完全整体系统（3D）：实现全面集成优化

在此体系中，纤维在不同的方向取向。它采用连续长丝纱线，纱线束形成一个三维网状的整体结构。这种整体结构最吸引人的特点是：沿厚度方向加有增强纤维，因此复合材料实际上是不会产生分层现象的。例如三维机织物、针织物、编织物和三维缝合织物。这样的完全整体结构的另一个使人感兴趣的特点是：它们能够织造出复杂的结构形状。

1.4.3.1　三维机织

三维机织预制件主要由经、纬不同方向的纱线之间相互缠绕导致互锁，厚度方向（即Z向）的纱线以某一确定的角度与经、纬纱线交织起来，形成一个三维整体织物。这使得三维机织复合材料具备良好的整体性，可设计性和更好的抗剪切性能。此外，相较于传统的层合复合材料，三维机织复合材料由于增强体中经纱和纬纱相互接结，减轻了材料的分层现象，使其具有优异的层间性能，良好的抗冲击性和抗弯曲疲劳性能。

根据立体机织物中经纱与纬纱编织后的结合方式不同，三维机织物的结构形态主要分为2.5D角联锁结构（图1-11）和三向正交结构两种。由图1-11可以看到角联锁结构是由经纬纱之间构成一种互锁结构交织，即经向纱线跨越两层纬向纱形成锁状结构，该结构纱线仅有两个系统纱线，因此可在常规织机上形成。而正交结构的三维织物，需要使用三个系统的纱线，除去常规的经、纬纱线，其还包括对经纬纱进行接结的Z向纱线，如图1-12所示，也即Z向纱线分别与经、纬纱线形成90°夹角，因此命名为三向正交结构。由于接结纱的捆绑作用，三系统纱结合在一起形成多层整体结构。三向正交机织物具有如下特点：Z轴方向新增一相接结纱线，从而使Z向即厚度方向的强伸性能增强，即层间性能增强；织物中的经纬纱均呈无弯曲状态，更大限度地发挥了经、纬纱的特性。

图1-11　2.5D角联锁织物结构示意图

图1-12　三向正交碳/玻璃纤维预制件的织造及结构示意图　CF—碳纤维　GF—玻璃纤维

1.4.3.2　三维编织

三维编织增强复合材料是三维编织技术与现代复合材料技术相结合的产物，是先进复合材料的主要代表之一。三维编织是在传统二维编织技术上发展起来的一种高新纺织技术，是通过长短纤维相互交织而获得的三维无缝合的完整的空间网状结构，纱线在编织物结构中连续不间断且伸直度较高，不仅在平面内相互交织，而且在厚度方向上也相互交织（图1-13）。其工艺特点是制造出规则形状及异形实心体并可以使结构件具有多功能，实现异型件一次编织整体成型，实现人们“直接对材料进行设计的构想”。采用编织物结构作为复合材料的增强体，不仅提高了复合材料的比强度和比刚度，还使其具有优良的力学性能，如良好的抗冲击损伤性能、优异的层间性能、耐疲劳性能和耐烧蚀性能等。

图1-13　三维编织织物结构示意图

（1）三维编织物的分类。按编织类型的不同，三维编织技术可以分为方形编织和圆形编织。方形三维编织是指编织纱线在机器底盘排列方式为矩形，编织出横截面为矩形或矩形组合的织物；圆形三维编织是指编织纱线在机器底盘排列方式为圆形，编织出横截面为圆形或圆形组合的织物。按编织纱线运动方式的不同，三维编织技术可以分为角轮式三维编织和行列式三维编织。角轮式编织设备可以高速编织成形，而行列式编织设备结构紧凑、成本低、通用性好等。按编织物成形长度的不同，三维编织可分为连续编织和定长编织。连续编织是指编织纱线为连续喂给；定长编织是指编织纱线为固定长度。

（2）三维编织物的编织工艺。最常用的编织工艺有四步法编织和二步法编织。目前，人们在传统的四步法或二步法的基础上，对部分工艺稍作改动，可编织出不同的异形结构复合材料预制件。随着三维编织技术的发展，四步法编织代表该领域的主流，四步法编织指携纱器做四步运动为一个机械循环（图1-14）。在第一步中，相邻行的携纱器交替沿向左或向右移动一个携纱器的位置。在第二步中，相邻列的携纱器交替地沿向上或向下的方向移动一个携纱器的位置。第三步与第一步的运动方向相反，第四步与第二步的运动方向相反，由此完成一个循环。随着这样循环的不断进行，再辅以打紧动作，纤维束就相互交织形成最终的一个不分层的具有一定厚度、一定长度、一定宽度的编织体。四步法三维编织工艺是目前最常用的一种三维编织工艺方法。此外，四步法三维编织具有多种运动式样，如1×1式样、1×3式样、3×1式样等；第1个数字表示的是沿行方向每次携纱器移动的纱线位置数，第2个数字表示的是沿列方向每次携纱器移动的位置数。1×1式样是最简单、应用最广泛的四步法三维编织式样之一。此外，还可以根据材料的最终应用条件，在三维编织物制作过程中分别或组合加入X、Y、Z三个方向的纱线，以增强编织物在这三个方向的性能。

图1-14　四步法三维编织示意图

（3）三维编织物的特点及应用。三维编织复合材料具有不分层结构，结构可设计性强，比强度、比模量高，抗冲击损伤容限高、抗疲劳性能好、对开孔不敏感等优点，尤其适合异形构件的整体成形，但其制作周期长，人力物力消耗大，生产成本高，且制件尺寸受到很大限制，因此，其目前的应用也主要集中在航空航天等领域。(www.xing528.com)

1.4.3.3　三维缝合

三维缝合复合材料是在传统二维层合复合材料的基础上，使用高强度的缝线在厚度方向上进行缝合制成的具有整体结构的三维立体织物，图1-15为缝合织物典型结构。与传统层合复合材料相比，厚度方向上Z向纱线的引入增强了复合材料的层间性能，使复合材料具有更好的冲击损伤容限。与编织复合材料相比，编织一般适合做“工”字形等对称截面和矩形平板等相对规则的形状，而对于纵向和横向加筋织物，编织的适用性较差或者成本很高，针刺缝合预制件具有成本低、适用性强的特点。此外，缝合也可以将二维织物连接起来构造成复杂的三维构件，对制造大型制件以及形状复杂、曲率较大的异形件有很大优势。还可通过设计，将分散的平面材料组成各种无须螺接、铆接的整体结构材料进行缝合，大大减轻了结构件的质量。

图1-15　缝合织物结构示意图

随着缝合技术的发展以及被缝合件的多复杂性要求，目前有六种缝合方式被广泛使用（图1-16），分别为锁式缝合、改进锁式缝合、链式缝合、Tufting缝合、暗缝和双针缝合，前三种属于双边缝合，后三种都属于单边缝合。双边缝合就是从被缝合件的双面进行缝合，其原理与普通的家用缝纫机相似，引线针位于被缝合件的上侧，勾线针位于被缝合件的下侧，引线针穿过复合材料送线，勾线针钩住缝合线形成线圈互锁。而单边缝合的引线针和勾线针都位于被缝合件的上侧，由1根缝合线穿过复合材料再形成互锁线圈。传统的双边缝合技术由于需要在两侧安置装备，易受平台限制，比如缝合曲面复杂的结构件时，在底部放置勾线针机构比较麻烦。单边缝合与之相比，则具有更高的灵活性和适应性。每种缝合方式都有各自的优缺点和适用范围。

图1-16　缝合原理示意图

图1-16（a）是锁式缝合，其由面两侧的针杆机构形成两个线圈，互锁成结，缝合线不易被拆散。锁式缝合的不足之处在于形成的结套处位于预制体结的中间，由于结套处易产生应力集中点，位于中间对复合材料的性能影响很大，因此，锁式缝合需加以改进再被应用于复合材料。

改进的锁式缝合中，缝线被缝针从预制体一侧带入，与底线结套后再由缝针带出进行下一个循环，上线与底线的结套处位于预制体表面[图1-16（b）]。因此，在复合材料厚度方向的缝线没有结点且是一条直线，最大限度地减轻了应力集中现象，对纤维的损伤也较小，有利于复合材料层间性能的提升，使复合材料具有更高的损伤容限。此外，锁式缝合一般要求预制体具有较小的曲率变化，目前广泛应用于大尺寸壁板边缘缝合及加强筋与蒙皮的连接缝合，缝合厚度可达20mm。

如图1-16（c）所示是链式缝合，其缝线轨迹类似于针织，比较复杂。弯月形的缝针与摆线钩针位于同一边，随着缝针沿缝线方向移动，弯针反复穿透预制体并使缝合线在预制件反面多次绕曲。此时也可将引线针杆和勾线针杆放置在同一侧，即单边缝合。单边链式缝合采用弯针缝合，弯针在被缝合件内反复穿透使缝合线绕套成结，单边链式缝合适用于比较薄且曲率复杂的预制体，链式缝合通常适用于曲率较大且较薄的预制体缝合，缝合厚度一般不超过10mm。

Tufting缝合的缝线跟随缝针从预制体一侧穿透到另一侧，缝针退出时将缝线留在预制体内以完成缝合，具体如图1-16（d）所示。与传统的双边缝合相比，Tufting缝合只需要引线针在单边进行缝合，缝合的灵活性和适应性较大，可缝合平板、曲面、回转体等，受预制体的芯模形状影响较小。此外Tufting缝合可以缝合较厚的预制体，通常厚度可达30mm，但由于单纯的Tufting缝合仅靠缝线与预制体内部纤维的摩擦力来留住缝线，因此一般需要辅以其他的定位方式来保证缝线留在预制体内部，提高缝合质量。

暗缝[图1-16（e）]是利用弯针不断地在预制件内穿透，带动缝合线运动，缝合线被埋在预制件内部，因此适用于比较厚的预制件。另外，暗缝对于弯针和锁线装置的配合较为严格，取代传统的双边缝合，将旋梭和弯针放在预制件的同一侧，灵活性较高。

双针缝合[图1-16（f）]是一根缝合线在引线针的带领运动下，通过勾线针的配合形成线圈互锁形成的，所形成的结套在预制件表面，减少了应力集中现象。此外，缝合装置的机构设计较为简单，且引线针和勾线针的装置较为相似，因此应用较多。而且于双针缝合可根据预制件厚度的不同调节引线针的有效长度，缝合厚度的范围比较大。