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

或者自动化程度不高．或者只适合于生产矩形截面预成型件，或青只能生产较小截面的预成型件，而义由丁

上述这些因素导致了＝维编织复合材料的ｑ产和麻用

非常有限，所ｕ造成了午件成年的居高不Ｆ．进而卫进一步影响了芑维编织复台材料的推广应用。

４三维编织高性能复台材料管的技术可行性

三维编錾｛机的种类分为四步法编织机、一步法编

参｝机、旋转法编纵机，从台面形状卫町升为矩形编织机和咧形编磬ｌ机．其中矩彤编织机适台编织矩形或矩形

组合截面，也可用于编织矩形截面管；圆形编织机则可

用于编织筒形预成型件ｔ尤苴适台编织例骨顿成趔件。口步法和二步法编织机由于机器工作不连续．通常需要伴随打紧Ｉ：岂，所以编织效率鞍低，难以崩丁太规模

ｑ产，随着技术的不断进步，近几年国内外均开发出ｒ更高艘率的一维编织机．特圳值得一提的芷角轮传

动的＝维旋转编织机．其中公开报道的有美国３ＴＥＸ

公ｒ口。｜，德尉Ｈｅｒｚｏｇ公司！，『１本京都工芸绒维大

学“和中国的北京柏瑞鼎（Ｍ）Ｂｒａｉｄｉｎｇ）科技有限公司１。等开发的几种旋转编纨机。与传统的二步法、四步浩编织机相比．旋转编织机运行建度更高，配合专用

的太容量携纱器可实现轴向Ｒ寸更太的预成型件的编织。三维编织』艺巾十单方向进纱，编织纱梭在编织

机平台卜沿站定轨道行进所“更易于实现在预成趔

件中添加轴向不功纱．宴现三维血向甚至＝维全五向编纰预成型件，从而大大提高三维编织复合材料的轴

向力学性能，进步通过及其台面的蛆台化设置，可根据制品需要组装成更适合批量生产的定制缩织机。

根据多年研究实践．率Ｔ作认为通过技术的进步

和推广宣传，将有可能打破二维编织复合材料技术的

发展桎梏，并能够在＝维编织臂件的生产巾事先实现

低成本制造。

（１）碳纤维管件试制试验由１：国外ｊ维编织机价格昂贵，且存在贸易限制．

所以无珐考察其具体工艺细节。“Ｆ均以围产的组合

式－：维旋转酬形编织机为例．诲机环向轴数相对固定，

愚一甄