三維紡織復合材料是高新技術領域高端裝備研制的關鍵材料，近年來取到了迅速的發展。該類材料采用三維立體織物作為增強體，貫穿空間各個方向的編織纖維提供了增強結構的整體性和穩定性，顯著提高了材料厚度方向的強度和抗沖擊損傷的性能，是高性能復合材料發展的前沿方向。

三維立體織物預制體是高性能復合材料的關鍵增強結構材料。相繼發展的多種三維立體織物預成型技術，如三維編織、三維機織、多軸向針織等技術，為三維紡織復合材料提供了多樣化的增強結構形式和大范圍可調節的纖維取向分布，可以實現材料性能的裁剪設計和復雜構件的近凈成型。

三維機織預制體是三維紡織復合材料中應用最為廣泛的增強體結構，具有不分層、耐疲勞、抗沖擊等優異的性能，以及高效制造、可設計性、仿形編織等優點。以三維機織預制體為增強體的高性能復合材料已在航空航天、交通運輸、海洋船舶等工程領域得到了廣泛應用。

三維機織工藝是在傳統二維機織工藝基礎上發展起來的一種高新紡織技術。傳統二維機織工藝是由一層經紗和一層緯紗相互交織而形成織物，如圖1所示。在此基礎上發展的三維機織工藝是將多層經紗和緯紗交織在一起，形成一個整體不分層的三維織物，如圖2所示。三維機織工藝主要有正交三向、層間聯鎖機織、多層多向機織等。

圖1 二維機織物

圖2 三維機織物

1.1 正交三向機織工藝

正交三向機織工藝是由經紗、緯紗和接結紗三個紗線系統相互交織，多層經紗沿織物長度方向排列，接結紗（法向紗）交錯排列在經紗層的上下表層間隙，在經紗間隙引入緯紗，法向接結紗交叉貫穿全部經緯紗層將多層襯經紗和緯紗捆綁在一起，形成整體不分層的三維織物，如圖3所示。正交三向織物中三組紗線相互垂直，呈伸直狀態，有利于紗線強度的充分發揮。

圖3 正交三向機織工藝：（a）織造方法；（c）正交三向織物結構

1.2 層間聯鎖機織工藝

層間聯鎖機織工藝是由經紗和緯紗系統兩個紗線系統相互交織，多層經紗沿織物長度方向排列，在經紗間隙中引入緯紗，多層經紗按一定的規律相互交錯兩層或多層位置，將緯紗捆綁在一起，形成整體不分層的三維織物，如圖4所示。織物面內經紗和緯紗的取向相互垂直，厚度方向由經紗彎曲聯鎖兩層或多層緯紗。層間聯鎖機織工藝中可以增加伸直的襯經紗和襯緯紗系統，以提高織物經向或緯向的性能。

圖4 角聯鎖機織工藝：（a）織造方法；（b）角聯鎖織物結構

1.3三維多向機織工藝

在三維機織工藝基礎上，引入斜向紗線，發展了多軸向機織工藝。多層多向機織工藝是由經紗、緯紗、接結紗、+θ斜向紗和-θ斜向紗五個紗線系統相互交織，多層經紗、斜向紗和接結紗按一定規律沿織物長度方向排列，在紗線層間引入緯紗，接結紗交叉貫穿若干紗層，將多層經紗、緯紗和斜向紗線捆綁在一起，形成整體不分層的三維織物，如圖5所示。織物中經紗、緯紗和接結紗相互垂直，斜向紗線與經紗方向具有一定的傾斜角度，且五組紗線均呈伸直狀態。斜向紗的引入可以顯著提高織物的面內抗剪切性能。

圖5 多層多向機織工藝：（a）織造方法；（b）多層多向織物結構

采用三維機織工藝制成的三維織物具有多樣化的結構形式。典型的三維機織結構按接結紗貫穿緯紗層的方式分為層間角聯鎖結構、貫穿角聯鎖結構和正交三向結構；按照經紗的面內運動規律可分為平紋結構、斜紋結構和緞紋結構；在典型織物結構基礎上，沿經向、緯向引入或同時引入紗線，形成襯經、襯緯的衍生織物結構。

2.1 正交三向結構

正交三向結構由三組相互呈正交狀態的紗線構成，如圖6所示，紗線取向垂直的經紗層和緯紗層交替重疊，接結紗沿緯紗列間垂直貫穿所有經緯紗層，將伸直的經紗和緯紗捆綁在一起形成整體結構。

圖6 正交三向結構

2.2 層間角聯鎖結構

層間角聯鎖結構也稱2.5D結構，基本的層間角聯鎖結構中包含兩組面內取向相互垂直的多層經紗和緯紗，經紗以一定角度穿過若干層緯紗層，將相鄰若干層緯線聯結在一起形成整體結構。典型的層間角聯鎖結構包括層聯平紋、層聯斜紋和層聯緞紋。層聯平紋結構為經紗彎曲循環聯鎖相鄰兩層兩列緯紗，在織物表層形成一上一下平紋交織結構，如圖7所示。層聯斜紋結構為經紗彎曲循環聯鎖相鄰兩層四列緯紗，在織物表層形成一上三下斜紋交織結構，如圖8所示。層聯緞紋結構為經紗彎曲循環聯鎖相鄰四層八列緯紗，在織物表層形成八枚五飛緯面緞紋交織結構，如圖9所示。在典型的層間角聯鎖結構基礎上通過引入襯經紗和襯緯紗可以獲得襯經或襯緯層間角聯鎖結構。

圖7 層聯平紋結構

圖8 層聯斜紋結構

圖9 層聯斜紋結構

2.3 貫穿角聯鎖結構

基本的貫穿角聯鎖結構中包含兩組面內取向相互垂直的一層經紗和多層緯紗，經紗以一定角度貫穿所有經緯紗層，將緯紗捆綁在一下形成整體結構，如圖10所示。貫穿角聯鎖結構根據其緯紗層數在織物表面可以設計為平紋、斜紋、緞紋等結構，圖10所示織物表面交織結構為12枚5飛緞紋結構。貫穿角聯鎖結構中也可引入襯經紗和襯緯紗，形成襯經貫穿角聯鎖結構和襯緯貫穿角聯鎖結構。

圖10 貫穿緞紋結構

2.4 三維多向機織結構

三維多向機織結構包含5個紗線系統：經紗系統 (0°) 、緯紗系統 (90°) 、正斜向紗系統 (+θ) 、負斜向紗系統 (-θ) 以及接結紗系統，接結紗捆綁其它系統紗線形成整體結構。多層多向機織結構中，經紗與織物長度方向平行；+θ（或-θ）斜向紗與經紗軸向成+θ（或-θ）夾角；緯紗垂直于經紗，沿織物寬度方向排列；接結紗與緯紗、經紗呈正交配置，貫穿所有紗線層或若干紗線層，通過與緯紗交織，將各紗線層捆綁約束成為整體結構，如圖11。根據接結紗貫穿的紗線層狀態分為多層多向結構和層聯多向結構。

圖11 三維多向機織結構

3 三維機織復合材料的性能特點

采用三維機織結構織物作為增強體，復合材料在厚度方向上獲得了增強，克服了傳統層合復合材料易分層破壞的缺點，突破了復合材料在主承力結構和多功能結構上應用的技術瓶頸，成為高性能樹脂基復合材料、碳碳復合材料、陶瓷基復合材料等的理想增強材料。隨著三維機織技術的發展，不僅可以凈體制備形狀復雜、不同尺寸的異型構件，實現結構的一體化設計，減少零配件數量，保證結構的整體性，而且增強纖維在復合材料中呈空間多向分布，使復合材料的性能設計更具靈活性，實現了材料的“特定設計”。

3.1 不同結構三維機織復合材料性能對比

三維機織復合材料的力學性能主要取決于其三維機織結構增強體的組織結構。三維機織結構具有多樣性，紗線粗細、紗線取向、纖維含量、交織方式等可以靈活調節，對其增強的復合材料的最終性能產生較大影響，如表1所示。正交三向結構中經紗、緯紗和接結紗分別沿織物的長度、寬度和厚度方向伸直排列，可以充分發揮纖維的性能，織物在三個方向上獲得較高性能。層間或貫穿角聯鎖結構中經紗彎曲起到接結紗的作用，導致經紗的強度利用率降低，織物經向性能低于緯向性能，且織物經向性能隨著經紗斜向角增加而降低，其中層聯平紋結構的經向性能最低。此外，隨著經紗彎曲聯鎖的緯紗層數增加，織物中經紗層數將減少，導致織物經向性能降低。通過引入襯經紗可以顯著提高角聯鎖結構的經向性能，也可以通過引入襯緯紗線，減小經紗的斜向角度，從而提高織物的經向性能。不論是正交三向結構還是角聯鎖結構，紗線在織物面內的投影取向均沿著織物的經緯雙向分布，因此其面內抗剪切性能較差。三維多向機織結構中引入了斜向紗線，可以顯著提高復合材料的面內抗剪切性能。

表1 不同結構機織復合材料性能對比

3.2 整體構件性能-結構一體化設計與制造

三維機織復合材料制造主要包含兩個工藝過程，三維機織預制體成型和基體材料滲透復合或致密化，其中三維機織預制體成型過程決定著復合材料的最終力學性能，并對基體滲透復合或致密化過程產生顯著影響。三維機織預制體采用三維機織工藝織造，可以創構獨特的織物結構，賦予材料獨特的性能，結合提花和仿形編織技術，可以實現大型/異形復合材料構件三維整體結構的近凈成型，實現整體構件的性能與結構的一體化設計與制造，如圖12所示。三維機織工藝分為方型工藝和圓型工藝。方型工藝可以實現高厚平板、塊體織物、變厚度織物等的織造。圓型工藝可以實行回轉體、截錐體、異形管狀織物等的織造。三維機織工藝具有靈活多樣性，可以實現多種結構的耦合仿形編織，是復雜構件結構一體化、減少零部件連接數量、提高結構的整體強度和穩定性的高新技術。整體構件預制體三維機織預成型過程中，預制體的宏觀構件結構和細觀織物結構同步形成，通過對整體構件的多相材料布局和多尺度結構布局的并行設計，將適宜材料編至適宜位置、獨特結構創成獨特性能，獲得最優結構材料滿足復合材料構件的服役環境要求。

圖12 三維機織近凈成型構件示意圖

三維機織技術近年來得到迅速發展，是復合材料高效、低成本制造的關鍵技術之一。三維機織工藝僅需經向和緯向兩組紗線即可實現，工藝相對簡單，非常適合織造具有一定厚度的寬幅織物。德國多尼爾公司推出了用于生產碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維的三維機織設備，如圖13所示，采用提花機控制，經紗由紗架供紗，可以織造變截面織物。美國ALABANY國際公司開發了生成發動機葉片和機匣的三維機織設備，如圖14所示。國內天津工業大學在2014年研發了國內首臺碳纖維三維機織設備，如圖15所示，采用提花機控制，經紗由小經軸積極送經，可以實現復雜異形織物織造。

圖13 多尼爾公司的三維機織設備

圖14 ALABANY公司的三維機織設備

圖15 天津工業大學的三維機織設備

三維機織預制體保持了增強纖維的連續性和編織結構的完整性，以其增強的三維機織復合材料具有不分層、抗沖擊和耐疲勞等優異性能，在航空航天領域得到了廣泛應用。法國SNECMA和美國GE公司組建的CFM國際公司研制的LEAP-X發動機采用了碳纖維三維機織技術和RTM技術制成的復合材料風扇葉片，燃油消耗減少16%，且更為安靜。新一代的LEAP發動機采用了三維機織/RTM復合材料風扇包容機匣，整個機匣預制件（包括法蘭）一次編織成型，不僅能夠有效地包容風扇葉片碎片，而且可以大大減輕發動機的重量。Messier-Bugatti-Dowty公司為Boeing 787研發了碳纖維復合材料主起落架支架，如圖14所示，這是在商用飛機起落架上首次使用結構復合材料。與金屬支架相比，三維機織復合材料支架減輕了結構重量，滿足復雜的軸向和剪切工況，抵抗鳥類或跑道碎片的撞擊和起降周期性疲勞，提高了服役可靠性。

圖16  CFM公司的三維機織復合材料葉片和包容機匣

圖17  Messier-Bugatti-Dowty公司研制的主起落架支架

三維機織預制體具有卓越的異型構件仿形能力，可實現復合材料構件的近凈尺寸成型，如采用三維機織工藝仿形編織的異型梁、發動機轉子、截錐體、壁板、噴管、燃燒室等，如圖18所示。采用三維機織預制體制成的陶瓷基、碳碳等復合材料具有重量輕、強度高、耐高溫、耐沖擊、耐燒蝕等優異性能，是研制航天結構、發動機、制動裝置和熱防護等主要系統和部位的理想材料，是實現超高溫環境下主承力構件防熱/結構一體化設計的關鍵材料，具有廣泛的應用前景。

圖18  三維機織復合材料異形構件（來自網絡）