳、高硅氧/酚醛、 高性能泡沫复合材料 战略导弹 透波类 – 石英、高性能玻纤、 陶瓷复合材料系列 航天飞机 ALBANY的2D编织 ALBANY的3D机织 碳-碳复合材料 碳-陶瓷复合材料 美国NASA在1990年采用先进复合材料技术 （ACT）－关于复合材料机翼和机身主结构 计划启动，到1999年止得出的结论为：编 织方案特别适合于受复合载荷的机身框和 舱窗间加筋板，缝合机翼获得了成功。 1983年美国AVCO公司在ASMT工厂安装了BR900型和 BR2000型两台编织机。采用缠绕/针刺工艺，使用该自动 编织工艺生产立体织物，可使成本降低1/3，生产周期缩 短了1/2。 德国HERZOG公司 研制成功由计算 机控制、全自动 、模块式的三维 编织机，可实现 板块、加筋织物 的制造。 德国的KSL、ALTIN在穿刺缝合理念（单边缝合）和采 用机器手控制缝合针方面取得了极大成功，设备自动 化程度高，且几乎不受构件尺寸和形状的限制，是立 体织物低成本制造技术的创新。 中材科技股份有限公司 南京玻璃纤维研究设计院 • 南京玻纤院的立体织物经过三十多年的 发展，目前已拥有正交（非正交）非制 造织物、穿刺织物、三维编织织物、机 织立体织物、整体内联织物等多种结构 的立体织物及编织工艺、设备，是国内 工艺门类最全，提供织物最多的单位， 独创了双组份穿刺技术、整体封顶编织 技术、完整单元体结构的三维编织技术 等，已完成从模仿跟踪国外到自主创新 、集成发展的转化，现已成为国防科技 工业的重点配套单位，是我国立体织物 的研究、试制及生产基地。 国内主要立体织物制造商 1、天津工业大学 上世纪九十年代初开展三维编织织物的研究工作，在基础 研究、织物结构分析、建模、计算机仿真、性能评价等方 面具有优势，具备一定的工程化研发能力。 2、宜兴天鸟 碳布（或纤维）、毡铺层针刺织物、石英纤维针刺织物、 穿刺织物，产品主要用于飞机刹车盘、导弹发动机。 立体织物应用研究主要单位 中南工业大学 西北工业大学 国防科技大学 哈尔滨工业大学 北京航空航天大学 天津大学 西安交通大学 南京航空航天大学等； 航天703所 航天43所 航天三江集团 航天二院 航天三院 航天六院 航天八院 航空621所 航空625所 航空611所等。 民用领域应用开发情况 储罐 造船 建筑 应用 风力 发电 航天 航空 交通 3-TEX 公司 3-TEX公司产品规格 PARABEAM公司 双层储罐 ZCL公司罐体规格 国内民用领域主要制造商 1、中材科技股份有限公司 2、常州伯龙三维复合材料有限公司 3、宜兴天鸟 4、常州同维佳业 中材科技股份有限公司 1、中空夹芯织物及其复合材料 2、三维机织多层织物及其复合材料 3、多轴向管状织物及其复合材料 立体织物未来发展趋势 1、超轻、超稳、高强材料； （纤维基体、树脂体系、结构设计） 2、结构、功能一体化创新； （点阵、桁架结构，热、声、电、磁、辐射） 3、低成本制备、设计制造一体化、检测评价体系。 超轻——格栅结构 1、纤维缠绕自 动化生产，工艺 时间缩短88％； 2、减重40％， 成本降低20％ （相比于蜂窝夹 层）。 超轻、稳——点阵材料 纤维树脂基点阵复合材料 连续碳纤维网架穿插，三维编 织，有效避免分层问题 该结构节点由纤维交叉而成， 加以树脂基固化 超强——纳米复合材料 制备问题 均匀分散 定向排列的控制 高体积含量和高速率制造 低成本 立体织物设计与表征 设计、评价、试验、 能力、成本、新工艺 应用 基础研究：原材料、复合技术、 材料/结构/功能一体化 研发 高新工程、基础设施建设 机遇与挑战 轻质、多功能先进复合材料 用量将不断增长 现状