復(fù)合材料的承載能力主要取決于其增強體的結(jié)構(gòu)和纖維取向，如何在構(gòu)件的不同部位根據(jù)其承載需求設(shè)計不同的增強體結(jié)構(gòu)是滿足復(fù)合材料構(gòu)件高承載要求的技術(shù)關(guān)鍵?，F(xiàn)有的織物增強技術(shù)存在織物剪切性能低、耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計難、編織工藝適應(yīng)性差等問題。針對上述問題，天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究院開展了多種復(fù)合材料增強體編織材料制造技術(shù)研究，突破了多元耦合仿形編織、螺旋多向/正交三向耦合編織、復(fù)雜曲面加減紗編織等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)雜構(gòu)件織物增強體一體化成型，滿足了我國航空航天重大工程的應(yīng)用需求。

多元耦合仿形編織技術(shù)

三維紡織工藝具有靈活多樣性，可以實現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)的耦合仿形編織，是復(fù)雜構(gòu)件結(jié)構(gòu)一體化、減少零部件連接數(shù)量、提高結(jié)構(gòu)整體強度和穩(wěn)定性的高新技術(shù)。整體構(gòu)件預(yù)制體三維機織預(yù)成型過程中，預(yù)制體的宏觀構(gòu)件結(jié)構(gòu)和細(xì)觀織物結(jié)構(gòu)同步形成，通過對整體構(gòu)件的多相材料布局和多尺度結(jié)構(gòu)布局的并行設(shè)計，將適宜材料編至適宜位置、利用獨特結(jié)構(gòu)實現(xiàn)獨特性能，從而獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)材料，以滿足復(fù)合材料構(gòu)件的服役環(huán)境要求。航天飛行器結(jié)構(gòu)連接中的支架具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，其預(yù)制體織造需要多個成型方向、多種工藝耦合實現(xiàn)。通過對復(fù)雜支架結(jié)構(gòu)特征分析，提取了 4 類典型特征，包括平板加橫筋結(jié)構(gòu)、平板加十字筋結(jié)構(gòu)、封閉/半封閉盒結(jié)構(gòu)和十字交叉結(jié)構(gòu)，如圖所示。典型平板加筋結(jié)構(gòu)采用多向編織/層聯(lián)機織耦合結(jié)構(gòu)制成，平板采用層聯(lián)機織結(jié)構(gòu)，沿著經(jīng)向和緯向具有良好的面內(nèi)性能；橫筋則采用多向編織結(jié)構(gòu)，具有良好的抗剪性能，可以保證橫筋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

多元耦合仿形編織織物

螺旋多向/正交三向耦合編織技術(shù)

舵軸是航天飛行器中的關(guān)鍵部件。采用傳統(tǒng)的正交三向機織結(jié)構(gòu)制成的碳/碳復(fù)合材料軸，具有優(yōu)異的抗彎曲、抗壓縮性能，但其抗剪切、抗扭轉(zhuǎn)性能較差，難以滿足主承力結(jié)構(gòu)要求。天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究院在正交三向?qū)嵭膱A柱機織結(jié)構(gòu)中創(chuàng)新性地引入空間螺旋分布的斜向紗系統(tǒng)，設(shè)計了含螺旋紗的正交多向機織結(jié)構(gòu)，開發(fā)了專用的螺旋多向機織裝備，制備了該結(jié)構(gòu)增強的復(fù)合材料圓軸。扭轉(zhuǎn)測試結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)的抗扭能力顯著增強：最大扭矩達(dá)到210.3 N?m，比正交三向復(fù)合材料圓軸提高了1.5倍；在達(dá)到此極限扭矩時的最大扭轉(zhuǎn)角為36°，比正交三向圓軸減少了83.3%。螺旋多向/正交三向耦合編織技術(shù)的突破，有效克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能短板，使得復(fù)合材料舵軸作為航天飛行器主承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有了廣闊前景。

螺旋多向/正交三向耦合編織結(jié)構(gòu)

復(fù)雜曲面加減紗編織技術(shù)

三維機織工藝主要分為直線坐標(biāo)紗線體系的正交織造與極坐標(biāo)紗線體系的徑向織造兩類。其中，正交織造適用于高厚度平板結(jié)構(gòu)、塊體結(jié)構(gòu)以及具有變截面幾何特征的預(yù)制體成型；徑向織造則適用于回轉(zhuǎn)體、截錐體及非旋轉(zhuǎn)對稱異形管狀預(yù)制體的制造。為實現(xiàn)預(yù)制體截面參數(shù)（厚度/直徑）的梯度變化，需采用動態(tài)加/減紗工藝實現(xiàn)。層間聯(lián)鎖機織結(jié)構(gòu)憑借其層間交聯(lián)的特性，在加/減紗工藝中展現(xiàn)出優(yōu)異的適應(yīng)性 —— 局部紗線增減不會影響整體結(jié)構(gòu)的完整性。典型應(yīng)用：航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片預(yù)制體通過定向經(jīng)紗減層實現(xiàn)了榫部（厚50 mm）至葉緣（厚0.5 mm）的厚度梯度演變；雷達(dá)透波罩預(yù)制體則通過周向經(jīng)紗增列滿足了頂端到底端直徑的連續(xù)變化，如圖所示。需強調(diào)的是，紗線加/減紗位點的設(shè)計對結(jié)構(gòu)完整性有決定性影響，設(shè)計失當(dāng)將誘發(fā)紗線屈曲、樹脂富集等缺陷，影響最終復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能。

航空發(fā)動機葉片預(yù)制體及透波罩預(yù)制體

來源：紡織導(dǎo)報