三维织造复合材料是高技术领域中的一类新型的先进复合材料,在航空航天、国防军工方面,可制造高温功能结构材料,如发动机热端部件、火箭(导弹)头锥、喷管、喉衬、飞机刹车片等;可作为防护材料,如防弹材料、装甲等。在汽车、列车、能源与环境保护行业方面,可制造轻质结构的汽车、列车的零部件、座椅以及内饰等,也可以用于制造风力发电机叶片等结构中的梁、框、筋、轴、杆等部件。在生物医学方面,可用于制造生物医学材料,用于制造人工支架、人造骨组织、牙体、假肢等。
复合材料制造技术发展也经历了纤维从无序到有序、从一维到三维的发展历程:纤维增强复合材料从短纤维与树脂混合制备复合材料到预浸渍带、二维纤维布铺放制备复合材料,到目前通过三维机织、针织、编织等方法制备三维复合材料,材料综合性能越来越优异。三维机织、三维编织、缝合、Z-pinning等复合材料三维织造技术相比于传统的复合材料层压技术、自动铺放技术具有诸多优点,然而仍面临着三维复合材料预制体织造成形大型化、数字化以及高效率的挑战。
综合国内外三维制造的研究现状,可以看出复合材料预制体三维织造技术主要向大型化、自动化、智能化方向发展。国内外研究都以实现复杂形状部件的三维织造成形为目标,开拓新型的编织工艺和浸渍工艺,改进预制体的结构从而减少成形缺陷,开发集成CAD/CAM进行编织动作自动规划和控制的先进三维织造设备,提高织造设备的自动化程度,从而使复合材料制件由传统的厚度受限制的平板状向空间三维结构形状发展。
目前,航空航天、国防军工对复合材料的预制体尺寸大型化、结构复杂化、内在致密化有迫切需求,要求复合材料制造技术实现数字化、自动化、高质量。对比国内外技术发展现状,复合材料预制体成形制造技术及装备主要向以下四个方面发展:
随着大型民航客机、大运载火箭技术的发展,对复合材料构件提出了大型化、集成化、整体化的要求。例如波音787飞机机身段采用复合材料整体制造,替代了约1500件铝合金件和40000个铆钉等紧固件构成的金属机身。复合材料占空客A380飞机35t结构材料中的25%以上,包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁大型构件等。
为了实现复合材料构件的高质量制造,欧美发达国家开发了基于三维机织、缝合、四步法编织等自动化成形装备。开发集成CAD/CAM进行成形路径自动规划和控制的大型、自动化、数字化智能成形装备也是未来的发展趋势之一。同时,面向未来,短纤维树脂基增材制造、长纤维增材制造、连续纤维复合材料增材制造技术也将成为未来发展重点。
美国等发达国家提出低成本复合材料发展研究计划,不断完善高性能、低成本的复合材料制造技术,如自动化的铺带机(ATL)、纤维铺放机等先进技术。同时为解决复合材料层间性能差的问题,复合材料制件由传统的厚度受限制的平板状向空间三维结构形状发展。
单一材料和均质结构已无法满足高超声速飞行器防热-承载一体化、舰船抗爆-隐身-承载一体化等功能需求,复合材料因其轻质、高强度、可设计、能兼具良好的力学性能和物理性能等优点,向着结构功能一体化及结构性能可定制化方向发展。