摘要：

本文综述了三维编织复合材料及其RTM成型工艺和发展过程。同时，简单介绍了一种新的工艺，该工艺可降低成本并且能够提高复合材料制品的力学性能。

21世纪是复合材料飞速发展的时代。三维编织复合材料作为复合材料的一个领域，是以三维整体织物作为增强体的复合材料，是20世纪80年代发展起来的一种新型织物复合材料。随着纤维复合材料编织技术的不断发展，编织复合材料以其优异的性能逐渐显示出较强的竞争力。

RTM工艺则是综合性能最好的一种成型工艺，和其它传统复合材料生产技术相比，RTM有许多优点：能够制造高质量、高精度、低孔隙率、高纤维含量的复杂复合材料构件，是成型三维整体编织构件的有效方法。RTM-三维编织技术融合了RTM与三维编织各自的特点，从而使制品具有更加优异的性能。以RTM工艺制作的三维整体编织复合材料，可大幅度提高层间剪切强度和整体损伤容限，使复合材料由原来的次承力结构件成为主承受构件之一。

碳/碳复合材料是以碳纤维为增强相的碳基复合材料，是目前极少数可以在2000℃以上保持较高力学性能的材料，它具有低比重、高比强、高比模、低热膨胀系数、耐热冲击以及耐烧蚀等优异性能，被广泛应用于航空、航天、光伏等领域。

碳纤维预制体是碳/碳复合材料的骨架，其成型工艺是碳/碳复合材料最重要的基础技术之一，决定着碳/碳复合材料的性能。现在主流的碳/碳复材预制体成型工艺是针刺技术，制件属于2.5D织物。随着行业的发展，碳/碳复合材料需要更先进的预制体（3D织物），而突破传统复材工艺固有缺陷的三维编织技术，在国外已应用多年。鉴于三维编织尚未在国内碳/碳复材行业得到普及和商用，下文将浅论它在该行业的发展潜力。

飞机着陆时速度很快，需要依靠反推装置和刹车装置吸收由此产生的巨大能量，使机身静止下来。刹车盘在摩擦过程中，把动能转化为热能，其工作温度最高可达1600℃。这使得刹车盘成为飞机刹车系统的关键部件、碳/碳复合材料最主要的应用领域。目前，世界上有60余种型号的飞机使用碳/碳复材飞机刹车盘，其用量约占碳/碳复材年消耗量的60%。

因为成本低、工艺适应性好及力学性能优异等特点，针刺技术被大量用于制作碳/碳复材飞机刹车盘的预制体，并占有主导的产业地位。然而随着行业要求的提高，针刺预制体因其缺陷而越来越跟不上市场需求。

图 碳纤维预制体

碳纤维模量较高，抱合力较差，在针刺过程中容易损伤，所以很多针刺预制体采用预氧化纤维（即由碳纤维原丝在张力作用下于空气中加热预氧化后得到的中间产品）。可是，采用预氧化纤维的预制体完成后，首先需要进行碳化工艺，将预氧化纤维转变为碳纤维，然后进行致密化工艺。在此过程中，纤维很容易收缩，可能导致严重分层和变形，特别是结构复杂、不易加工的制品。研究表明，通常质量损失约50%，体积收缩约15%。因此，传统工艺过于复杂，也很难在编织的同时最大程度保留碳纤维的性能。

图20-8三维板编织工艺流程

相比之下，三维编织复合材料克服了传统工艺的缺点，即受力后容易分层的问题。三维编织复合材料是利用三维编织机首先将碳纤维等高性能纤维织造成三维整体织物，再和基体（包括树脂、碳、碳化硅、金属等）复合，从而制成复合材料制件。与层合复合材料相比，三维编织复合材料具有完全整体、不分层的结构以及良好的综合力学性能，适合制造结构制件和高功能制件。

在我国，飞机刹车盘的预制体品种单一，仍以针刺预制体为主，缺乏对于新型的三维编织和各种异形编织预制体的研产；在成型异形件方面，国外所做的旋转体预制体最大外径达到2600mm，远大于国内的1200mm；国外自动化程度高，制品性能稳定，而国内至今大多采用手工铺层针刺，效率低。所以，研发三维编织技术和三维编织复合材料对我国发展新材料具有重要意义。

传统的石墨热场系统产品成本高、供货周期长、依赖进口，阻碍了光伏行业降成本、扩规模的发展进程。

2005-2015年，国内光伏行业开始尝试新材料、新工艺。在该阶段，碳/碳复合材料为光伏行业实现单晶硅拉制炉增大投料量、提高拉速、降低能耗等工艺提供了新型热场设计与材料保障，推动了光伏行业的降本增效、技术进步。

2016年之后，随着下游晶硅制造行业向大尺寸、高拉速和高品质方向的发展，碳/碳复合材料的高安全性、高纯度和可设计等方面的技术优势越来越明显，逐渐成为市场需求主导，其产品在高温热场系统应用中，也开始向大尺寸的方向发展。

在国家“碳达峰、碳中和”战略目标的指引下，用于单晶硅生产的碳/碳复合材料坩埚和配套导流筒、保温筒等热场产品需求量呈爆发式增长，尤其是大尺寸坩埚市场前景广阔。

然而，这些产品的碳纤维预制体仍然主要采用传统的针刺技术制成。另一方面，大直径、形状复杂部件的结构功能一体化设计与高性能、低成本的碳/碳复合材料产品制造整体技术具有较高的技术门槛。

三维编织技术的发展解决了这些行业痛点，它可以实现碳纤维复合材料的大尺寸、高精度编织，而且克服了针刺预制体的缺陷，在改进层间强度、损伤容限和热应力失配等方面发挥作用。

例如，传统工艺生产的坩埚预制体整体密度为0.3-0.4 g/cm³，三维编织预制体整体密度为0.7-0.8 g/cm³，随着坩埚预制体整体密度的提高，预制体在后续碳化处理过程中质量损失与体积收缩现象将得到大幅度的改善，碳化后的坩埚产品使用寿命将延长20%左右。三维编织工艺采用智能连续一体化成型生产，使产品具有更高的整体性和一致性，生产效率较传统工艺提升20%至30%，尤其在生产大尺寸坩埚预制体时，生产效率优势更为明显。

目前，三维编织技术适用于各种大尺寸异形结构件的织造，采用编织-拉挤-缠绕一体化自动化成型工艺，可以一次性整体编织成型。同时，三维编织技术减少了工艺环节和生产周期，极大降低了碳纤维预制体的生产成本，将成为低成本碳/碳复合材料很重要的一个发展领域。

RTM工艺及发展

RTM是树脂传递模塑工艺的缩写(Resin TransferMolding)，一般指在模具的型腔里预先铺放增强材料，合模后，在一定的温度和压力下将树脂注入模具，浸渍织物增强体并固化，最后脱模得到制品的一种工艺。RTM成型工艺是从湿法铺层和注塑工艺演衍生出来的一种新的复合材料成型工艺，是目前航天航空先进复合材料的发展方向之一。

运用于航天产品的RTM成型工艺制造的复合材料，其使用的纤维增强体采用编织成型，产品价格较高，但随着国内多家企业对编织技术、编织机械的大力发展，编织体的价格已大幅下降，为RTM成型技术在航天产品的广泛应用提供了可能。RTM技术是一种适宜多品种、中小批量、高质量复合材料生产的成型技术，近年来得到声迅速发展。美国国家宇航局对RTM给予了高度重视，并认为该技术是制造结构材料的一种成本低、效益好的方法。

RTM与缠绕、拉挤等几种复合材料制备技术的综合比较见表1。从表1可以看出，RTM在这几项低成本制造技术中的综合优势是明显的。

进入21世纪后，RTM技术朝着高技术、多领域方面发展，伴随而来的是清洁、自动、快速、低成本、高质量的复合材料制造技术和低压力、低投资的设备及模具。进一步研究缺陷形成机理和影响因素，建立高效、准确的RTM成型工艺过程和模拟模型、相关软件和技术的进一步完善，可使其对实际制造过程具有准确的预测、指导和实时控制功能，以保证构件的内部质量，降低材料孔隙率，提高纤维体积含量。RTM技术发展将成为复合材料主要制造技术之一。

三维编织复合材料及发展

传统层合复合材结构抵抗损伤导致的层间破坏能力较低，因此使得研究人员致力于研发一种全新概念的复合材料三维编织复合材料。三维编织预制件及其复合材料除了有着传统复合材料所固有的重量轻、强度高等优点外，还有着传统复合材料所不具备的结构特点。传统的复俣材料制件层与层之间存在纯基体区，即层与层之间没有纤维增强。由于基体的性能比较低，传统的层合板复合材料具有一些难以克服的弱点，如厚度方向的刚度和强度低、面内剪切和层间剪切强度低、易分层、冲击韧性和损伤容限水平低等。三维编织复合材料则克服了传统复合材料分层的缺点，从理论上讲三维编织复合材料可以达到任意厚度，而且沿厚度方向有纤维增强，形成了不分层的整体网状结构。从不同结构的三维机织预制件的横截面看，编织物的厚度方向有纤维穿过，并且与沿其它方向分布的纤维相互交织、交叉在一起，是一个完全的整体结构，根本不存在“层”的概念。因此，三维编织复合材料具有良好的层间性能、抗冲击性能和其他一些优良性能。同时，三维编织复合材料可以直接织造成各种异型件，避免了后加工造成的纤维损伤，提高了复合材料的损伤容限。美国宇航局从20世纪80年代末开始的先进复合材料技术(ACT)计划，对编织复合材料进行了全方位的研究，并取得了一系列的成果，编织复合材料纳入了纺织工业的自动化生产概念。作为一种在工程上很有应用潜力的编织复合材料，三维编织增强体RTM成型的复合材料得到了工程界的重视，在研发工作上也取得了很大的成绩，具有很好的发展前景。

RTM-三维编织材料及其应用

RTM-三维编织复合材料是一种新型的、性能优异的结构材料，是采用编织方法先将纤维做成预制件，然后采用RTM工艺将低粘度的树脂注入到已铺好预制件的模具中，最后进行固化。由于RTM工艺对制件不施加外力，而是借助注射压力将液态树脂注放密封的模腔，因此不会改变织物的原结构，是成型三维编织复合材料较为理想的工艺。采用新型的编织方法， 用RTM工艺成型的RTM-三维编织复合材料克服了传统复合材料诸多不足，获得了优异的力学性能，因而逐渐得到了人们的重视。虽然用RTM成型三维编织复合材料技术上存在着许多优点，但目前国内外的RTM技术在成型三维编织复合材料还存在一些难点和问题：大面积、结构复杂的模具型腔内，模塑过程中树脂的流动不均衡，而这个动态过程无法观察，难以进行预测和控制；树脂对纤维的浸渍不够理想，制品内存在空隙率较高、纤维干斑等现象。要解决上述难点和问题，在现有的基础上改进RTM-三维编织复合材料的成型工艺是一条有效的途径。

三维编织解决了增强材料的整体成型问题，而RTM工艺正是适于整体成型的一种工艺方法，促进了其在航空、航天领域的应用。RTM三维编织复合材料是完全的整体结构，它的比强度、比模量高，具有优良的力学性能，使采用复合材料来制作主承力结构件和特殊的多功能制件成为可能。目前，采用RTM-三维编织复合材料可以制作飞行器、汽车等上面的多种不同形状的承力梁、接头、多种形式的耐烧蚀、承力的圆筒型、锥筒型的制作，还可在人造生物组织方面发挥作用，制作人造骨、人造韧带，以及制作接骨板等。RTM-三维编织复合材料具备其它材料所无法达到的性能，大大减轻了这些制件的重量，并且使其性能得到提高。RTM-三维编织复合材料具有广阔的发展前景，是许多高新技术领域中不可缺少的一种新材料。

一种改进的RTM-三维编织复合材料成型工艺

随着全球火箭、导弹和宇航技术的飞速发展，飞行器飞行中的高过载以及高能量推进剂产生的高热流等恶劣条件对耐热层提出了更加苛刻的耐烧蚀、耐热流冲刷以及机械力学性能等方面的要求。以基体、增强纤维和界面相为主组成的复合材料由于其优异的力学性能、功能特性、材料可设计性及易成型等优点，已成为目前主要的烧蚀材料。固体火箭喷嘴的整流罩主要由二维增强酚醛树脂预浸后，放入热压罐中在高温高压下固化成型。由于工艺步骤较多，成本相对偏高，但生产出来的制品力学性能较差，特点是层间强度较低。

改进其成型工艺有三个目前：

• 提高力学材料性能，减少部分或全部的加强结构；
• 简化工艺流程使其对环境更加友好；
• 降低成本。

树脂选择

树脂的选择根据经验采用高含碳量酚醛树脂，酚醛树脂在火焰烧蚀下树脂会碳化，形成一层在高温下十分稳定的多孔碳均匀附在纤维表面上，对纤维起到“强化”作用，从而提高了材料的耐烧蚀性能。此外适合成型工艺的树脂体系要求在注胶温度下树脂具有较低的粘度，对纤维增强体浸润性好。且树脂在注胶温度下有足够的凝胶时间以保证树脂能完全通过模具并浸润纤维增强体。因此，需对树脂进行改性使其粘度保持在一定水平以满足注射工艺条件，同时得到的制品孔隙率较低。由于整个工艺生产的这类型产品较少，每年仅仅几个。因此尽可能在原有投资的基础上改进工艺，特别是酚醛树脂制品固化过程中使用现有的热压罐。

总结

该工艺简化了火箭喷嘴零件设计，降低了成本，并满足了其功能性。树脂复合三维编织体制造的高强度、耐烧蚀复合材料，其力学性能接近于钢，烧蚀性能大大好于模压和缠绕复合材料。证明了该改进工艺中，增强体的选择、树脂的选择和工艺过程是可行的，该RTM工艺设计制作火箭喷嘴零件时，保留使用了热压罐等设备，在原有工艺平台的基础上最大限度地降低了成本。通过试验表明，该零件制品满足了密度、多孔性以及烧蚀性能，并且具有良好的力学性能，简化了零件结构，达到了预期目标。

结束语

新型航空航天器的先进标志之一是结构的先进性，而先进复合材料是实现结构分时性的重要物质基础和先导技术。当前航空航天复合材料的发展方向是低成本、高损伤容限、通用化、多功能化和结构一体化，而且主要不依赖材料化学上的进步来换取综合性能的进步，即在现有的设备材料平台基础上，通过改进工艺等以获得高性能先进复合材料。目前，我国应该抓紧有利时机开展这方面的技术研究和应用，缩短我国与发达国家的复合材料工业的差距。

尤其在RTM-三维编织复合材料设法摆脱对昂贵复杂的预浸工艺和高能耗热压罐的依赖，制备具有复杂外形和高质量、高尺寸精度要求的航空构件十分有效。因此开展这项技术的研究，能够为我国航空工业水平的迅速提高提供一条捷径，并且对民用复合材料行业的发展也很有好处，还可以避免资源、能源及材料的浪费和低水平重复的研究。积极开展RTM-三维编织复合材料在结构复合材料应用的基础研究，对我国发展先进复合材料技术具有重要的意义。

来源：云路复材、中国复材、 严说一点