由于三維編織復合材料是完全的整體結構不分層,所以其比強度、比模量高,具有優良的力學性能和功能,使采用復合材料來制作主承力結構件和特殊的具有多種功能的制件成為可能。但由于三維編織復合材料制造成本非常高,導致目前主要應用于國防軍工、航空航天等領域。比較典型的有航空渦扇發動機風扇葉片、飛機起落架、螺旋槳、大曲率機骨架、機翼、飛機蒙皮、飛機進氣道、航空發動機機匣、飛船關鍵連接件、火箭發動機噴管及密封調節片、衛星桁架、燃燒室內襯、導彈頭錐以及氮化硅纖維增強的導彈天線罩透波材料、耐磨損剎車片材料各類固體火箭發動機喉襯材料等功能件和承力連接件?,F就其它應用領域前景做介紹。
一、CFRTP中空管材
熱塑性CFRTP推廣相對較緩,主要是因為熔融的熱塑性樹脂粘度較高,比較難以浸潤到碳纖維之間。但隨著近幾年可將碳纖維和熱塑性樹脂薄膜通過層壓加熱方式,提高熱塑性樹脂浸潤碳纖維的能力,使得熱塑CFRTP板材和帶狀板材得以發展。而三維編織技術,可使纖維相互交錯制造中空管材。具體制作程序為:使用CFRTP單向預浸帶,通過編織成型制造中空管材,再將編織成型的中空管材加熱,使之熔融,施加壓力的同時進行冷卻,最終成型中空管材。此外,因為使用了熱塑性樹脂,使其加工的管材更具多樣性,比如加熱后可以根據用途改變形狀,并可接合且無需粘結劑。
圖 CFRTP中空管材
2022年“飛揚”火炬是變徑,變曲率的異形構件。加上表面自上而下的祥云條紋,制作難度很高。而此火炬就是由云路復合材料有限公司采用自動化立體編織工藝制備而成。
國外采用3D織物制備的碳/碳復合材料先進預制體已多年,但在國內普及和商用并不多。在此領域,三維編織技術可應用于飛機剎車盤。目前世界上60余種型號飛機采用碳/碳復材剎車盤,但傳統碳/碳復材剎車(大部分采用針刺技術)盤有其弊端,比如抱和力較差,分層變形等。三維編織可克服傳統工藝缺點,改善分層問題,并提升綜合力學性能。
隨著光伏熱場領域里晶硅制造行業向大尺寸、高品質方向發展,碳/碳復合材料坩堝也逐漸超大尺寸方向發展。但傳統的碳/碳復合材料坩堝制備技術在其朝大尺寸、形狀復雜結構功能一體化方向上有所制約,而三維編織技術能很好地實現坩堝預制件大尺寸、高精度制作,并克服傳統針刺預制體存在的的缺陷。例如三維編織工藝制備的預制體密度比傳統工藝制備的坩堝預制體密度大0.4g/cm3左右(傳統坩堝密度為0.3-0.4 g/cm3,三維編織制備的密度為0.7-0.8 g/cm3)。密度的提升可使預制體在后續碳化過程中的質量損失與體積收縮現象得到大幅改善。此外,由于三維編織工藝采用連續一體化智能成型生產,生產效率較傳統工藝可提升20%至30%。
三維編織復合材料是高技術領域中的一類新型先進復合材料,可制造高溫功能結構材料,也可作為防護材料。此外在醫學領域也可制造生物醫學材料,比如采用三維編織工藝制備生物支架等。
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