高性能复合材料管件制作工艺的比较及三维编织技术的应用
高性能复合材料管件制作工艺的比较及三维编织技术的应用１０９
－－－－＿一Ｃｊ！－＝－３性能复合材料管件制作工艺的比较及
三维编织技术的应用
ＳｔｕｄｙｏｎＣｏｍｐａｒａｔｉｏｎｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰｉｐｅｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ３ＤＭｅｔｈｏｄｓｏｆＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ＢｒａｉｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
刘振国（北京航空航天大学航空科学与工程学院飞机系，北京１００１９１）
ＬＩＵＺｈｅｎ—ｇｕｏ（ＡｉｒｃｒａｆｔＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）
摘要：为了探索三维编织工艺用于高性能复合材料的低成本制造，首先对工程上常用的几种一维、二维复合材料管件的制作工艺进行了分析，指出了各自的优缺点，并进一步说明三维复合材料管件的性能优势。针对三维复合材料性能优越但成本昂贵的普遍认识，本工作指出三维编织工艺技术结合ＲＴＭ成型工艺是实现高性能复合材料管件制造的低成本技术途径之一。最后通过实用的圆形管件型材的试制展示了整个三维编织工艺实现过程，并进而对各种类型管型制品的三维编织工艺的实现进行了展望。关键词：先进复合材料；管；成型工艺；三维编织；预成型件
文献标识码：Ａ文章编号：１００１－４３８１（２００９）Ｓｕｐｐｌ２一０１０９一０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｅｘｐｌｏｒｉｎｇｌｏｗ－ｃｏｓｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｐｉｐｅｓｕｓｉｎｇ３Ｄｂｒａｉｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆ１Ｄａｎｄ２Ｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｐｉｐｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄ
ｅｖａｌｕａｔｅｄ，ａｎｄａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ３Ｄｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｉｐｅｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｉ—
ｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｏｐｕｌａｒｏｐｉｎｉｏｎｏｆｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｈｉｇｈ—ｃｏｓｔｔｏ３Ｄｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆ３ＤｂｒａｉｄｉｎｇａｎｄＲＴＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｓａｌｏｗ—－ｃｏｓｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｈｉｇｈｐｅｒ—－ｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｉｐｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｒｉａｌ—ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆ３Ｄｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｉｐｅｓａｒｅｍａｄｅａｎｄｔｈｅ
ａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｃｏｓｔ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｒｅｄｉｓｐｌａｙｅｄ，ａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆ３Ｄｂｒａｉｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｃａｎｂｅｕｓｅｄｉｎａｌｍｏｓｔａｌｌｔｙｐｅｓｏｆｐｉｐｅ’Ｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｉｓｖｉｅｗｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｄｖａｎｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｐｉｐｅ；ｆｏｒｍｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；３Ｄｂｒａｉｄｉｎｇ；ｐｒｅｆｏｒｍ
复合材料管件是工程上常用的一种结构件，通常
可分为等截面管和变截面管，截面形状则可分为矩形管、圆形管和异型截面管。常见的管型制品有飞机、车
船、机械中的传动轴、飞机／直升机上的尾锥管、导弹筒身／头锥／尾喷管、螺旋桨／旋翼／风机叶片蒙皮的翼型
截面管、筒型压力容器、空间桁架常用的管型受力杆件、缓冲吸能装置中的吸能管、飞机／直升机结构中的管梁、工业管道、弯头等。
管型制品的特点是中空、环向连续封闭、轴向具有
一定的长度，具有较高的轴向和环向力学性能，可用于承受轴向拉压、弯曲和扭转，具有较高的结构效率，是
各种结构中常见的结构零部件形式之一，也是复合材料制品中用量（生产量）较大的产品。复合材料在管件的生产制作中的应用已有长期的
历史。随着复合材料技术的进步，用于生产复合材料管件的工艺也发展出很多种，用于制作管件的纤维和
基体材料也几乎涵盖所有现有的种类，可依据管件的用途、承载能力和形式、使用环境和成本要求进行适当
的选择。但无论如何选择，无论纤维和基体材料的性能如何，最终都要通过相应的复合材料工艺进行制造，
而且制品的性能不仅与纤维和基体材料的性能有关，更多地还决定于所用的生产工艺，这也就是复合材料
“材料即结构”的特点。
１复合材料的维数与性能
根据复合材料的分类，常用的制作管件工艺一般可分为一维、二维和三维形式，其中一维和二维的生产
工艺最为常见，工艺成熟度最高，应用最为普遍，成本
也相对较低，自动化和成套加工设备种类齐全，可满足１１０材料工程／２００９年增刊２
大部分管件的生产制作需要。一维生产工艺有拉挤，
二维工艺包括手糊铺叠、卷管、缠绕、二维编织等。从材料性能上看，一维工艺生产的管件轴向性能最高，但
其它方向上性能较弱，二维工艺生产的管件则可根据
性能需要进行铺层设计，以达到轴向和环向不同的性
能要求，这也体现了复合材料可设计性强的优势。由此可见工艺的维数越高，可设计性越强，管件的性能也
会越高，越容易生产出适合实际性能需要的产品，所以
又发展出了像拉挤＋缠绕、轴向零度铺叠＋缠绕等工艺以弥补单一工艺的不足，从而生产出更高性能的管
件。
复合材料加工工艺的维数还代表了工艺技术的先
进性。虽然二维工艺较一维工艺有了较大技术进步，但二维工艺生产的管件仍然存在性能上的缺陷，即在
第三个方向——壁厚方向的性能无法进行设计和改
善，因此存在层间剪切和剥离性能差，易分层和裂纹扩展、抗冲击抗损伤能力差等固有缺陷。解决这些问题
可通过改善基体（树脂）性能，如提高韧性、填充夹杂
（如添加纳米材料、填料和夹砂等），但这些改进办法都
不是根本的解决办法。如果从复合材料设计角度出
发，根本的解决途径是通过三维复合材料工艺进行三
维增强。三维复合材料是近几十年迅速发展起来的新的材
料形式，由于可通过材料设计和加工工艺从根本上解
决原有复合材料制品的缺陷问题，从而成为了先进复合材料的主要代表。随着航空航天及各种尖端领域军
事技术的发展，对材料，特别是高性能复合材料提出了
更高的要求，使得三维复合材料研究得到了快速发展，技术也日渐成熟，已率先在这些领域得到了大量应用。
三维复合材料，特别是长纤维连续增强的三维复合材
料具有诸多低维复合材料无法企及的高性能，如：抗分
层、抗损伤、耐冲击、抗疲劳、耐烧蚀、耐磨损，尤其还适合于机械加工，可类似于金属那样进行切割、钻孑Ｌ、机
械加工等，在连接性能上更是优于低维复合材料，因此可以更方便地应用于各种结构之中。
２常用复合材料制管工艺的特点
（１）手糊铺叠工艺：用人工方式在芯模上铺放预浸
料（或干布再刷胶），然后进行固化。优点：设备简单，适合小量制作；配合外模使用可得到较高的内外表面
质量。缺点：产品质量不易保证，生产效率低。另外对
工人要求较高，技术复杂度较高，劳动强度大。（２）拉挤工艺：需要设备有拉挤成型机组，通常使
用干纤维丝／布，经过浸胶后经过成型口成型，在拉挤过程中实现固化，直接拉挤出成品。其优点有：易实现
自动化；生产效率高；产品轴向力学性能高，质量稳定；产品长度不受限制。其缺点有：设备投资大；只能生产
等截面型材；制品横向强度差；生产过程不能轻易中
断。另外该工艺对工人技术要求较低，技术复杂度较
低。（３）缠绕工艺：需要设备有缠绕机及辅助设备和模
具，通常使用干纤维丝／带经过浸胶后根据设计反复缠
绕在模具上，缠绕好后再进行固化处理。其优点有：可
充分利用增强材料的强度，产品性能较高；易实现机械化和自动化生产；产品质量稳定。缺点有：设备投资
大；产品内表面光，外表面粗糙，一般需要打磨；由于同
时只能缠绕一根或几根纤维，所以效率较低。另外对工人技术要求较高，技术复杂度较高。
（４）卷管工艺：需要设备有卷管机、热缩带缠绕机
等，使用预浸料，卷制完成后再在表面缠绕上热缩带，
然后进行固化。其优点有：可通过设计获得各向不同
的材料性能；缺点有：除ｏ。铺层外，其他角度铺层均会形成接缝区；壁厚会因接缝和热缩带收缩松紧程度产
生不均匀。（５）二维编织＋ＲＴＭ工艺：需要设备有二维编织
机、ＲＴＭ设备和模具，使用干丝，先在芯模上反复编
织多层套管，然后放在专门设计的ＲＴＭ模具内，经过
ＲＴＭ注胶后再进行固化。其优点有：各层内纤维基
本连续且互相交织；可通过Ｏｖｅｒｂｒａｉｄｉｎｇ技术实现多层厚壁预成型；表面质量高；可实现混杂编织；可通过
三轴编织工艺增加轴向纤维以提高轴向性能；材料浪
费少，污染少。其缺点有：仍为二维层合材料；需要反
复多层编织。
３三维复合材料制造工艺与三维编织技术
三维复合材料的主要制造工艺包括：三维机织
（Ｗｅａｖｉｎｇ）、三维编织（Ｂｒａｉｄｉｎｇ）、三维针织（Ｋｎｉｔｔｉｎｇ）
和缝纫（Ｓｔｉｔｃｈｉｎｇ），每种工艺都各有其特点，适合制作不同性能要求的三维预成型件，然后再通过ＲＴＭ工
艺制成复合材料，其中三维机织工艺适合制作具有一
定厚度、曲率较小的大尺寸板材和异型件，纤维基本呈
正交排列；三维编织工艺比较适合于制作截面尺寸较小，但截面形状变化较大，轴向尺寸较长的预成型件；
三维针织适合制作面内变形较大的厚板，其预成型件较适合成型较大曲率变化的制品，如头盔等；三维缝纫
通常使用工业缝纫机将多层铺叠布缝合成具有一定厚
度的预成型件，如厚板、各种型材等。其它新开发出的
三维织物还有三维角连锁织物、三维整体夹芯织物等。≈＆＊ｇ☆¨＃＊“ｄ”』Ｚ∞Ｍ＃＆％＊‰＃￥∞“目
从上述一维复合材料坝成型件制作工艺特点来看，三维编纵工艺由于类似十一维编织工艺，所“叵适
合干成型截而形状和Ｒ寸变化不大的较Ｋ制晶，特别
是三维圆形编纵机更适合于编织管型预成型件。三维编级复合材料通常采用二维编织Ｊ：艺编织出预成型
件，州ＲＴＭ工艺米复台。用二维编织＋ＲＴＭ工艺制
作高性能管件具有以Ｆ特点：（１）需要设备：三维圆形编纽机．ＲＴＭ设备世模其｝
（２）优点：所有纤维均群成卒可立体交织，形成整
体结构；整体一次成型，可近净形状成型，可增加更多
的轴向纱以提高轴向性能；可宴现纤维混杂编织．可实现机械自动化编织．提高生产效率，可有嫂降低制造成
奉；配台不同的芯模可编织任意形状的茼形厚壁制品。（３）歃点是目前应用还不普及，对其性能的研究迂
不足罄．＝维编织机使用经验和散果，特别是成牛模刊
还未建立，还无法与其它成熟［艺进行有效时比。
由Ｌ述分析町知，各种用于复台材料管的４产和
成型Ｔ艺各有特点，不ｌｑ工三生产的管型制品性能上也各有特点，适合小同的应用，也都有相应的市场。其
中二维编织＋ＲＴＭ工艺方法制作的臂件由于整件化一次成型、不分层、抗冲击、抗损伤、各向性能可设¨性
强等优势成为高性能管件制作的理想工艺。但由于目
时２维编织技术的研究和应用程度所限．三维编织复台材料的麻用更多地局限十航天及高精尖技术等对材
料性能、功能和质量要求型为敏感和更为苛刻的顿域，
这也使得二维编磬｝复音材料巫多地被认为是性能好和
成本高的代表．使该项技术一直未能在高性能复合材料制品，特别是管件制作中大量应用。其它带ｆ约因素
还有：现有水平的三维编织生产效率低．制作周期长，
制品尺寸受编织机规模限制等等。现有的三维编织机
复合材料拉挤工艺
— — 1 —1 — 复合材料拉挤工艺
拉挤工艺是一种古老的复合材料制造工艺，主要用于制造具有各向异性和非均匀形态特征的复合材料制品。随着拉挤技术的发展，许多先进的拉挤设备相继研制成功并投入使用。近年来，随着拉挤法树脂传递模塑成型工艺的迅速发展，拉挤技术已成为复合材料成型技术中最重要的一种。与传统工艺相比，拉挤工艺具有生产效率高、产品质量稳定、材料利用率高、结构尺寸精度高等优点。
拉挤制品是在模具中经加热后，通过拉头的拉伸作用，使纤维方向垂直于模腔轴线方向的树脂流动而将纤维组织连续地铺于模具型腔内形成的。其基本特点是：
1.制件受模具型腔形状限制，所制制品与模具形状一致；
2.制品结构尺寸精度高；
3.制件表面光洁，无毛刺；
4.制件具有优良的力学性能。
拉挤工艺是复合材料成型工艺中最早应用的一种方法，在欧美已有70年以上的历史。中国于20世纪70年代初期开始研究并推广应用。目前拉挤制品已用于航空航天、体育器械、交通运输等领域。
复合材料增材制造技术
复合材料增材制造技术
复合材料增材制造技术是一种新型的制造技术，它将复合材料和增材制造技术相结合，可以实现快速、精准、高效的生产过程。下面将从定义、原理、应用和发展趋势等方面进行详细介绍。
一、定义
复合材料增材制造技术是指采用增材制造技术对复合材料进行加工，通过逐层堆积和烧结等方式完成产品的生产。该技术具有无模具加工、快速生产、精度高等优点，可广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。
二、原理
复合材料增材制造技术主要包括三个步骤：建模、切片和成型。首先，根据产品需求进行三维建模，然后将模型切片成多层，生成每一层的加工路径。最后，在加工平台上逐层堆叠和烧结复合材料粉末或纤维布，形成所需产品。
三、应用
复合材料增材制造技术在航空航天领域得到了广泛应用。它可以生产轻量化、高强度、高刚度的复合材料零部件，如飞机翼、机身等。同时，在汽车制造领域，该技术可以生产轻量化的车身结构和内饰零部件。此外，复合材料增材制造技术还可以应用于医疗器械、体育器材等领域。
四、发展趋势
随着科技的不断进步，复合材料增材制造技术将会得到更广泛的应用。未来，它将会在航空航天、汽车、医疗器械等领域发挥更大的作用。同时，随着3D打印技术的不断发展，复合材料增材制造技术也将会不断完善和提升。
综上所述，复合材料增材制造技术是一种新型的制造技术，在未来将会得到更广泛的应用和发展。
产业用纺织品的重点研发方向 高性能复合产业用纺织品加工技术
科技ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
产业用纺织品的重点研发方向 高性能复合产业用纺织品加工技术
耐高温、耐酸碱过滤材料 用于高温、酸碱等环境下的过滤。目前需要进一步解决的关键技术包插 将聚苯硫醚、芳砜纶、亚酰胺等高性能纤维应用在过滤材料中开发幅宽２．５ 针刺过滤材料生产设备和工艺，年产规模为１０００万ｍ２。国内已有成熟的针 刺非织造布生产设备和过滤材料生产基础，但是质量不够稳定，需要开发高 产能、质量稳定的过滤用材料。 微渗、缓释非织造渗透膜 在缺水地区使用微渗、缓释非制造材料，可以保证水定向、连续向根 部渗透。目前需要研究解决研究高吸水性大分子材料的合成、微渗、缓释膜 结构的制造。了解缺水地区的情况，在管式、板式渗透膜技术产业化的基础 上进行研究开发。 多维纺织成型技术及关键设备 多维纺织技术是研制大型／异性高性能复合材料结构部件的关键技术， 主要应用于航空、航天等领域。目前需要解决的课题是突破中试条件，研究 大型和异性复合材料结构件多维编织成型工艺及关键设备，包括：三维纺织 技术及其技术装备；液体模塑成型技术及其技术装备；ＣＡＤ／ＣＡＥ技术；先 进纺织复合材料增强体及制件的质量检测技术和标准的制定。天津工业大学 在三维纺织技术和纺织复合材料制备的工艺技术方面有很好的技术基础，许 多关键技术和设备都取得了重大突破，并已成功应用于我国航天、航空等领 域。在现有基础上，预计在２～３年的时间内，我国将完成三维整体制造技 术及计算机辅助设计、液体模塑成型技术和计算机辅助设计、能够满足批量 生产的关键技术。 自修复复合材料 复合材料出现机械损伤、裂纹后可以自动修复，有效消除隐患、增强 材料的强度和延长其使用寿命。目前正在研制在使用环境下可以长期稳定储 存、裂纹形成后即能进行快速高效自修复的材料。需要解决的问题包括：深 入研究修复体系的结构与修复性能的关系，修复剂的修复机理、修复剂填充 裂纹、实现粘结的动力学及热力学的全过程。 埋地管道修复用管状纺织复合材料的加工成型技术 在不开挖地表的条件下，采用纺织纤维材料制成管状织物，对其外表 面进行热熔附防渗膜与内表面浸渍粘接树脂，然后采用翻转法利用气压或水 压使之粘接并衬于旧管道内壁上，在一定压力下，树脂常温或加热固化后， 形成内壁光滑的管状纺织复合材料，从而完成对旧管道的保护与修复。据统 计与更换新管道相比，一公里能够节省２Ｏ万～３Ｏ万元，其经济效益显著， 且免去了开挖带来的诸多负面影响。天津大学从２００４年起开始研究这一项 １ ０４中国纺织２００８．０７ 目，主要针对管状织物的原料适应性、结 构设计、制作原理与方法、复合成型原理 与工艺等进行了研究，取得了初步的成果， 与企业合作的项目“应用于燃气管道翻衬 修复技术中的管状及织物附膜复合材料的 小样研制”已顺利开展两年，为企业提供 了很好的理论与技术支撑。目前侧重于实 验室小样产品的设计与研发，下一步将针 对实际应用产品尺寸开展大样研究。 吸油纤维工程化关键技术与装 备研究 目前这一项目需要解决的关键技术 包括聚合工艺研究：冻胶制备、贮存及粉 碎技术研究加热状态下冻胶的流变行为， 提高冻胶的纺丝可纺性；研究冻胶纺丝过 程中纤维横截面的形成理论，开发适用于 冻胶纺丝的脱溶剂设备及工艺；冻胶纺丝 过程中的拉伸及热定型等后处理工艺；完 善连续双螺杆纺丝、拉伸、热定型等关键 装备。在国家自然科学基金等的资助下， 在单体制备或提纯、聚合物合成、纺丝及 后处理工艺、关键实验设备、纤维结构与 性能关系等方面已有六年多的研究工作积 累，目前已完成了基础研究和小试工作。
三维四向编织复合材料细观组织及分析模型
第16卷1999年 第3期8月复 合 材 料 学 报ACTAMATERIAECOMPOSITAESINICAVol.16 No.3August 1999 收修改稿、初稿日期:1999-03-03,1998-06-24三维四向编织复合材料细观组织及分析模型
庞宝君 杜善义 韩杰才
(哈尔滨工业大学航天工程与力学系,哈尔滨150001)
摘 要 以四向编织复合材料为对象,对所建立的单胞组织模型进行了细观组织的实验验证,所得结果与理论分析结果吻合较好。证实了所建模型的正确性,成为三维多向编织复合材料性能分析与材料优化设计的基础。关键词 编织复合材料,分析模型,细观组织,实验中图分类号 TB330.1,TB33
三维编织物结构上所具有的优点,使三维编织复合材料结构与性能具有显著的优势,整体
性显著地提高了强度和刚度,具有优良的抗损坏性及良好的力学性能和耐烧蚀性能[1]。三维编
织复合材料已经在航天、航空等高科技行业得到了广泛的应用[2]。
编织复合材料具有显著的性能可设计性。组分材料的性能、制造工艺决定了复合材料的性
能。同时,编织复合材料的材料单胞在力学上具有显著的结构特性,因此织物组织结构参数即
编织参数也将影响编织复合材料的性能。为了进行材料的优化设计,需要掌握编织复合材料内细观组织特性,即材料单胞内纤维束与基体在空间上的几何分布规律。Chou等[3～4]将编织复
合材料单胞看成由四个倾斜的单向复合材料层板组成,建立了倾斜板模型。吴德隆等[5]研究了
五向编织复合材料的分析模型,土方、福多等[6～9]对三维多向编织复合材料的材料模型在几何
上作了探讨。肖丽华与李嘉禄对三维编织工艺及编织复合材料进行了研究[10～11]。柴雅凌对三
维编织预制件中纱线结构进行了拓扑学研究[12]。
本文以矩形截面的碳/环氧四向编织复合材料试件为对象,为验证所建模型的正确性,进
行了材料内部显微组织的观察实验,实验结果与所建立的四向编织复合材料单胞几何模型的理论分析结果吻合较好。以三维四向编织复合材料为对象所建立的模型具有普遍意义,研究方
碳纤维复合材料的成型工艺及应用
碳纤维复合材料的成型工艺及应用
威海光威复合材料股份有限公 264202
威海光威复合材料股份有限公司 264202
摘要：复合材料的轻量化研究已成为现代设计制造领域的主流。随着社会对节能减排的要求越来越高，轻质材料将广泛应用于各个领域。简要介绍了几种具有代表性的碳纤维及其成型工艺，并结合轻量化的特点分析了碳纤维复合材料的应用前景。
关键词：碳纤维复合材料;轻量化;成型工艺;应用
1概述
在当今的设计和生产中，复合材料的轻量化是一个重要的发展趋势。随着节能减排需求的不断增加，轻质材料将广泛应用于各个行业，成为未来发展的主要方向。综述了碳纤维及其复合材料的性能、应用和发展，总结了国内外具有代表性的碳纤维制品的主要成型技术，并从材料应用的角度展望了其发展趋势。
2 碳纤维复合材料成型工艺
2.1 PCM成型工艺
PCM工艺是将CFRP半成品放入模具中，采用扫描喷射成型工艺。PCM成型过程首先需要对模具进行设计，然后通过三维计算机处理得到模具的三维模型，然后将数据转换成分层剖面数据，生成控制信息。然后，使用PCM快速成型机控制树脂喷嘴，将树脂均匀地喷到芯砂表面。一层完成后，对其进行预热，以加速模型的固化。PCM成型工艺不仅可以大大缩短成型时间，提高生产效率，节约生产成本，提高产品稳定性，而且尺寸精度高，表面光洁度好，易于一次成型复杂结构件。同时，由于纤维具有良好的取向性，产品具有较高的强度和刚度。目前，PCM成型工艺已成为汽车CFRP的重要组成部分[2]。 2.2ＲTM成型工艺
RTM工艺是在一定压力下填充低粘度树脂，然后在封闭模具中低压固化，得到结构复杂的复合材料。RTM成型工艺流程首先根据不同需要设计碳纤维的布局，将碳纤维铺入模具闭合，然后注入树脂进行渗透，固化后打开模具取出成品。与传统的成型工艺相比，RTM工艺简单，易于控制，生产效率高，模具成本低；产品表面平整光滑，形状精度高。目前，RTM工艺以其优异的性能在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛的应用。然而，传统的RTM工艺从铺丝、树脂注射、浸渍、固化到最终脱模需要2个多小时，难以满足快速生产工艺的要求。因此，快速RTM技术不仅是大型复杂CFRP构件整体成型的首选方法，而且将成为未来CFRP成型技术的发展方向[3]。
三维编织复合材料的群论分析
三维编织复合材料的群论分析
三维编织复合材料的品种还比较少,用于描述编织几何结构的理论和系统的分类方法有待于深入研究,本文用对称群理论解决了这些问题。编织几何结构的对称性可以用对称群加以描述。
用点群描述编织几何结构的点对称性,根据点对称性特征可将编织材料进行粗略分类,同时获得相应几何结构的单胞形式。用空间群描述三维编织几何结构,可以将其进行详细分类,从而推导出系列全新的编织材料几何结构。
本文首先论述了与编织材料几何结构有关的对称群理论。定义了与编织材料几何结构对称群有关的对称操作和对称元素等概念;阐述了编织几何结构的对称操作的类型和表达方法;通过编织几何结构的对称性定义了编织点群、编织点阵和编织空间(平面)群;用编织材料几何结构对称操作的矩阵表示推导了编织空间点群、空间群的矩阵表示;归纳了对应编织几何结构的平面点阵和空间点阵。
为了用平面点群研究二维编织几何结构的点对称性,本文定义了代表纱线段的点符号和基本对称单元等概念。在此基础上,论述了对称单元的构建方法,从而将二维编织(包括平面机织)材料按几何结构合理分类。
用平面点对称操作构建相应的平面对称单元图案,得到对应不同几何结构的单胞。在分析二维编织几何结构的简化方法及与平面点阵阵点对应关系的过程中,对编织平面点阵进行总结分类。
根据不同编织平面点阵的特点,归纳了二维编织几何结构惯用单胞的形状。用编织平面群分析二维编织几何结构,将二维编织几何结构进行有效分类,系统推导了二维编织几何结构。
同时推导二维编织材料几何结构对应点群的矩阵表示,矩阵表示可用于编织复合材料的力学性能研究。用空间点群将三维编织几何结构分类,并将其单胞的对称性用点群进行了描述。
推导了编织空间点群的矩阵表示,为将对称群变换应用到三维编织复合材料的力学性能研究打下基础。通过验证得出编织空间点群不含有纯镜面对称群元素的结论。
将具有点对称性的纱线段组合用一个阵点表达,三维编织材料的几何结构就可以对应的不同空间点阵。根据不同编织空间点阵的特点,归纳了三维编织几何。
三维编织控制技术的研究
第１卷第２期 ２００２年９月 南通工学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｔｏｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｖｏ１．１ Ｎ０．２ Ｓｅｐ．２００２
文章编号：１６７１—５３１４（２００２）０２—００２９—０３
三维编织控制技术的研究
姜 平
（南通工学院自动化系，江苏南通 ２２６００７） 摘要：结合三维编织的工艺，研究用ＶＢ实现对三维编织加工过程的仿真；用ＶＢ实现上位ＰＣ机与下位单片机进 行通信，传送加工指令和加工数据；下位单片机对三维编织实行自动控制。 关键词：三维编织；通信；单片机 中图分类号：ＴＰ１３ 文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ—－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｗｅａｖｅ ＪＩＡＮＧ Ｐｉｎｇ （ＮａｎｔｏｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ ２２６００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅ ｃｒａｆｔ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｗｅａｖｅ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎ－ ｓｉｏｎａｌｗｅａｖｅｗｉｔｈＶＢ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄａｔａａｒｅｔｒａｎｓｒｎｉｕｅｄ ｂｙｔｈｅＰＣ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏ－ ｃｅｅｄｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｈａｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｗｅａｖｅ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｗｅａｖｅ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ
树脂传递模塑工艺成型三维编织复合材料树脂体系研究
研究报告及专论 粘接２００６。２７（４）
树脂传递模塑工艺成型三维编织
复合材料树脂体系研究
邓杰’，艾涛
（１．西安航天复合材料研究所，陕西西安７１００２５；２、西北工业大学应用化学系，陕西西安７１００７２）
摘要：针对三维编织物的特点，研究出了适于三维编织复合材料树脂传递模塑（ＲＴＭ）成型工艺的树脂体系。
该体系具有黏度低、适用期长、力学性能及耐温性好的特点，能够满足ＲＴＭ工艺成型高纤维体积含量的三维编织
复合材料要求。
关键词：树脂传递模塑；三维编织复合材料；基体材料；性能
中图分类号：ＴＱ４３７ 、５文献标识码：Ａ文章编号：１００１—５９２２（２００６）０４－０００７—０３
１ 前言 三维编织复合材料是２０世纪６０年代末发展起来的一种
新型复合材料，由于其优异的力学性能，很快就引起了人们 广泛关注。这种复合材料的增强相是三维编织物，该织物的
特点是连续纤维在空间相互交织形成网络结构，因此没有传
统铺层复合材料中“层”的概念。由于其预成型是一次编织
完成，无需缝合，无需机械加工，因而三维编织技术在制作异
形整体复合材料制件中发挥着突出的作用。 用传统的树脂层压工艺树脂浸渍不均匀，成型压力高，因
而不能用于三维编织复合材料的成型。ＲＴＭ工艺是根据三维
编织件的形状制成模具，将预制件装入模腔，预制件纤维束间
的孔隙为树脂提供了通道，通过抽真空式加压将树脂注入模 具中，即能很好地完成制作三维编织复合材料的过程。
ＲＴＭ工艺成型的复合材料制品的树脂含量通常为４０％
左右。为了提高复合材料制件的力学性能，使其用于承力结
构件，必须降低树脂含量，提高纤维体积含量。而制件的纤
维体积含量与树脂体系的特性、织物的组织、性质以及含量 有关 。本文研究了适合ＲＴＭ工艺成型的树脂体系。
２试验部分 ２．１ 材料 ＡＦＧ－９０，上海市合成树脂研究所；６３６０，无锡树脂厂；
１、３００（３Ｋ）碳纤维编织物，天津纺织大学；Ｐ３０碳纤维，日本东
三维立体织物复合材料研究与进展
三维立体织物复合材料研究与进展
随着科技的发展， 复合材料在工业、民用和军事领域中被广泛应用。
三维立体织物复合材料是一种新型的增强材料，具有高强度、高刚度、
高韧性、成型性好等优点，已经成为各种工业材料中不可或缺的一种。
本文将从三维立体织物的结构、制备及其应用方面综述其研究现状及进
展。
1. 结构
三维立体织物复合材料是由不同面密度的织物构成的。由于三维立
体织物的结构特殊，其性能比二维复合材料更优异。三维立体织物的结
构通常由一个或多个三维交织的体和两个被称为“二面”的两个表层。
其中， 三维交织的体是由纵向纤维、横向纤维和 Z 向纤维相互交织构成。
在制备过程中，纵向纤维通过贯穿织物的织机械设备撬开，经过钩针或
喷织设备将横向纤维和 Z 向纤维与其相互交织。每个层次的纱线和织物
的间隔尺寸都是可调节的，这使得三维立体织物的结构通过控制纵向、
横向和 Z 向的纱线结构来实现。
2. 制备
三维立体织物复合材料制备技术是目前研究的热点之一，目前已经
研制出许多相应的生产工艺，包括针织法、喷织法、无纺布法、编织法
等。
( 1)针织法：是一种纱线由一台细针织机械编成的三维结构。它采
用针织设备排列的行和针织面来构造一个连续的、无缝的三维结构织物。
在织物的表面和内部织有不同的纱线密度或纺织结构。
( 2)喷织法：是一种通过喷织纤维来制造三维立体织物的方法。将
树脂/纤维复合材料从喷嘴或泵喷出，并通过喷嘴将复合材料沉积在三维 织物上。在制备过程中，纵向纤维通过喷嘴或滚轮决定，横向纤维和 Z
向纤维则通过喷射进行构造。
( 3)无纺布法：是一种制造无纺布的方法，其特点是不需要经过织
造过程，可以快速制造出优质的三维立体织物。目前，无纺布法主要采
用热风交织、喷丝和湿法交织等方法来实现。
(4) 编织法： 与纺织品的编法类似， 纵向纤维被编织成为连续结构，
然后横向纤维和 Z 向纤维被插入编织的结构中，形成一个具有三维立体
三维编织复合材料研究及应用现状
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维编织复合材料研究及应用现状
■文／王海雷 高艳秋 范雨娇
中航工业复合材料有限责任公司
三维编织复合材料是利用编织技
术，把经向、纬向及法向的纤维束（或
纱线）编织成一个整体，即为预成型结
构件（简称“预制体”），然后以预制体
作为增强材料进行树脂浸渍固化而形
成的复合材料结构。由于增强纤维在
三维空间多向分布，阻止或减缓了冲
击载荷作用下复合材料层间裂纹的
扩展，使得复合材料层间性能大大提
升。因此，三维编织复合材料较普通层
合复合材料具有更高的冲击损伤容限
和断裂韧性。三维编织技术可按实际
需要设计纤维数量，整体织造复杂形
状的零部件和一次完成组合件，减少
二次加工量，如加筋壳、开孔结构的制
造等，因而经济性好、成本低、制造周
期短。此外，三维编织复合材料可适用
于各种复杂几何形状的织造，稳定性
和整体性高，可设计性强，可通过改变
编织方式、编织角、纱线密度等参数满
足某些特定的工程需求。基于以上各
种优势，三维编织复合材料得到了迅
速的发展，并且受到工程界的普遍关 注…。
细观模型的研究进展
三维编织复合材料细观结构 的研究始于２０世纪８０年代初，比如
ＫｏＮＰａｓｔｏｒｅ的单胞织物几何模型
（ＦＧＭ），Ｍａ和Ｙａｎｇ的“米”字型单胞
模型以及Ｙａｎｇ提出的“纤维倾斜模
型”，这些都属于简单的等效理论的范
畴。
２０世纪９０年代以后，数值仿真能
力得到大大提高，人们开始对三维编
织复合材料的成型、编织程序、纱线在
编织过程中的走向等进行更深入、完
善的研究。Ｄｕ和ＫｏＨ单胞理论的基
础上研究了编织参数与三维编织复合
材料的纤维编织角及纤维体积含量之 间的关系。Ｓｕｎ［ｚｌ将数字化方法成功地
用于研究复杂微观结构的三维编织矩
形预成型体，准确地分析了纱线相互
作用和横截面的变形情况，并对比了
拓扑模型和数字化方法预测材料微结
构的差异，在此２种模型的基础上运
用体积平均法计算了三维矩形编织复