The Development and Applications of High-performance 3D Fabrics 玻璃纤维制品培训班 高 性 能 立 体 织 物 的 开 发 与 应 用 The Development and Applications of High-performance 3D Fabrics 汇 报 人：匡 宁 中 材 科 技 2011-10
提 纲 立体织物概述 3 1 立体织物结构及性能特征 2 立体织物成型工艺 3 立体织物应用及发展趋势 4
（一）立体织物概述
立体织物的种类、形式很多现已发展成一个大家族，至今没有标准的定义，一般是指采用连续纤维成型的厚度至少超过参加织造纤维组成典型单元纱直径三倍的织物；在织物中纤维相互交织或交叉，并且沿多个方向在平面内或平面间取向从而连成整体的一种纤维制品构造形式。
立体织物 1)高性能纤维 2）2D — 3D 3）整体结构 4）先进复合成型技术
1）高性能纤维 高性能玻璃纤维 碳 纤 维 芳 纶 纤 维 高性能聚乙烯纤维
玻 璃 纤 维 产品按性能成分分类 序号 分 类 代 号 特 征 1 无碱玻璃纤维 E 碱金属氧化物含量≤0.8％ 2 高强玻璃纤维 S 分 类 代 号 特 征 1 无碱玻璃纤维 E 碱金属氧化物含量≤0.8％ 2 高强玻璃纤维 S 拉伸强度比E玻璃纤维提高30～40％ 3 低介电玻璃纤维 D 介电常数3.5～4 4 高模量玻璃纤维 M 比模量和比强度分别比无碱玻璃纤维提高15％和10％ 5 耐辐照玻璃纤维 R 在高能辐射（γ射线和中子的混合辐射）下十分稳定 6 高硅氧玻璃纤维 B SiO2含量在95%以上
各种纤维强度比较
各种纤维模量比较
碳 纤 维 1、聚丙烯月青纤维(PAN) 2、沥青基碳纤维 代表：东丽、东邦、台塑等。 分为航天级（小丝束1k、3k、6k），商品级（大丝束12k、24k）。 尖端武器、商用飞机、运动器材等 2、沥青基碳纤维 Kureha、BP-Amoco 建筑增强、深水石油生产（牵引支架平台）
碳纤维性能 类别 制造商 产品名称 拉伸强力 杨氏模量 破坏应变 GPa % 聚丙烯腈纤维 日本东丽 T300 3.53 230 1.5 7.06 294 2.0 M55J 3.92 540 0.7 Hercules IM7 5.30 276 1.8 GP—沥青纤维 Kureha KCF200 0.85 42 2.1 HP—沥青纤维 BP—Amoco Thornel p25 1.40 140 1.0 Thornel p75 2.00 500 0.4 Thornel p120 2.20 820 0.2
芳香族聚酰胺纤维 品种 强度/mN-tex-1 初始模量/N--tex-1 断裂伸长率/% Kevlar 29 2030 49 3.6 2080 78 2.4 Kevlar 149 1680 115 1.3 Nomex 485 7.5 35
芳香族聚酰胺纤维 特性： 1、耐腐蚀 2、阻燃 3、机械性能优异(强度、模量） 4、密度低（1.39-1.45g/cm3)
应用 1、压力容器 造船 运动器材 塑料添加剂等 2、耐热工作服 消防毯 阻燃纺织品 防割织物 3、轮胎（帘子线） 4、输送带 传动带 软管 套管 5、纤维光缆 电缆 6、防弹背心 头盔 战车
高性能聚乙烯纤维 1、高强度聚乙烯纤维 2、高模量聚乙烯纤维 3、超高分子量聚乙烯纤维
可利用的商品HPPE长丝 商品名 密度/ 单丝线密度/ 强度/ 模量/ 断裂伸长/ ㎏·m-3 Tex(旦) N·tex-1 % DSN HPF Dyneema SK60 970 0.1(1) 2.8 91 3.5 Dyneema SK65 3.1 97 3.6 Dyneema SK75 0.2(2) 110 3.8 Dyneema SK76 3.7 120 东洋纺 Dyneema SK71 122 Honeywell Spectra 900 1.1(10) 2.6 75 Spectra 1000 0.6(5) 3.2 3.3 Spectra 2000 0.4(3.5) 3.4 2.9
性能 1、耐疲劳（吸收能量） 2、耐挠曲疲劳（模量、柔韧） 3、耐磨损（超高分子量） 4、不吸湿（耐水性） 5、耐化学性（耐酸碱） 6、绝缘体 缺点：不耐光照、毒性、不耐热、不阻燃、收缩大。
2）主要结构形式 机织立体织物 针织立体织物 三维编织立体织物 针刺、穿刺立体织物
1D 2D 3D
立体织物成型动画演示 三维编织 管状编织 三维机织 夹层机织
立体织物（预制体）
立体织物的优势 1）三维一体设计，整体一次成型 2）优异的整体力学性能 3）多结构交叉组合 4）精确仿形设计 5）复合、加工便捷 6）低成本制造优势
应用领域 高性能复合材料 民用领域——交通、电子、化工、建筑等 国防领域——航空、航天、兵器等（轻质高强、承载、 透波、烧蚀、智能） 前沿技术——新材料、新工艺 基础研究——前瞻性、前沿性、国家重大战略需求 高性能复合材料
（二）立体织物结构及性能特征
1、机织结构立体织物 2.5D浅交弯联结构 2.5D浅交直联结构 3D正交三向结构 3D中空夹芯结构
典 型结 构 剖 解
机 织 原 理
织 造 设 备
典型结构产品
优 点 机织多层 立体织物 整体一次成型 1 可设计性强 2 净尺寸成型 3
性能对比
夹 层 典 型结 构 剖 解
机 织 原 理（1）
机 织 原 理（2）
典型结构产品
典型结构产品
优 点 夹芯结构 立体织物 3D整体织造 1 可设计性强 2 可填充、预埋 3 易于复合成型 4 轻质高强、抗冲击 保温、隔音、阻燃、透波
中空复合材料基材测试
泡沫发泡对比试验
铝 蜂 窝 对 比 测 试
冲击损伤形式比较 纸蜂窝材料 铝蜂窝材料 中空复合材料
（Flatwise Compression） 中空复合材料性能 规格(Type) 标准 单位 2 3 5 8 10 12 15 18 20 拉伸强度 （Tensile Strength） ASTM D1689/579（N） Mpa 273 282 305 317 324 333 341 352 361 204 208 216 224 228 232 239 245 238 平压强度 （Flatwise Compression） ASTM 365 （N） 10.2 8.7 5.1 4.5 2.6 2.4 2.2 1.9 1.4 8.9 7.5 3.9 3.1 2.3 2.0 1.1 双层剪切强度 （Shear Strength） 3.6 3.0 2.8 2.9 2.7 2.5 2.1 1.8 1.3 1.7 1.2 1.0 0.8 0.6 0.5 双层剪切模量 （Shear Modulus） 77 73 62 56 47 44 39 31 26 21 24 27 19 四点弯曲强度 （Bending Strength） 393 114 116 111 107 104 97 92 89 85 51 48 45 42 35 37 34
夹芯材料性能对比 测试项目 单位 （标准） 中空复合材料 铝蜂窝 NOMEX蜂窝 PU 复合板 高度 mm 2-40 4-40 4-30 1-100 最大宽度 m 1.8 1.22 平拉强度 MPa (GB/T1452-2005) 4.8-6.0 1.6-2.8 0.9-2.7 0.4-1.3 平压强度 MPa(ASTM365) 1.4-10.2 1.5-6.2 0.4-2.0 0.2-1.2 双层剪切强度 MPa(ASTM273) 0.7-3.6 0.3-1.6 0.2-1.0 0.2-0.5 低速冲击（12mm） J(SACMA) 15 12 9 10 四点弯曲 MPa(ASTM393) 34-115 60-165 37-94 21-62
用一组或多组纱线，本身之间或相互之间采用套圈方式钩联成片的织物。立体针织物主要通过多层循环勾结与双针床夹层钩联等方式进行成型。 2、针织结构立体织物
典 型结 构 剖 解 不同结构 不同纤维
针 织 原 理
针 织 设 备
主 要 产 品 形 式 管状织物 夹层织物 多轴向织物
针织结构性能特征 1、优势： 制备效率高； 各向同性好； 浸透充分，易于成型。 2、劣势： 纤维损伤大； 纤维体积含量低； 单一铺层使用，复合材料力学性能偏低。
3、编织结构立体织物 三维编织立体织物是通过纤维束间的相互交缠形成完整的空间精细网状结构，相对于传统的二维织物，三维编织立体织物消除了“层”的概念，具有较好的能量吸收和抗疲劳性能。三维编织技术的突出特点能编织异形整体织物，即净尺寸仿形整体编织。 三维编织立体织物的成型工艺主要有两步法编织和四步法编织，此外有多步法编织和实体编织等。织物外型主要有两类，其一是以矩形截面为基础的组合体；其二是以空心圆环为基础的各种空心截面组合体。