炭纤维多向编织物  (carbon fibre multi-di-mensional fabric)

      以炭纤维为原料，通过特殊的编织技术在三维空间按所需的方向结构编织成块状体、圆筒体、截锥体等各种形状的编织物。这类编织物可通过调节纤维的方向，所要求方向上的体积分数、纤维间距、织物密度、丝束填充效率及纤维种类等来获取所需产品之性能。

简史    早期的炭/炭材料是用低模量人造丝的炭织物和石墨织物的二向(2D)增强体，这种织物增强在织物层间的未增强区域强度很低，材料呈现极端的各向异性，应用受到了限制。于是进而开发了各种多向增强复合材料技术。如针刺毡、绒头织物、合缝织物、多层卷绕织物等等。但这些研究没有根本解决层间强度低的问题。

20世纪60年代后期，发展了用于树脂基复合材料和炭/炭材料的多向编织技术，制成块状体、圆筒体、截锥体等形状的多向编织物。从此，多向编织技术得到了发展和完善。最简单的多向结构是三向正交结构。

编织方法    三向(3D)正交结构(图1)，是由多根丝束所组成。为了获取纤维的最高结构强力，在3D正交结构中z、y、z三个方向上所有丝束都是平直的。在这类3D正交结构的编织物中三向方向上的丝束种类和数量都可以根据需要设计、选定。

图1中1．1．1结构是一个平衡结构，在z、y、z三个方向上纤维量相同，其余的结构均为不平衡结构。图2系典型的不平衡结构。

                         图1       3D正交结构

                                    图2           典型的3D不平衡结构

为了制得各向同性更好的编织物，在3D正交设计的基础上，还可以设计成4、5、7或11个方向增强的编织物。

5D结构编织物是在3D正交结构的x-y平面内增加两个增强方向，在这种5D编织结构内，在垂直于2向的增强平面内(xy向内)各丝束之间的编织角均为45^。(图3)。

                      图3    5D结构

在3D正交结构中若增加4个角对角线的增强丝束或增加4条面对角线的增强丝束就形成了七向结构。图4系典型的角对角线结构的七向结构示意图。图5系典型的对棱中点的连线结构的七向结构示意图。

图4    7D结构类型I(典型的角对角线结构)

图5     7D结构类型II(典型对棱中点的连线结构)

若将7D结构中的3D正交结构去掉，就是1个4D结构编织。

若将7D结构与角之间对角线和对棱中点的连线结合起来，就形成了11D结构的各向同性的编织结构(图6)。

图6           11D结构，典型的角对角线和对棱中点的连线结构

上述这些多向编织结构主要适用于块状结构，而对于一些复杂形状也可设计成多向编织物，图7系3D圆筒体编织结构示意图，其中增强丝束分别为轴向、径向及周向。在实际编织时，编织体从内径到外径，空间逐渐加大，因此要采用补偿设计法，以保证编织设计的均匀性，在编织时逐渐增加轴向或径向丝束量，从内径到外径逐一加以补偿，以保持织物密度的均匀一致。图8系圆简体3D织物轴向和径向丝束补偿示意图。采用多向编织结构还可以制成截锥体、拱形体、球头锥体等形状。

圈7    3D圆筒体编织纱的取向

制备多向结构可以用各种不同的方法，如用丝束直接编织、穿刺织物、拉挤棒装配、长丝束缠绕等等。

采用丝束直接编织的方法是最广泛采用的方法．如三向正交块状结构，在编织时可以先将z向的增强丝束按设计要求排列好，然后在x、y向水平层内分别将丝束在z向丝柬之间平直排列，直到一定厚度。也可以用薄套管作为z向，将x、y向水平层内相邻的丝束分隔开，待x、y向编到一定程度后。用丝束置换这些薄套管。

用丝束直接编织，可制备各种圆筒型织物，圆筒形三向编织机中先将金属棒插入钻孔的模板中(这些棒相当于轴向丝束)。织机就在金属棒之间沿周向和径向依次缠绕铺放丝束。最后金属棒再为丝束棒所取代．以编成圆筒形三向织物(金属棒也可用预固化的纤维棒代替)。

穿刺织物结构是用发布取代三向结构中的x、y向丝束，制备时是用代表z向的金属棒穿过多层炭布，最后用预固化的丝束——树脂棒置换金属棒。形成穿刺织物，使用的炭布可用平纹或缎纹织物。

用炭纤维或石墨纤维与树脂经拉挤成型制成预固化的炭(石墨)纤维棒，可以装配成预先设计好的四向结构，在这个结构中每一根棒与另外三根棒之间的夹角均为70．5^。。

炭纤维多向编织物是作为纤维增强复合材料的增强骨架，多向编织的性能将直接影响复合材料的性能．为了获取高性能的复合材料，可以根据需要选择合适的纤维(如高强炭纤维、高强高模量炭纤维或石墨纤维等等)，合理的编织结构，可根据需要安排各个方向上的纤维含量等等。

应用用炭纤维多向编织物作增强骨架制成的C-C复合材料具有良好的耐烧蚀性能、优良的抗热震能力、高的比强度及化学惰性．可用于导弹的再入端头、火箭发动机喷管喉衬、燃烧室，也可以用于涡轮发动机的叶片、航天飞机的机翼前缘、飞机刹车片等等。因此，炭纤维多向编织物在航天、航空、核工业、高能物理、以及医疗卫生、交通运输、体育用品、轻工等领域有着广泛的应用前景(见炭纤维增强树脂复合材料、炭纤维增强炭复合材料和其他炭纤维复合材料)。