三维机织复合材料力学性能研究
三维机织凸台复合材料的力学模型及性能研究
已有 了诸 多成 果 ，对于 描述 三维机 织 复合材 料 的
纱线 细观 结构 的几 何模 型也 有很 多报 道 ，如在 纱 线截 面假 设模 型 中有双 曲透 镜形假 设 、椭 圆形 假 设 、跑 道 型假 设［ ６ － ８ 】 等 ；在纱 线轨 迹 假 设 中有 直 线假 设和 正 弦 曲线 假设 等 。但关 于三 维机 织 回转 体 复合 材料 】 的结 构模 型 却鲜有 报 道 。因此 本 文 以凸 台复合材 料 为例对 三维 机织 回转 体 复合材 料
用 专 门的 图形软 件来 分析 处理 照片 的纱线 截面 轨 迹 。通 过观 察可 见 ，纱线 的横截 面近 似为 椭 圆截
多个系 统 的纱线 连成 空 间网状 结构 ，然后 在 一定 条件 下与 基体 复 合而 得到 的 高性 能复 合材 料 Ｌ １ Ｊ 。 三 维机 织 复合材 料可 设计 性 比较强 ， 比强度 和 比 刚度较 金属 材料 高 ，而且 三维机 织 复合材 料 抗疲 劳性 、耐腐 蚀性 能好 ，能一次 性成 形外 形 比较复
纱线 的椭 圆截 面 ，如 图 １中所示 。椭 圆的 内接 八 边形倾 斜边 与 ｚ轴所 成 的角度 为 ，即几何模 型 中经 纱倾 角 的计 算值 。根 据模 型 中各个 几何尺 寸 计算经 纱在 实体 模 型 中的实 际长度 ，从 而确 定结 构 的单元 体 ，整个 复合材 料 的 凸台结构 由多个 单 元体 组成 。
ｊ
三维 机 织 复 合 材 料 的纱 线 骨 架 的细 观 结 构
比较 复杂 ，想 要较 为精确 的表 达其 力 学性 能 比较 难 ，因此 三维机 织 复合材 料 的纱线 骨 架与其 力 学
性能 的关 系一 直 困扰着 学者 。学者 们 在这个 领 域
三维立体织物复合材料研究与进展
三维立体织物复合材料研究与进展随着科技的发展，复合材料在工业、民用和军事领域中被广泛应用。
三维立体织物复合材料是一种新型的增强材料，具有高强度、高刚度、高韧性、成型性好等优点，已经成为各种工业材料中不可或缺的一种。
本文将从三维立体织物的结构、制备及其应用方面综述其研究现状及进展。
1. 结构三维立体织物复合材料是由不同面密度的织物构成的。
由于三维立体织物的结构特殊，其性能比二维复合材料更优异。
三维立体织物的结构通常由一个或多个三维交织的体和两个被称为“二面”的两个表层。
其中，三维交织的体是由纵向纤维、横向纤维和Z 向纤维相互交织构成。
在制备过程中，纵向纤维通过贯穿织物的织机械设备撬开，经过钩针或喷织设备将横向纤维和Z 向纤维与其相互交织。
每个层次的纱线和织物的间隔尺寸都是可调节的，这使得三维立体织物的结构通过控制纵向、横向和Z 向的纱线结构来实现。
2. 制备三维立体织物复合材料制备技术是目前研究的热点之一，目前已经研制出许多相应的生产工艺，包括针织法、喷织法、无纺布法、编织法等。
( 1)针织法：是一种纱线由一台细针织机械编成的三维结构。
它采用针织设备排列的行和针织面来构造一个连续的、无缝的三维结构织物。
在织物的表面和内部织有不同的纱线密度或纺织结构。
( 2)喷织法：是一种通过喷织纤维来制造三维立体织物的方法。
将树脂/纤维复合材料从喷嘴或泵喷出，并通过喷嘴将复合材料沉积在三维织物上。
在制备过程中，纵向纤维通过喷嘴或滚轮决定，横向纤维和Z向纤维则通过喷射进行构造。
( 3)无纺布法：是一种制造无纺布的方法，其特点是不需要经过织造过程，可以快速制造出优质的三维立体织物。
目前，无纺布法主要采用热风交织、喷丝和湿法交织等方法来实现。
(4) 编织法：与纺织品的编法类似，纵向纤维被编织成为连续结构，然后横向纤维和Z 向纤维被插入编织的结构中，形成一个具有三维立体结构的织物。
3. 应用三维立体织物复合材料具有优异的力学性能及成型性等特点，因此广泛应用于航空航天、军事、汽车、建筑和医疗等领域。
树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究
收 稿 １期 ： ０ ５ ４ ４ ３ ２０ － － ；修 订 １期 ： ０ ５ ６３ ０ ０ ３ ２０ － — ０ ０
１２ 测 试 标 准 和 方 法 ．
成复 合材 料试 片 。这 ４种 结构 的复合 材料 已经 多次
成功 地应 用 于卫 星相机 支架 、 雷达 天 线罩 等制 件 中。
本工 作对 这 ４种 常 用 的 ３ Ｄ机 织 复 合 材 料 的拉 伸 、
弯曲、 压缩 等性 能 进 行 了 系统 的 实 验 研 究 和 分 析 。
１ ２ ２ 复 合 固 化 ．．
复 合 固化 采 用 Ｒ Ｍ（ ｅｉ Ｔ ａｓ ｒ ｌｉ 工 Ｔ Ｒ ｓ ｒｎｆ ｄｎ ｎ ｅ Ｍｏ ｇ） 艺， 即树脂 传 递模 塑 法 固化 成 型 。 本试 验 所 用 树 脂 为环 氧树 脂／ 固化 剂／ 化 剂 以一 定 比例 配 制 而 成 ， 催 密度 为 １ ２ ｇ ｃ ． ６ ／ ｍ 。复合 固化后 的试 片 尺 寸及 纤 维 体积 含量 如表 １所 示 。考 虑 到 ４种不 同结构 复 合材 料试 片 的纤维 体 积 含量 差 异 不 大 ， 在后 面 的 实验 测 试分 析 中视纤 维 体积 含量 为 等同 。
三 维 （ Ｄ） ３ 纺织 复 合 材 料 是 应 航 空 航 天 、 舶 、 船
汽车 、 建筑 等领 域 的需 要 而于 ７ ０年 代崛起 的先进 复
实验 和分 析 的结果 一方 面 丰 富 了三 维机 织 复合 材料 的力学 性 能数 据 库 ； 一方 面 为 三维 机 织 复 合 材 料 另 的应用 提 供 了 ６年 ｌ ０月
航
空
材
料
学
报
Ｖｏ ． １２６．ＮＯ ５ ． Ｏｃｏ ｅ ２ ６ ｔｂ ｒ ００
三维编织复合材料力学性能研究进展
国内外在近 30 年内对三维编织复合材料的细观结构与 观力学性能之间的关系进行了研究和探索 取得了一些突出 的成就 并逐渐发展成力学和材料领域的一个热门研究方 向。在试验方面，自 20 世纪 80 年代起，MACANDER 等[3] 就对三维编织复合材料的拉压剪弯等典型静态力学性能进 行了系统的试验研究；KALIDINDI 等[4]研究了纤维体积含量 和编织角对材料力学性能的影响；SHIVAKUMAR 等[5]进一 步揭示了三维编织复合材料的压缩强度和失效机制。关于三 维编织复合材料冲击力学行为和断裂形态随应变率的变化 趋势也有相关报道[6-7]。
科技与创新┃Science and Technology & Innovation
文章编号：2095－6835（2021）13－0108－06
2021 年 第 13 期
三维编织复合材料力学性能研究进展
吴亚波，江小州，刘 帅，袁 航，张尧毅，惠永博，侯荣彬
（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610056）
国内也不乏试验研究三维编织复合材料力学性能的相 关报道。张迪等[29]对比研究三维多向编织和层合板复合材料 的力学性能。四种三维多向编织结构分别利用三维四向、三 维五向、三维六向和三维七向编织工艺制备；三种层合复合 材料利用帘子布制成，分别为 0°单向板、90°单向板和层合 板［0 /（ ± 45）2 /90］2s。同时进行拉伸、压缩和剪切试 验。结果表明与三维编织试样相比，0°单向板的拉伸和压缩 性能最高，而其他层合试样的各项性能均较低；对于编织试 样，编织角越小，纵向拉伸和压缩性能越高，剪切性能越低； 发现编织结构和编织角是影响材料破坏模式的重要因素。李 翠敏等[30]研究了三维编织碳纤维复合材料的剪切性能，结果 表明，三维五向较三维四向编织复合材料剪切性能好；三维 编织复合材料剪切强度沿长度方向随着编织角的减小而增 加；切边三维编织复合材料试件受剪切破坏时在加载点附近 侧表面裂缝沿纱线走向分布，上下两表面发生弯曲破坏。李 苏红等[31]试验分析评价了编织结构参数对复合材料拉伸性 能的影响，且对复合材料的破坏模式进行了研究。实验结果 表明，编织角、复合材料尺寸、纤维体积含量、轴向纱数与 编织纱数之比等对复合材料的性能有较大的影响，复合材料 有两种破坏模式，一种是裂纹沿纤维束扩展，另一种是纤维 束拉断，后者为主要破坏模式。 2 三维编织复合材料力学性能的理论研究 2.1 几何模型和力学模型
正交-准正交复合三维机织复合材料力学性能
正交-准正交复合三维机织复合材料力学性能作者：申晓刘向东田伟祝成炎来源：《现代纺织技术》2019年第02期摘要：为弥补单一结构三维机织复合材料在性能方面的不足，研究正交-准正交复合三维机织复合材料的力学性能。
以高强涤纶长丝为原料，分别织造四层正交和准正交三维机织结构作为预制件，依据均衡对称准则设计4种复合结构，选用双酚A环氧乙烯基脂为基体，制备正交、准正交及复合三维机织复合材料，并对制得的复合材料进行经向拉伸和弯曲性能测试。
结果表明：准正交三维机织复合材料的经向拉伸和弯曲性能均优于正交三维机织复合材料;在复合三维机织复合材料中，复合顺序对复合材料性能的影响大于复合比例;正交结构位于材料表层时复合材料可以获得更优异的力学性能。
关键词：复合结构;三维机织物;复合材料;经向拉伸性能;经向弯曲性能中图分类号：TS195.644文献标志码：A文章编号：1009-265X（2019）02-0006-06Abstract：In order to make up for the performance defect of 3D woven composite with single structure， mechanical properties of orthogonal and quasi-orthogonal 3D woven composites with combined structure were investigated. The high-strength polyester filament yarn was used as the raw material to weave four-layer orthogonal and quasi-orthogonal 3D woven structures as preformed units， and four kinds of combined structures were designed according to the principle of symmetry. Orthogonal woven composites， quasi-orthogonal woven composites and combined 3D woven composites were prepared by using bisphenol A epoxy vinyl ester as the matrix. Tensile and bending properties of the composites at warp direction were tested. The results indicated that tensile and bending properties at warp direction of the quasi-orthogonal woven composites were better than that of the orthogonal woven composites. Among the combined 3D woven composites， the effect of combined sequence was greater than the combined ratio. When the orthogonal structure was laid on the surface of the composites， the composites could get better mechanical properties.Key words：combined structure; 3D woven fabric; composite; tensile property at warp direction; bending property at warp direction三维机织复合材料是利用机织加工方法将多个系统的纱线连为空间网状结构，然后在一定条件下与基体复合而得到的一种高性能复合材料，具有良好的可设计性并且由于厚度方向上存在增强纤维，其强度、刚度、抗冲击性和抗疲劳性优良[1]。
三维编织与层合复合材料力学性能对比试验
三维编织与层合复合材料力学性能对比试验张迪;郑锡涛;孙颖;范献银【摘要】对比研究利用相同碳纤维、基体和相同制备工艺（RTM）加工的三维多向编织和层合板复合材料的力学性能。
四种三维多向编织结构分别利用三维四向、三维五向、三维六向和三维七向编织工艺制备；三种层合复合材料利用帘子布制成，分别为0°单向板、90°单向板和层合板[0／（±45）2／90]2s。
采用相同的拉伸、压缩和剪切试验方法对各类试样进行试验。
结果表明：与三维编织试样相比，0°单向板的拉伸和压缩性能最高，而其他层合试样的各项性能均较低；对于编织试样，编织角越小，纵向拉伸和压缩性能越高，剪切性能越低；编织结构也是影响编织试样力学性能的重要因素。
同时，对试样的破坏模式也进行了讨论，发现编织结构和编织角是影响材料破坏模式的重要因素。
%The mechanical properties between three-dimensional (3D)braided and laminated composites were comparatively studied. These two sorts of composites were produced by the same carbon fiber,resin matrix and the same preparation process (RTM).There were totally four kinds of 3D multi-directionally braided composites,which contain 3D four-direction (3D4d ),3D five-direction(3D5d),3D six-direction (3D6d)and 3D seven-direction (3D7d)braiding respectively.And the three kinds of laminated composites manufactured utilizing tire cord fabric were 0°,90°and[0 /(45)2 /90]2s laminates.The mechanical properties of braided and laminat-ed specimens were measured by the same tension,compression and shear testingmethods.The results show that the properties of lami-nated compositesare worse than that of 3D-braided composite except 0°unidirectionallaminates.As to the braided composites,the smaller the braiding angleis,the better longitudinal properties and worse shear properties are.The braiding fabric is also an important factor which affects the mechanical properties.Meanwhile,the failure modes were also discussed,and the results show that,braiding fabric and the braiding angle are the main factors that affect the failure mode.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】8页(P89-96)【关键词】复合材料;三维编织;试验;力学性能;破坏模式【作者】张迪;郑锡涛;孙颖;范献银【作者单位】西北工业大学航空学院，西安 710072;西北工业大学航空学院，西安 710072;天津工业大学复合材料研究所，天津 300160;西北工业大学航空学院，西安 710072【正文语种】中文【中图分类】TB332近30年来，国内外学者开展了大量针对三维编织复合材料的研究工作[1～10]。
复杂载荷作用下的三维编织复合材料力学性能分析
复杂载荷作用下的三维编织复合材料力学性能分析姜黎黎;徐美玲;王幸东;翟军军【摘要】基于螺旋型单胞几何模型和多相有限元理论,建立了三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析模型.通过对代表体积单胞施加不同的复杂载荷比,数值预报了三维四向编织复合材料在双向拉伸和拉剪载荷作用下的破坏点,得到了材料的破坏包络线.结果表明,编织角对三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的破坏影响较大,编织角比较小时,应重视复杂载荷之比对材料破坏的不利影响.此方法为三维编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析提供了有效方法.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2018(023)004【总页数】5页(P108-112)【关键词】三维编织复合材料;力学性能;螺旋型几何模型;复杂载荷【作者】姜黎黎;徐美玲;王幸东;翟军军【作者单位】哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TB3320 引言三维编织复合材料由于其增强体为三维整体编织结构，突破了传统复合材料层合板结构的概念，在提高复合材料层间强度、抗冲击、抗断裂和损伤容限等方面具有巨大的优势和潜力，同时具有优良的可设计性，可以一次成型复杂的零部件。
因此，三维编织复合材料受到工程界的普遍关注，在航空、航天、国防、体育用品和生物医疗等领域得到了广泛应用[1]。
Ma、Yang、Kalidindi和吴德隆[2-5]等在详细分析了三维编织复合材料的成型技术与编织工艺的基础上，分别建立了“米”字型单胞模型、纤维倾斜模型、螺旋纤维模型以及三胞模型，并基于这些细观结构几何模型研究了三维编织复合材料的刚度Ko[6]对三维编织石墨/环氧树脂复合材料进行了拉伸实验，结果表明近似垂直于加载方向失效面上的纤维断裂是引起三维编织复合材料失效的主要原因。
四步法三维编织复合材料力学性能的有限元分析
四步法三维编织复合材料力学性能的有限元分析本文提出了一种新的单胞模型，并采用有限元法分析了三维编织复合材料的力学性能。
本文给出了一种三维编织预制件的纱线编织结构的分析方法，得出了编织纱线的运动规律。
编织纱线由携纱器携带，沿携纱器的运动趋势线方向运动。
采用最小二乘法分段对携纱器的相关运动位置点进行拟合，得到编织过程中纱线的空间运动规律，在此基础上，获得的预制件结构的单胞模型，包含内部单胞，表面单胞和棱角单胞。
单胞的取向平行于预制件的表面。
并建立了编织工艺参数和几何结构参数的关系，通过实验验证，证明了工艺参数和几何结构参数之间关系的正确性。
本文在上述几何模型的基础上，建立了有限元的分析模型并进行数值计算来预报三维编织复合材料的弹性模量。
对于三维编织复合材料来说，其划分的单元内既含有基体材料又含有纤维束材料，而且两种材料间还存在界面。
对于这类单元难以用通常的有限元方法进行分析。
因此本文提出了一种新的离散单元模型，将细观单胞作为离散单元对三维编织复合材料进行宏观网格剖分，然后对细观单元进行分析。
根据结构单胞模型，将长方体单胞理想化为加强筋单元，即由一个各向同性弹性基体材料长方体和不同取向具有单轴刚度的纤维单元叠加而成。
并推导了加强筋单元的刚度矩阵，在给定的边界条件下，得出三维编织复合材料的模量。
通过相应软件的编制，使得只要输入相应的编织工艺参数，便可快速，及时准确的做出预报。
并进行了实验验证，预测结果和实验结果吻合较好，证实了三维编织复合材料弹性模量预报的精确性。
结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响
浙江理工大学学报,第51卷,第1期,2024年1月J o u r n a l o f Z h e j i a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t yD O I :10.3969/j.i s s n .1673-3851(n ).2024.01.008收稿日期:2022-12-09 网络出版日期:2023-07-07基金项目:国家自然科学基金面上项目(52075498);浙江理工大学科研启动基金(11152932612007)作者简介:武维莉(1990- ),女,安徽宿州人,讲师,博士,主要从事复合材料方面的研究㊂结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响武维莉,潘忠祥(浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),杭州310018) 摘 要:为了研究三维机织结构参数与复合材料力学性能之间的关系,设计织造了4种不同结构的三维机织物,包括浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结和接结纬接结+衬纬纱结构,并分别将其制备成复合材料,通过材料试验机探究所得复合材料的结构参数对拉伸㊁剪切性能的影响㊂结果表明:纤维体积分数相同时,纱线的屈曲和纱线交织结构决定了复合材料的拉伸性能及尺寸稳定性㊂经向上,浅交直联结构复合材料拉伸性能和尺寸稳定性最佳,经纱屈曲大的接结纬接结+衬纬纱结构复合材料拉伸性能和尺寸稳定性最差;纬向上,接结纬接结结构复合材料拉伸性能和离散性最差㊂对比2个方向的拉伸性能发现,复合材料的纬向拉伸性能远远优于经向拉伸性能㊂织物的交织结构决定了剪切性能及尺寸稳定性,浅交直联复合材料的结构紧密,剪切模量最大,接结纬接结复合材料的结构疏松,剪切模量最小,而剪切强度几乎呈相反的规律㊂该研究明确了纤维体积分数㊁纱线屈曲程度㊁织物交织结构等结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响,为三维机织复合材料的研究和应用提供了参考㊂关键词:三维;机织复合材料;拉伸性能;剪切性能;尺寸稳定性中图分类号:T S 195.644文献标志码:A文章编号:1673-3851(2024)01-0063-11引文格式:武维莉,潘忠祥.结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响[J ].浙江理工大学学报(自然科学),2024,51(1):63-73.R e f e r e n c e F o r m a t :W U W e i l i ,P A N Z h o n g x i a n g .T h e e f f e c t o f s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o n t h e t e n s i l e a n d s h e a r p r o pe r t i e s of 3D w o v e n c o m p o s i t e s [J ].J o u r n a l o f Z h e j i a ng S c i -T e ch U ni v e r s i t y,2024,51(1):63-73.T h e e f f e c t o f s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o n t h e t e n s i l e a n d s h e a r p r o p e r t i e s o f 3D w o v e n c o m po s i t e s W U W e i l i ,P A N Z h o n g x i a n g(C o l l e g e o f T e x t i l e S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g (I n t e r n a t i o n a l I n s t i t u t e o f S i l k ),Z h e j i a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t y ,H a n gz h o u 310018,C h i n a ) A b s t r a c t :T o i n v e s t i g a t e t h e r e l a t i o n s h i p be t w e e n t h e p a r a m e t e r s of T h r e e -d i m e n s i o n a l (3D )w o v e n s t r u c t u r e s a n d t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o m po s i t e s ,f o u r s t r u c t u r e s o f 3D w o v e n f a b r i c s w e r e p r e p a r e d ,i n c l u d i n g s h a l l o w c r o s s -l i n k e d ,l a y e r -b y -l a y e r a n g l e -i n t e r l o c k ,"s t i t c h i n g we f t "w e f t k n i t t e d a n d "s t i t c h i n g w e f t "w e f t k n i t t e d +i n s e r t e d w e f t s t r u c t u r e s .T h e y w e r e p r e p a r e d i n t o c o m p o s i t e s ,a n d b yu s i n g a m a t e r i a l t e s t i n g m a c h i n e ,t h e e f f e c t s o f s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o n t e n s i l e a n d s h e a r p r o pe r t i e s of t h e c o m p o s i t e s w e r e e x p l o r e d .T h e r e s u l t s s h o w t h a t w i t h t h e s a m e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ,t h e y a r n c r i m p an d t h e i n t e r l a c i n g s t r u c t u r e o f y a r n s d e t e r m i n e t h e t e n s i l e p r o p e r t i e s a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y of t h e c o m p o s i t e s .I n t h e w a r p d i r e c t i o n ,t h e s h a l l o w c r o s s -l i n k e d w o v e n c o m po s i t e s e x h i b i t t h e m o s t e x c e l l e n t t e n s i l e p r o p e r t i e s a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y ,w h i l e t h e "s t i t c h i n g we f t "w e f t k n i t t e d+i n s e r t e d w e f t r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s w i t h l a r g e w a r p c r i m p at t a i n t h e w o r s t t e n s i l e p e r f o r m a n c e .I n t h e w e f t d i r e c t i o n ,t h e s t r u c t u r e "s t i t c h i n g w e f t "w e f t k n i t t e d r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s s t i l l e x h i b i t t h e w o r s t t e n s i l e p r o p e r t y a n d d i s c r e t e n e s s .C o m p a r i s o n o f t h e t e n s i l e p r o p e r t i e s i n b o t h d i r e c t i o n s i n d i c a t e s t h a t t h e t e n s i l e p r o p e r t yo f t h e c o m p o s i t e s i n t h e w e f t d i r e c t i o n i s s u p e r i o r t o t h a t i n t h e w a r p d i r e c t i o n.T h e i n t e r l a c i n g s t r u c t u r e o f t h e f a b r i c s d e t e r m i n e s t h e s h e a r p r o p e r t i e s a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y.T h e s h a l l o w c r o s s-l i n k e d c o m p o s i t e s p e r f o r m t h e h i g h e s t s h e a r m o d u l u s w i t h a d e n s e s t r u c t u r e,w h i l e t h e"s t i t c h i n g w e f t"w e f t k n i t t e d c o m p o s i t e s w i t h a l o o s e r s t r u c t u r e r e s u l t i n a l o w e s t s h e a r m o d u l u s.H o w e v e r,t h e s h e a r s t r e n g t h s h o w s a n a l m o s t o p p o s i t e l a w.T h i s s t u d y c l a r i f i e s t h e e f f e c t s o f t h e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s s u c h a s f i b e r v o l u m e f r a c t i o n,y a r n c r i m p d e g r e e,a n d f a b r i c i n t e r l a c i n g s t r u c t u r e o n t h e t e n s i l e a n d s h e a r p r o p e r t i e s o f3D w o v e n c o m p o s i t e s,p r o v i d i n g r e f e r e n c e f o r t h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f3D w o v e n c o m p o s i t e s.K e y w o r d s:3D;w o v e n c o m p o s i t e s;t e n s i l e p r o p e r t y;s h e a r p r o p e r t y;d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y0引言纤维增强复合材料因具有较高的比强度㊁比模量以及较好的耐疲劳和耐腐蚀特性,广泛应用于航空航天㊁船舶㊁汽车㊁建筑等领域㊂由于层间或Z向纱的增强作用,三维机织增强复合材料的层间力学性能明显优于二维结构[1-4]㊂B e h e r a等[5]发现,三维机织复合材料具有优异的抗冲击性㊁防刺穿及动态热机械性能㊂P e e r z a d a等[6]研究发现,三维机织结构中Z向纱的存在使经纬纱承担的负荷减少,提升了复合材料的整体强度和刚度㊂B r a n d t等[7]发现,Z向纱明显提高了复合材料的层间性能,其含量的增加使经纬向的拉伸强度下降,但压缩强度不受影响㊂C o x等[8]探究了三维机织复合材料的拉伸㊁压缩和弯曲性能,结果发现与二维复合材料相比,三维复合材料的面外性能增加,面内性能有所降低㊂I v a n o v等[9]认为,三维复合材料的杨氏模量与二维复合材料接近,但在45ʎ方向上,三维复合材料的最大应力㊁应变明显高于二维复合材料㊂P o t l u r i等[10]探究了三维复合材料的抗冲击性能,发现不同结构的三维复合材料的损伤面积和宽度相似,但远小于二维复合材料㊂针对不同结构的三维复合材料力学表现,国内外学者展开了相关研究㊂S a l e h等[11]研究了3种不同结构(正交结构㊁层层角联锁和角联锁结构)的三维机织复合材料的准静态拉伸性能,发现不同结构的复合材料的拉伸刚度与强度主要取决于经纱和纬纱含量,而结构类型的影响较小㊂其他学者也发现,织物结构对复合材料力学性能有重要影响㊂B e h e r a 等[5]探究了三维机织复合材料的拉伸性能,发现不同结构的材料,其拉伸强度在经向上的大小排序为三维正交结构复合材料㊁经向联锁结构复合材料㊁角联锁结构复合材料,而在纬向上则相反㊂H u a n g 等[12]测试了4种玻璃纤维三维机织复合材料的拉伸性能,包括层与层绑定的正交结构㊁完全正交结构㊁角联锁结构㊁改进的角联锁结构,发现织物结构与复合材料的拉伸强度及尺寸稳定性有很大关系㊂X u等[13]㊁D a i等[14]和J i a o等[15]探讨了织物结构对三维复合材料拉伸性能的影响,发现结构不同导致富树脂区不同,角联锁结构复合材料在经纱方向上具有较大的拉伸模量和强度㊂S t i g等[16]验证了这一观点,并且通过实验发现三维复合材料的刚度和强度随着纱线的屈曲增加呈现非线性下降,添加填充纱可以增加复合材料的力学性能㊂上述工作探究了三维机织结构复合材料与力学性能之间的关系,但是三维机织结构种类繁多,设计人员须根据使用工况选择合适的织物结构㊂然而,目前三维机织结构与力学性能之间的关系研究不够充分,影响了对其力学性能可靠性的评估㊂本文设计织造了4种不同结构的三维机织物,包括浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结和接结纬接结+衬纬纱结构,并分别将其制备成复合材料,对三维机织复合材料的拉伸性能和剪切性能进行测试,分析了织物结构参数对复合材料的拉伸和剪切性能的影响㊂本文的研究结论为三维机织复合材料的设计和应用提供了指导㊂1实验部分1.1实验材料碳纤维纱线(T70012K,纤度954.3t e x)购于日本东丽公司;环氧树脂(R T M3266)购于中航复合材料有限责任公司;多综眼多剑杆织机,自研㊂纤维和树脂的基本参数见表1㊂表1实验材料的基本参数实验材料密度/(g㊃c m-3)抗拉模量/G P a抗拉强度/M P a断裂伸长率/%碳纤维1.8023049002.1环氧树脂1.252605.0 1.2实验方法1.2.1三维织物织造本文设计了4种不同组织结构的碳纤维三维机46浙江理工大学学报(自然科学)2024年第51卷织结构,包括浅交直联结构㊁层层角联锁结构㊁接结纬接结结构和接结纬接结+衬纬纱结构,在多综眼多剑杆织机上完成织造㊂三维织物实物照片及沿织物经向的截面结构示意图如图1所示,其中:结构示意图中绿色椭圆点代表纬纱,白色屈曲的纱线代表经纱;白色实线表示观察切面上的经纱,而虚线则表示交织着的相邻经纱㊂上机织造及织物参数见表2,织物的上机图如图2所示㊂图14种三维织物实物照片和沿经向截面结构示意图表2三维机织物的织物参数织物结构经密/(根㊃10c m-1)纬密/(根㊃10c m-1)平方米质量/(k g㊃m-2)厚度/m m浅交直联61.842.665518.51层层角联锁59.430.674638.81接结纬接结接62.857.8796810.02接结纬接结+衬纬纱60.057.4766010.62注:为了对比方便,表中经密㊁纬密指单层交织结构的纱线根数㊂而实际上三维机织结构在厚度上有多层交织结构,总的经纬密度还应该乘以交织层数㊂1.2.2复合材料的制备实验采用树脂传递模塑成型工艺(R e s i n T r a n s f e r M o l d i n g,R T M)制作复合材料,其工艺过程及原理如图3所示㊂首先在预设厚度的模具内放置三维织物,闭合模具并灌注树脂,然后在常温条件下固化,制备复合材料㊂在成型过程中,固定的模腔深度导致4种三维机织复合材料的厚度一致,复合材料的厚度均为8.30m m㊂由于织物平方米质量不同导致复合材料的纤维体积分数(F i b e r v o l u m e f r a c t i o n,V f)有所区别,4种三维复合材料的V f见表3㊂1.3测试与表征1.3.1复合材料的拉伸性能测试采用材料实验机(I n s t r o n5940,美国I n s t r o n公司)测试复合材料的经向和纬向性能,测试方法采用A S T M D3039/D3039M-08S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r T e n s i l e P r o p e r t i e s o f P o l y m e r M a t r i x C o m p o s i t e M a t e r i a l s㊂经向拉伸采用矩形长条试样,示意图如图4(a)所示㊂由于纬向纱线伸直度高,断裂失效容易发生在试样两端,因此纬向拉伸试样设计成狗骨形状,示意图如图4(b)所示㊂实验时首先调节拉伸夹具的标距,设为150m m,安装试验件,然后连接应变片和数采系统㊂为了使夹具夹紧试样,对夹具施加一定的预加张力(纬向拉伸为3k N,经向拉伸2k N),拉伸速度设定为2m m/m i n㊂每种结构测试5个样品㊂1.3.2复合材料的剪切性能测试剪切测试采用A S T M D5379/D5379M-12 S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r S h e a r P r o p e r t i e s o f C o m p o s i t e M a t e r i a l s b y t h e V-N o t c h e d B e a m M e t h o d,测试试样示意图和夹具实物照片如图5所示㊂实验时把试样放置在V型切口剪切夹具内部,将夹具安装到材料试验机的压缩盘上,调节上压盘靠近夹具的压杆上,设定测试速度为2m m/m i n㊂根据测试56第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响图2 4种三维织物的织造上机图标准,在剪切应变大于5%时,试样视为破坏,测试终止㊂每种结构测试5个样品㊂1.3.3 试样编号测试前对实验试样进行系统性地编号,定义4种复合材料的经向拉伸性能(编号 -T J )和纬向拉伸性能(编号 -T W )㊁剪切性能(编号 -S),每种结构测试5个试样,其编号分别是N o .1㊁N o .2㊁N o .3㊁N o .4㊁N o .5㊂4种织物结构(浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结接㊁接结纬接结+衬纬纱)的编号分别是01㊁02㊁03㊁04㊂例如,浅交直连复合材料的经向拉伸5个试样测试编号分别是01-T J -N o .1㊁01-T J -N o .2㊁01-T J -N o .3㊁01-T J -N o .4㊁01-T J -N o .5,测试试样的具体编号见表4㊂2 结果与讨论2.1 织物结构分析本文设计织造的4种组织结构中经纬纱的交织规律不同,其中三维织物浅交直联和层层角联锁结构相似,而接结纬接结和接结纬接结+衬纬纱结构更为相似㊂相对于接结纬接结,接结纬接结+衬纬纱在纬向上又添加了额外的衬纬纱,使得纬纱含量有所增加㊂三维机织结构在厚度方向上形成多层的经纬纱交织,相比二维机织物,三维机织结构层间性能更佳,作为复合材料增强体结构具有一定的优势㊂织物的交织程度决定了结构的紧密程度,也影响了力学性能的稳定性㊂纱线交织点越多,形成的织物结构越稳定,纱线自由度小,受到载荷时材料的力学性能越稳定㊂以浅交直联结构为例,在织造打纬时,经纱每横跨两根纬纱交织形成扣锁一次,即在1㊁3㊁5列纬纱处形成紧密的交织结构,如图6所示㊂在织造2和4列纬纱时,经纱只发生上下移动形成梭口用来添加纬纱,而不会施加较大的力锁紧纱线㊂同理,对于层层角联锁结构,织造每一根纬纱都会交图3 R T M 工艺过程及原理图66浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷表3 三维机织结构复合材料的纤维体积分数V f织物结构V f /%浅交直联41.85层层角联锁48.00接结纬接结接43.44接结纬接结+衬纬纱51.13织扣紧一次,使得织物结构变得紧密㊂定义图6中1至3列的纬纱隔距为打纬交织宽度T ㊂T 越小,纱线交织次数越多,织物结构越紧密;T 越大,经纱及纬纱受到的束缚越小,织物结构越疏松㊂4种结构的打纬交织宽度的统计数据见表5㊂图4 复合材料拉伸测试试样示意图图5 复合材料剪切测试试样示意图及测试设备表4 4种三维复合材料的测试编号织物结构经向拉伸编号纬向拉伸编号剪切编号浅交直联01-T J -N o .1㊁01-T J -N o .2㊁01-T J -N o .3㊁01-T J -N o .4㊁01-T J -N o .501-T W -N o .1㊁01-T W -N o .2㊁01-T W -N o .3㊁01-T W -N o .4㊁01-T W -N o .501-S -N o .1㊁01-S -N o .2㊁01-S -N o .3㊁01-S -N o .4㊁01-S -N o .5层层角联锁02-T J -N o .1㊁02-T J -N o .2㊁02-T J -N o .3㊁02-T J -N o .4㊁02-T J -N o .502-T W -N o .1㊁02-T W -N o .2㊁02-T W -N o .3㊁02-T W -N o .4㊁02-T W -N o .502-S -N o .1㊁02-S -N o .2㊁02-S -N o .3㊁02-S -N o .4㊁02-S -N o .5接结纬接结接03-T J -N o .1㊁03-T J -N o .2㊁03-T J -N o .3㊁03-T J -N o .4㊁03-T J -N o .503-T W -N o .1㊁03-T W -N o .2㊁03-T W -N o .3㊁03-T W -N o .4㊁03-T W -N o .503-S -N o .1㊁03-S -N o .2㊁03-S -N o .3㊁03-S -N o .4㊁03-S -N o .5接结纬接结+衬纬纱04-T J -N o .1㊁04-T J -N o .2㊁04-T J -N o .3㊁04-T J -N o .4㊁04-T J -N o .504-T W -N o .1㊁04-T W -N o .2㊁04-T W -N o .3㊁04-T W -N o .4㊁04-T W -N o .504-S -N o .1㊁04-S -N o .2㊁04-S -N o .3㊁04-S -N o .4㊁04-S -N o .52.2 结构参数对三维机织复合材料的拉伸性能的影响2.2.1 经向拉伸性能三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线如图7所示㊂由图7可知:4种复合材料的拉伸应力-应变曲线表现不同,随着应变增加,浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的拉伸应力-应变呈线性关系,复合材料表现出线弹性的材料属性;而接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的拉伸应力在应变较小时呈线性增加,但是随着应变的增大,拉伸应力增长速度减缓,即拉伸模量(应力/应变)呈下降的趋势㊂分析经向拉伸离散性,发现:浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的经向拉伸一致性最好,表现为5个试样的拉伸曲线离散程度小㊂相反,接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合76第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响图6 三维机织打纬交织示意图表5 三维机织结构的打纬宽度织物结构打纬宽度/m m浅交直联2.34层层角联锁3.26接结纬接结接6.92接结纬接结+衬纬纱2.34材料的拉伸离散程度大,即尺寸稳定性不佳,这与织物交织结构有关㊂三维机织结构中的经纱由于交织作用,纱线往往呈屈曲的状态,且纱线的屈曲程度会影响拉伸方向上的力学性能㊂纱线的屈曲程度(C )可以采用式(1)计算:图7 4种三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线C =l l 0(1)其中:l 代表织物中纱线屈曲状态下的跨距长度,l 0代表纱线从织物中提取出来完全伸直的实际长度㊂图8显示了纱线屈曲形成的纱线交织方式㊂表6汇总了4种三维复合材料的拉伸性能参数及经纱屈曲情况㊂从表6可以发现,经纱屈曲会影响复合材料的拉伸模量,接结纬接结+衬纬纱结构的纱线屈曲最高,模量最低㊂但是拉伸强度与纱线屈曲之间不具有明显的规律,这可能需要同时考虑经向上的纱线含量㊂图8 纱线屈曲示意图已有研究发现,三维机织复合材料的力学性能与纤维体积分数关系很大,经纬向上的纱线含量直接影响复合材料的拉伸性能[17]㊂为了有效评估经纬向上不同含量的三维机织复合材料的拉伸性能,对复合材料的力学性能进行归一化处理,即将不同复合材料的拉伸性能统一转换经向或纬向上V f 为86浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷表64种三维复合材料的经向拉伸性能参数结构经纱屈曲拉伸模量/G P a拉伸模量C V/%拉伸强度/M P a拉伸强度C V/%经纱V f/%浅交直联1.08322.489.02311.076.1525.53层层角联锁1.15624.983.41238.926.5826.19接结纬接结接1.13922.8520.03194.876.5526.81接结纬接结+衬纬纱1.33017.3624.48175.0121.8429.5425%的等效拉伸性能㊂断裂强度和抗拉模量的归一化计算为:σ'=σVfˑ25(2)E'=E Vfˑ25(3)其中:σ'是纤维体积分数为25%时的强度,M P a;σ为未归一化转换前的强度,M P a:E'为纤维体积分数为25%时的模量,G P a;E为未归一化转换前的模量,G P a㊂图9为经纱V f归一化处理后的4种复合材料拉伸模量㊁强度与经纱屈曲的关系㊂由图7可知,经纱屈曲程度会影响复合材料的拉伸性能,当经纱V f 统一为25%后,经纱屈曲程度越高,三维复合材料经向拉伸性能越差㊂三维机织结构复合材料的经向拉伸模量和强度整体上呈现相似的规律,大小排序为浅交直联结构复合材料㊁层层角联锁结构复合材料㊁接结纬接结结构复合材料㊁接结纬接结+衬纬纱结构复合材料㊂当经纱含量相同时,浅交直联结构复合材料的纱线屈曲最小(C=1.083),拉伸时经纱更容易发挥轴向上的力学优势,纱线强度利用率高,导致模量和强度达到最佳状态㊂接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的经纱屈曲最大(C=1.330),受力时经纱强度利用率低,拉伸性能最差,且离散值最大㊂浅交直联结构复合材料的拉伸离散度较小,尺寸稳定性好,这与经纱交织宽度相关㊂由表6的数据可知,浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的交织宽度最小,分别是2.34m m和3.26m m㊂较小的纱线交织宽度导致在织造打纬时受到的打纬力更大,纱线的交织次数更多,织物结构更紧密,导致复合材料的拉伸离散性更小㊂相反,接结纬接结接结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的交织宽度较大,分别为6.92m m和8.55m m,导致织物结构不够紧密,拉伸模量和强度离散性大[18]㊂图10为V f归一化后,4种机织结构复合材料经向上的拉伸模量衰减情况,衰减速率大小排序为接结纬接结+衬纬纱相近㊁接结纬接结㊁层层角联图9归一化处理后4种机织结构复合材料的经向拉伸模量和强度(V f=25%)锁㊁浅交直联,这与经纱的屈曲状态和经纬纱的交织情况有关㊂伸直的纱线对拉伸性能的贡献大于屈曲的纱线[19],纱线屈曲明显的结构,如接结纬接结+衬纬纱结构复合材料和接结纬接结结构复合材料,无法充分发挥纤维的力学优势,受拉时屈曲的纱线有伸直的趋势;当拉伸载荷增加,经纱试图伸直造成树脂剪切破坏[20],导致复合材料的失效,从而模量发生明显的衰减㊂浅交直联结构复合材料由于经纱屈曲小,拉伸时纱线伸直变形小,且经纬纱交织结构紧密,失效前拉伸模量一直保持稳定不变㊂图104种机织结构复合材料经向拉伸模量随拉伸应变的变化曲线(V f=25%) 2.2.2纬向拉伸性能三维机织复合材料的纬向拉伸应力-应变曲线如图11所示㊂与经向拉伸曲线有所不同,4种复合材料纬向的拉伸应力-应变曲线均呈线性特征,表现出了线弹性的属性㊂由于织造时的打纬运动,纬纱在织物中几乎处于伸直状态[19],在纬向拉伸时,复96第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响合材料主要的变形来自于纬纱的拉伸和伸长,因此拉伸曲线呈线性特征㊂相比经向拉伸行为,4种结构复合材料的5个试样的纬向拉伸离散程度较小,拉伸曲线一致性好㊂其中,浅交直联结构复合材料的纬向试样拉伸离散性最小,接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的离散性最大㊂与经向拉伸行为相似,这主要与织物结构有关㊂图11 4种机织结构复合材料的纬向拉伸应力-应变曲线 表7汇总了复合材料纬向上的拉伸性能,可以发现纬纱的屈曲程度远远小于经纱,与经纱的屈曲规律相同,纬纱的屈曲从小到大的顺序为:浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结接㊁接结纬接结+衬纬纱㊂拉伸性能同时受到纬纱含量的影响,因此对纬纱含量进行归一化后,从而对比纬向上的拉伸性能㊂表7 4种三维复合材料的纬向拉伸性能参数织物结构纬纱屈曲拉伸模量/G P a拉伸模量C V /%拉伸强度/M P a 拉伸强度C V /%纬纱V f/%浅交直联1.00430.004.07489.772.9116.33层层角联锁1.00543.804.48629.772.2621.82接结纬接结接1.00927.147.83411.6215.8820.31接结纬接结+衬纬纱1.01247.228.59726.672.5421.58图12为V f 统一为25%后的纬向拉伸模量㊁强度㊂由图12可知:当V f 相同时,4种结构复合材料的纬向上的拉伸模量㊁强度呈现相似的规律,从大到小的顺序为:接结纬接结+衬纬纱结构复合材料㊁层层角联锁结构复合材料㊁浅交直联结构复合材料㊁接结纬接结结构复合材料㊂与经向拉伸相同,浅交直联结构复合材料和层层角联锁复合材料的纬向拉伸性能依然优于接结纬接结结构复合材料,表明这两种材料具有结构上的优势㊂浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的纬纱屈曲小,且纱线交织宽度小导致交织次数多,织物结构紧密,对纬纱的束缚张力大,纬向拉伸离散小㊂而接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的经纬纱交织点少,纱线之间束缚少㊁自由度大,织物结构疏松,导致纬向上的拉伸性能离散性大㊂2.2.3 经向和纬向拉伸性能对比图13对比了4种复合材料在经㊁纬方向上的拉伸性能㊂由图13可知,V f 归一化后,经向上的拉伸模量和强度明显低于纬向,这是由于纬纱伸直程度高于经纱,受拉时纬纱能承受较大的载荷㊂经纱由于屈曲大,不利于发挥碳纤维的力学优势,导致经向上的拉伸模量较低㊂当拉伸载荷增加时,经纱有从7浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷图12归一化处理后4种结构复合材料纬向拉伸模量和强度(V f=25%)屈曲到伸直的趋势,但是此过程会导致纱线周围的树脂受到挤压,造成剪切破坏,从而引起整个试样迅速失效,因此经向上的拉伸强度均低于纬向㊂2.3结构参数对三维机织复合材料剪切性能的影响本文对4种三维机织复合材料的剪切性能进行分析,剪切应力-应变曲线如图14所示㊂由图14可知,4种复合材料的剪切曲线相似,初始受剪时,复合材料的应力-应变曲线呈线弹性属性,剪切应力随着应变的增加呈线性增加;随着载荷的增加,应力-图134种机织结构复合材料经㊁纬向的拉伸性能对比(V f=25%)图144种机织结构复合材料剪切应力-应变曲线17第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响应变曲线进入非线性阶段,剪切应力继续增大但增长速度下降,即剪切刚度下降,直至强度达到最大后试样失效㊂复合材料施加剪切载荷时,当剪切力较小时,材料中的纱线和树脂同时受力,由于树脂模量远低于碳纤维,树脂首先发生变形㊂纱线受剪切力后由屈曲状态伸直,交织处的经纬纱逐渐锁紧,当载荷持续增大,锁结处的纱线摩擦力增大直至无法承受载荷,此时交织的纱线发生滑移㊁抽拔㊁断裂㊂树脂的断裂伸长率大,碳纤维断裂前树脂还未发生破坏,但是树脂强度远低于碳纤维,碳纤维断裂后树脂迅速破坏,最后整个复合材料试样失效[21]㊂图15显示了4种复合材料的剪切性能及离散情况㊂由图15可知,V f 相同时,浅交直联结构复合材料的剪切模量最大,接结纬接结结构复合材料的剪切模量最小,而剪切强度几乎呈相反的规律㊂浅交直联结构复合材料的结构紧密,受剪切时复合材料不易发生变形,剪切模量最大,但这导致在纱线交织处容易形成应力集中,试样失效早[22],剪切强度小㊂接结纬接结结构复合材料由于经纬纱的交织少㊁结构疏松,受剪切时结构容易发生变形,剪切模量小,但是疏松的结构不易形成应力集中,剪切失效发生晚,因此剪切强度最大㊂图15 归一化处理后4种复合材料剪切模量和强度(V f =25%)与拉伸性能相似,接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的剪切离散值最大,尺寸稳定性最差,而浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的剪切离散性最小,这与织物结构中是纱线交织情况有关㊂接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料中纱线交织宽度大,交织点少,纱线自由度大,受剪切时材料的失效位置具有较大的不确定性,离散度大;而浅交直联结构复合材料和层层角联锁复合材料的结构交织较为紧密㊁稳定,受剪切时离散性最小㊂3 结 论为了研究三维机织结构参数与复合材料力学性能之间的关系,本文设计制备了4种不同结构的三维机织复合材料,测试分析了复合材料的拉伸性能(经向和纬向)和剪切性能,所得主要结论如下:a)纤维体积分数㊁纱线屈曲和纱线交织程度决定了三维复合材料的拉伸和剪切性能㊂V f 相同时,纱线屈曲导致拉伸性能下降,而交织结构紧密会改善拉伸性能和离散性㊂b )经向拉伸时,4种结构复合材料的拉伸响应和曲线离散性不同,但拉伸模量和强度呈现相同的规律,大小排序为浅交直联结构复合材料㊁层层角联锁结构复合材料㊁接结纬接结结构复合材料㊁接结纬接结+衬纬纱结构复合材料㊂纬向拉伸时,4种结构复合材料的拉伸应力-应变曲线呈线弹性,且离散值小,这与纬纱屈曲小有关,同时纬向上的拉伸性能远远优于经向㊂不管是经向还是纬向上,浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的拉伸性能和离散性较小,而接结纬接结结构复合材料的拉伸性能最差,说明此结构不具有优势㊂c )4种复合材料的剪切应力-应变曲线呈非线性的特征㊂织物中经纬纱的交织结构决定了剪切性能及离散性,其中浅交直联复合材料的结构紧密,剪切模量最大,接结纬接结复合材料的结构疏松,剪切模量最小,而剪切强度几乎呈相反的规律㊂此研究明确了结构参数对三维机织复合材料的拉伸性能和剪切性能的影响,对三维织物的结构设计和力学性能优化有一定的指导作用,为将来三维机织复合材料的工程化应用提供借鉴和参考㊂参考文献:[1]杨彩云,李嘉禄,陈利,等.树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究[J ].航空材料学报,2006,26(5):51-55.[2]L i M R ,W a n g P,B o u s s u F ,e t a l .A r e v i e w o n t h e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f t h r e e -d i m e n s i o n a l w a r pi n t e r l o c k w o v e n f a b r i c s a s r e i n f o r c e m e n t i n c o m po s i t e s [J ].J o u r n a l o f I n d u s t r i a l T e x t i l e s ,2022,51(7):1009-1058.[3]D a h a l e M ,N e a l e G ,L u pi c i n i R ,e t a l .E f f e c t o f w e a v e p a r a m e t e r s o n t h e m e c h a n i c a l p r o pe r t i e s of 3D w o v e ng l a s s c o m p o s i t e s [J ].C o m po s i t e S t r u c t u r e s ,2019,223:27浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷。
三维机织多孔复合材料的横向冲击性能
Ｄｙ ａ ｉ ｍ ｐ ｃ ｅ ａ ｉ ｒ ｏ Ｄ ｖ ｎ ｆ ｂ ｉ ｏ ｐｏ ｉｅ ｎ ｍ ｃ ｉ ａ ｔ ｂ ｈ ｖ ｏ ｆ３一 ｗｏ ｅ ａ ｒ ｃ ｃ ｍ ｓｔ
ＴＡＮＧ Ｙｕ ｕ ｎ ｙ ａ ，ＬＩＨｏ ，Ｚ ｎｇ ＨＡＮＧ ｅ ，ＤＩ ｎ Ｗ ｉ ＮＧ Ｘｉ
分层 接 结 、 联 贯 穿 接结 、 交 贯 穿 接 结 等 结 构形 角 正 式 。三维机织物 不 同交织结 构 的经 纬纱在 预型件
Ａｂｓｒ ｔ Ｆ ｒｕ ｄ ｒｔｎ ｉｇ ｔｅ ｄ ｎ ｍｉ ｃ ｎ ｃ ｌｐ ｏ ｅ ｔ ｓｏ ｅ ｔ ｅ ｓｒ ｃｕ ａ ｏ ｐ ｓｔ ｓａ ｄ ｂ ｔ ｒ ｔａｃ ｏ ｎ ｅｓａ ｄ ｎ ｈ ｙ ａ ｃ ｍｅ ｈａ ｉａ ｒ ｐ ｒｉ ｆｔｘ ｉ ｔｕ ｔ ｒｌｃ ｍ ｏ ｉ ｎ ｅｔ ｅ ｌ ｅ ｅ ｄ ｓｇ ｉ ｇ ａ ｄ ａ ｐ ｉａｉｎ ｆｔｅ ．ｂ ｔ ｈ ｔｔ ｎ ｙ ａ ｃ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｐ ｏ ｅ ｔ ｓ ｏ Ｄ ｌ ・ａ ｅ ｅ ｉｎ ｎ ｎ ｐ ｌｃ ｔｏ ｏ ｈ ｍ ｏｈ ｔｅ ｓａｉ ａ ｄ ｄ ｎ ｍｉ ｃ ａ ｉａ ｒｐ ｒｉ ｆ３－ ｍｕｔ ｌ ｙ ｒ ｃ ｅ ｉ ｗｅ ｎ ｅ ｌｃ ｄ ｗｉｈ ｗａ ｐ ｎ ｅ ｌｃ ｖ ｎ ｆｂ ｉ ｃ ｍｐ ｓｔ ｒ ｅ ｔｄ ｗｉ ｄ ｆｅ ｓ ｌｔ ｔ ｆ ｉｔｒａ ｅ ｔ ｒ ｉｔｒｏ ｋ ｗｏ ｅ ａ ｒｃ ｏ ｏ ｉ ｗｅ ｅ ｔ ｓｅ ｔ ａ ｍｏ ｉｉｄ ｐ ｉ ｅ ｈ Ｈｏ ｋ ｎ ｏ ｐ ｉ ｓｎ
第３卷 １
第 ２期
纺
织
学
报
Ｖｏ． １３１，Ｎｏ ２ ． Ｆ ｂ．，２ ０ ｅ ０１
三维正交机织复合材料的拉伸力学性能及介电性能研究
ｏｆｄ ｆｅ ｅ ｔ ｆｂｅ ａ ｅ ｔｄ ｆｅ ｅ ｄ ａ ａ ｓｏｆｆｂｅ ｓ ｉｆ ｒ ｎ ｉ ｒ ｃ ｎ ｅｘ ｒ ｉｆ ｒ ｎｔａ ｖ ｎｔ ｇｅ ｉ ｒ ．
Ｋ ｅ ｒ ｓ： Ｄ ｏｍ ｐ ｉｅ； ｐ ｃ ｆｃ ｔ ｎｓｌ ｔ ｅ ｔ ｓ ｃ ｆｃ ｍ ｏ ｙ ｗｏ ｄ ３ ｃ ｏｓｔ ｓ ｅ ｉｉ ｅ ｉｅ ｓ ｒ ｎｇ ｈ； ｐｅ ｉｉ ｄｕｌ ｓ； ｅ ｅ ｔ ｉ ｏ ｒ ｙ； ｂ ｉ ｔ ｕ — ｕ ｄｉ ｌｃ ｒｃ ｐｒ ｐｅ ｔ ｈｙ ｒ ｄ ｓ ｒ ｃ
ｄ ｓｒａ ｐ ｌ ａｉｎ ． ｅｔ ｎ ｉ ｎ ｉｌｃｒｃ ｐ ｏ ｅ ｔ ｓｏ Ｄ ｒｈ ｇ ｎ ｌｗｏ ｅ ｒ ｍｉ－ ｌｓ ｉｅ ／ ｕ ｔｉｌ ｐｉ ｔｏ ｓ Ｔｈ ｅ ｓｌ ａ ｄ ｄ ｅｅ ｔ ｉ ｒ ｐ ｒｉ ｆ３ ｏ ｔ ｏ ｏ ａ ｖ ｎ ａ ａ ｄ ｇ ａ ｓｆｂ ｒ ａ ｃ ｅ ｅ
Ｗ ｏ ｅ ｖ ｎ Ｃｏｍ ｐ ｉｅ ｏｓ ｔ ｓ
姚
澜， 李文 斌 ， 邱夷 平
（ 东华 大学 纺织学 院 ， 上海 ２ １ ２ ） ０ ６ ０
ＹＡＯ ａ Ｌ ｎ，Ｌ ｅ ～ ｉ ＱＩ Ｙｉｐｎ ＩＷ ｎ ｂｎ， ｕ — ｉ ｇ
（ Ｃｏｌｅ ｆＴｅ ｔｌ ｓ Ｄｏ ｇｈｕ ｌｇｅ ｏ ｘ ｉｅ ， ｎ ａ Ｕｎｉ ｒ ｉｙ， ｖｅ ｓｔ Ｓｈａ ｇｈａ ０ ６２ Ｃｈ ｎ ｎ ｉ２ １ ０， ｉ ａ）
ｓ ｉｓｓ ｏ ｄｔ ａ ｈ ｕ ｅａ ａ ｄ ｅ ｏ ｙｃ ｍｐ ｓ ｅｈ ｓｔ ｅｈｇ ｅ ｔｓ ｅ ｉ ｃｔ ｎ ｉ ｔｅ ｇ ｈ ａ ｄｓ ｅ ｉ ｕ ｔ ｈ ｗｅ ｈ ｔｔ ｅｐ ｒ ｒ ｍｉ ／ ｐ ｘ ｏ ｏ ｉ ａ ｈ ｉｈ ｓ ｐ ｃｆ ｅ ｓｌ ｓ ｒｎ ｔ ｎ ｐ ｃｆ ｔ ｉ ｅ —
三维机织复合材料力学性能分析与研究
摘
要：通过对三 维机 织复合材料几 何细观结构 的研 究，分析 了三维机 织复合材料 的力学性 能，采用椭圆形纤维束截面假
设并结合实 际的纱 线形态建立 了一种 新的三维机织 复合材料力学模型 ，对 三维机织复合材料 的拉伸、压缩和层 间剪切强度 进行 了理论分析 ，并与实验 结果进行 了对 比，验证 了力学模型 的正确性 。 关键 词：三维机织复合材料 ；力 学性 能：分析
黄学峰， 三 维机织 复合材料 力学 ｌ能分析与研究 等： 生
Ｆｉ ｂ ｅ ｒ
应 用 开 发
ｇ ａｓ ｌ ｓ
中图分类号 ：Ｑ１ １ ７７７ Ｔ ７ ． ． ７
文献标识码： Ａ
三维机 织复合材 料 力学性 能分析 与研 究术
黄学峰 ，张立泉 ，朱梦蝶 ，梁素兰 ，阮见
（ 中材科技 股份有限公司 ，南京 ２ ０ １ ） １０ ２
基金项 目：江 苏省 自然科 学基金 （ Ｋ ０ ６ ２ ） Ｂ ２ ０ ７ ４ 收稿 日期：２ １— ２ ０ ０ ０ １— ７ 作者 简介 ：黄 学峰 ，男，１ ７ 年４ ９ ９ 月，中材科技 股份有 限公司先 进材料 事业 部工程 师。
透镜 纤维束截 面假设 讨论 了结构和几 何参数对 弹性
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： ３ ｗｏ ｅ ｏ ｏ ｉ ； ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｒ ｐ ｒ ｅ ； ａ ａ ｙ ｉ ｄｓ Ｄ ｖ ｎ ｃ ｍｐ ｓ ｅ ｔ ｃ ａ ｉ ａ ｏ ｅ ｔ ｓ ｐ ｉ ｎ ｌ ｓｓ
０ 前 言
三维机 织复合 材料 以其 比刚度大 、 比强度 高 、 重量 轻 、具 有 良好 的可 设计性和 较高 的冲击损伤 容 限等优 点ｎ２日益受到人们 的关注 ，在众 多领域有着 ， ３ 巨大 的应用 前景 。随着越 来越 多的三维 机织复合 材 料 结构件被广 泛应 用在航 空、航天 等领域 ，三维 机
三维编织复合材料制造技术—RTM工艺详解
三维编织复合材料制造技术—RTM工艺详解三维编织复合材料是利用纺织技术，通过编织形成干态预成形件，将干态预成形件作为增强体，采用树脂传递模塑工艺（RTM）或树脂膜渗透工艺（RFI），进行浸胶固化，直接形成复合材料结构。
作为一种先进的复合材料，已成为航空、航天领域的重要结构材料, 并在汽车、船舶、建筑领域及体育用品和医疗器械等方面得到了广泛应用。
传统复合材料经典层合板理论已无法满足其力学性能分析，国内外学者建立了新的理论和分析方法。
三维编织复合材料是仿织复合材料之一，是由采用编织技术织造的纤维编织物（又称三维预成形件）所增强的复合材料，其具有高的比强度、比模量、高的损伤容限和断裂韧性、耐冲击、抗开裂和疲劳等优异特点。
三维编织复合材料的发展是因为单向或二向增强材料所制得的复合材料层间剪切强度低、抗冲击性能差、不能用作主承力件，L.R.Sanders于1977年把三维编织技术引入工程应用中。
所谓3D编织技术是通过长短纤维在空间按一定的规律排列，相互交织而获得的三维无缝合的完整结构，使复合材料不再存在层间问题，且抗损伤能力大大提高。
其工艺特点是能制造出各种规则形状及异形实心体，并可使结构件具有多功能性，即编织多层整体构件。
目前三维编织的方式大约有20多种，但常用的有4种，分别是极线编织（polar braiding）、斜线编织（diagonalbraiding or packing braiding）、正交线编织（orthogonal braiding）和绕锁线编织（warp interlock braiding）。
三维编织中又有多种型式，例如二步法三维编织、四步法三维编织、多步法三维编织。
树脂传递模塑法发展史三维编织复合材料成型工艺主要有树脂传递模塑法（RTM，Resin Transfer Molding），它是将液态树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法，是近年来发展迅速地适宜多品种、中批量、高质量先进复合材料制品生产的成型工艺，它是一种接近最终形状部件的生产方法，基本无需后续加工。
三维编织复合材料开孔前后剪切性能的开题报告
三维编织复合材料开孔前后剪切性能的开题报告一、研究背景在航空航天、航海、交通等领域，复合材料的应用越来越广泛。
其中，三维编织复合材料是一种新型的复合材料，由于其独特的结构和性能，已经成为当前研究的热点。
同时，由于应用条件的限制，三维编织复合材料在使用过程中往往需要进行钻孔或剪切等加工操作。
在这种情况下，开孔会导致复合材料的剪切性能发生改变，严重的话甚至会导致复合材料的损伤和破坏。
因此，在实际工程应用中，需要对开孔前后复合材料的剪切性能进行测试和研究，为更好地应用三维编织复合材料提供理论和实验依据。
二、研究目的本研究旨在探究三维编织复合材料开孔前后的剪切性能的变化规律，从而为三维编织复合材料的实际应用提供科学依据。
具体研究目标如下：1. 研究开孔对三维编织复合材料剪切强度的影响。
2. 探究开孔对三维编织复合材料应变率的影响。
3. 研究不同开孔形状对三维编织复合材料剪切性能的影响。
4. 分析开孔前后三维编织复合材料内部结构的变化。
三、研究内容和方法1. 样品制备采用手工编织法制备三维编织复合材料。
在制备过程中，控制编织方式、编织密度、编织方向等参数，使得样品具有一定的组织结构和力学性能。
2. 开孔实验在三维编织复合材料上进行开孔实验，通过控制开孔形状、大小和位置等参数，制备不同类型的开孔样品。
开孔后，记录样品的长度、宽度、厚度等信息。
3. 剪切实验利用万能试验机对不同条件下的三维编织复合材料进行剪切实验，记录剪切力、剪切位移和剪切应变等信息。
4. 成像分析通过扫描电子显微镜和光学显微镜等方法，对开孔前后样品的内部结构和形貌进行成像分析，探究剪切性能改变的原因。
四、预期成果和意义本研究将探究三维编织复合材料开孔前后剪切性能的相关规律，预计能够得到如下成果：1. 揭示开孔对三维编织复合材料剪切强度和应变率的影响规律。
2. 探究不同开孔形状对三维编织复合材料剪切性能的影响。
3. 分析开孔前后三维编织复合材料内部结构的变化。
二维与三维机织复合材料力学性能的实验研究
产 用 织 业 纺 品
表 １ 复合材料参数 表
参
数
二维 平纹机
三维正交机织复合材料
纬 向 Ｚ纱线
织层合板 经 向
纱线类型 纱线线密度（ｅ） ｔ ｘ
纤维体积分数（ ） ％
Ｅ ｇａ ｓ — ｌ ｓ ６０ ０
５１
Ｅ ｇａ ｓ Ｅ ￣ａ ｓ ｗ ｒ ｎ － ｌｓ － ｌｓ Ｔ ａ ｏ ＠ ２４ ０ ０
，
孝 不 的 强 结 及 维 量 成不 的 坏 式 材 强 影 其 的 为 料 应 提 参 才 同增 相 构 纤 含 造 ；同 破 模 对 料 度 目 是 材 的 用 供 考 料
”～
关键词 ： 厚三维正交机织复合材料 ， 合板 ， 超 层 拉伸试验 ， 压缩试验
依据 ， 丰富复合材料基础数据库。
维普资讯
产 用 织品 业 纺
二 维 与三 维 机 织 复 合 材 料 力 学 性 能 的 实验 研 究
戎 琦 邱夷平 东华大学纺织学院（ 中国）
合材料（ 璃纤维／ 玻 不饱和聚酯树 摘 要： 对超厚三维正交 机织复合材料及二维机织层合板分别进行了 拉伸和压缩实 脂） 与二维层合板（ 玻璃纤缈 不饱
２ 实验 部 分
水平重复单胞 的基础上建 立了 三
１ 引 言
传统的层合板 沿厚 度方 向的 性能 很差 ， 具有易分层 、 抗冲 １ 实验材 料 ．
三维正交结构 在拉伸和剪 切载荷
作用下的破坏方式分别进行预测。 易洪雷等 通过总 结三维机 织复
计划发展先进复合材料 ， 使机织复
合材料在大型民航客机 中得到更 广泛的应用。随着 机织复 合材料 在航天 、 航空等领域越来越广泛的 应用 ， 对三维机织复合材料进行了 大量 的研 究。Ｋ ｏ等 对三维正 ｕ 交碳／ 环氧 复合 材料 的细观 结构、 弹性模 量及裂纹 扩展做 了分析讨 论。Ｔｎ ＿ 对三维正交机织复 ａ等 ２ 合材 料做 了大 量 的研 究 ， 括 用 包 Ｆ Ｍ进行单胞分析 、 Ｅ 热弹性能及实 验 特性 分 析 等 。 ａ 等 在 两 Ｎｉ ｋ
《CompositesPartB》：具有空隙缺陷的3D编织复合材料的力学性能预测
《CompositesPartB》：具有空隙缺陷的3D编织复合材料的力学性能预测（翻译整理：蔡雄峰编辑校对：张鑫）在三维编织复合材料的树脂转移成型(RTM)过程中，孔洞是不可避免的缺陷。
事实上，空隙缺陷的大小、类型和含量直接影响三维编织复合材料的力学性能。
由于三维编织结构的多尺度表征和材料本构关系的复杂性，具有缺陷的三维编织复合材料的性能评价一直是一个关键的科学和技术问题。
在RTM过程中，不能保证树脂的流动是理想的。
树脂可能会部分固化，浸润可能不彻底，所以固化后可能会出现体积收缩，导致出现空洞。
由于三维编织复合材料RTM过程中复杂的缺陷表征，对具有空隙缺陷的三维编织复合材料力学性能的研究仍然很少。
关于三维编织复合材料的理论分析和数值模拟大多是基于均匀各向异性材料的，对于几何模型或物理模型都没有考虑缺陷。
清华大学Xuhao Gao（第一作者）,Xuefeng Yao（通讯作者）团队在《Composites Part B》上发表了题为“Prediction of mechanical properties on 3D braided composites with void defects”的文章，在随机统计空隙模型的基础上，建立了具有空隙的三维编织复合材料的刚度矩阵和本构模型。
详细研究了空隙对三维编织复合材料力学性能的影响。
此外，还预测了具有空隙的三维编织复合材料的强度和损伤。
图1给出了三维编织复合材料的RVE（代表性的体积元素）。
图2给出了三维编织复合材料中的随机空隙模型。
图1 三维编织复合材料的RVE（代表性的体积元素）图2 三维编织复合材料中的随机空隙模型基于三维编织复合材料的细观结构，三维编织复合材料在全局坐标系中的刚度矩阵为：坐标变换矩阵：研究者建立了孔隙率与力学参数之间的六阶多项式分数关系，ρ是三维编织复合材料的模量比，v是纤维体积含量。
如下所示：利用RVE介观模型，基于三维Hashin准则，模拟了具有空隙的三维编织复合材料的力学性能。
机织复合材料力学性能的宏细观分析
承诺书
本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 独立 进行研究工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用的内容 外 本学位论文的研究成果不包含出贡献的其他个人和集体 均已在文中以明 确方式标明
本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件 允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索 作者签名 日 期 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文
组合进三维机织复合材料的细观有限元模
对上述材料的蠕变实验进行了数值模拟
有限元 ， 胞元
I
机织复合材料力学性能的宏细观分析
ABSTRACT
Mechanical properties of woven composites were studied theoretically, numerically and experimentally in this thesis. The method for determining the micro architectures of various 2D and 3D woven composites via weave parameters has been presented. Based on this method, a FEM model library has been built by using PCL(Patran Command Language). With this library, micro FEM models of woven composites could be generated automatically. Most micro mechanical analyses of textile composites are based on cell model method. The applicability of this method depends largely on boundary conditions applied on the cell. In this thesis the criterion of selecting unit cell and general periodic boundary condition is discussed. Analysis focused on the effects of free boundary, local damage and random stacking on the average stiffness and micro stress distributions of composites. The modifications of boundary conditions in these cases were suggested. Viscoelastic properties of 3D woven composites were investigated in multi-scope. Firstly, visco-constitutive law of resin material was constructed which verified by experimental data. Then transverse isotropic viscoelastic theoretic-al model of yarn was suggested. This model was corrected by 3D micro FEM. Finally, creep behavior of a 3D woven composite has been researched and its characterized displacement/time curves under various loading density was was constructed to simulate the creep test numerically. obtained. A micro
复合材料Zpin增强技术及力学性能研究
南京航空航天大学硕士学位论文摘要Z-pin 增强技术通过在层合板内植入少量 Z-pin 从而大幅度提高层合板的层间性能，为了优 化 Z-pin 增强的效果、表征 Z-pin 与面板的结合强度，本文在查阅文献资料的基础上，利用实验 室自行设计 Z-pin 拉挤机以及 X-cor 数控植入机等试验设备，开展了环氧及双马来酰亚胺 Z-pin 的拉挤成型工艺探究以及质量检测，在确保 Z-pin 质量稳定可靠的前提下，设计制备了不同增 强体系 Z-pin 增强层合板，针对层合板的层间断裂韧性、界面结合强度-桥率实验、冲击后压缩 性能等开展了系统化的实验研究。 I 型层间断裂韧性实验表明， 较少体积分数 Z-pin 的植入可将层合板的断裂韧性呈倍数提高： 对于环氧基 Z-pin，体积分数分别为 0.44%和 1.77%的 Z-pin 增强环氧体系层合板后，其 I 型层 间断裂韧性分别提高了 288.70%和 782.26% ； 而环氧基 Z-pin 增强环氧面板较增强双马面板的断 裂韧性高 13.76%。II 型层间断裂韧性试验结果也表明 Z-pin 的植入可以明显提高层合板的断裂 韧性。 桥率实验的结果表明， 1）Z-pin 与面板的结合面积越大，则结合强度越高； 2） 倾斜的 Z-pin 可明显提高其界面的结合强度；3）相同增强体系效果好，就单位面积的结合强度而言：环氧基 Z-pin 增强环氧面板较增强双马面板高 51.52%，双马基 Z-pin 增强双马面板较增强环氧面板高 19.89%。 为了研究层合板面内性能，专门设计了冲击后压缩实验并对冲击后试样进行了无损检测。 实验结果表明，Z-pin 的植入可明显提高其抗冲击能力，体积分数分别为 1.23%和 1.77%的环氧 基 Z-pin 增强双马层合板冲击后压缩强度分别提高了 8.52 和 19.82%。 关键词 ： 复合材料，Z-pin 增强，断裂韧性，桥率
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能则随厚 度方 向的纤维体积分 数的增 加成形 工艺 和纤
维 的体 积分 数 等 都 对 材 料 的力 学 性 能 有 着 直 接 的影 响， 在研 究三 维机 织 复合 材 料 时 应重 点 考 虑 上述 因素
的变化 对材 料性 能 的影 响 ， 合理 安排 相关 的参数 ， 使材
我们 不能 忽 略几 何 形状 对 材 料 性 能 的影 响 ， 合理
的几何 形 状会 起到 提 高 材 料性 能 的作 用 ， 而 且 为 材料 的设计 选 用提 供 的构件 方便 。
１ ． ２ 纤 维 体 积 含 量 对 材 料 性 能 的 影 响
致， 解决 了纱 线接 节 过渡 问题 ， 系统 地研究 了直 交和 弯
杨 连 贺等Ｌ ８ 提出， 截 面恒 定 不 变假 设 显 然 与 实 际
纤 维 的体 积含 量 是影 响复合 材料 力学性 能 的一个 重 要 参数 ， 其最 大值 与纤 维 在 复 合 材料 中 的排 列 方 式 有关 。三 维机 织 复合 材 料 的 纤 维体 积 分 数增 大 ， 材 料
料达 到 工程 的要 求 。 ２ 三维 机 织复合 材 料细观 结构 及对材 料性 能的 影响
２ ． １ 编 织 角 的 大 小 对 材 料 性 能 的影 响
泛， 它较层 合 板复合 材 料有 很多 优势 ， 其刚度 、 强度、 冲
击韧 性 和抗 疲 劳 性［ ３ “ 都 比较 好 ， 可 成 形 比较 复 杂 的 零 件 。由于 三维机 织 复 合 材 料 的 内部 结 构相 当复 杂 ， 从 宏 观外 形 到细观 结构 模 型上各 种 因素对 它的力 学性 能都 有影 响 ， 因此对 于研究 者来说 ， 正 确理解 这 些 因素
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ １ ０ ～ １ ６ ；修 回 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ２ — １ ９
力 学 性 能 的 诸 多 因素 。 研 究 发 现 ，机 织 复 合材 料 的 性 能 与 多 种 因素 有 关 ， 同 时也 对 三 维机 织复 合 材 料 今 后 的 发 展 提 出 了一 些 看 法 。 关 键 词 ： 机 织 复 合 材 料 ；力 学 性 能 ； 影 响 因素 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
１ ． １ 几 何 形 状 对 材 料 性 能 的 影 响
般较大。 Ｖａ ｎ ｄ ｅ ｕ ｒ ｚ ｅ ｎ Ｐ等［ ５ 提 出 了将 纱 线 横 截 面 用 双 凸
２ ． ２ 纱线 的横截 面形状 对材料 性 能的影 响
三维 机织 物成 形 能 力 比较 强 ， 能够 成 形 比较 复 杂 的零 件 ， 如 变厚 度实 心 板 、 中孔结 构箱 式梁 、 工字 梁 等 ， 而且操 作 程序 简单 ， 成 本 小 。整 体 复合 材 料 可 以从 根 本 上解 决 层 间开裂 问题 ， 减 小缺 口的敏 感性 ， 使 材料能
三 维机 织 复合 材 料 力 学 性 能研 究
高旭 东 ，马 贵春 ，姚
（ 中北大学，山西 太原
君
０ ３ ０ ０ ５ １ ）
摘 要 ：综述 了三 维 机 织 复 合 材 料 力 学 性 能 的研 究 和 进 展 ， 从 宏 观 到 细 观 模 型上 分 析 了影 响 三 维机 织 复 合 材 料
第 ２期 （ 总第 １ ７ ７期 ）
２ ０ １ ３年 ４月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥ ＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴ（ ） Ｍ ＡＴＩ （ ） Ｎ
ＮＯ． ２ Ａ ｐｒ ．
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ６ ４ １ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ２ ２ ０ — ０ ２
交 的结 构 模 型 ， 建 立 了如 图 ２所 示 的 力 学 模 型 （ 图 ２ 中， ｎ 、 ｂ分别 为 椭 圆 的长 轴 和 短 轴 半 径 ， Ｌ 为 经线 的 直 线段 长度 ， 为 经线 的倾 角 ， ｑ 、 分 别 为相 邻 纬 线 的 横 向和 纵 向距离 ， 为经 线直 线段 的半 径） 。
够承受 更 大 的载荷 。
透镜 形 状来 描述 ， 如 图 １所示 （ 图 １中 ， ｗ Ｒ 分 别 为
纱线 截 面 的宽度 、 厚 度 和 凸圆 的半 径 ） 。在 国 内 ， 北 京
航 空航 天大 学 的燕 瑛 、 成传贤［ ６ 延 续 了双 凸形 截 面假 设， 对三 维机 织 复合 材料进 行 了细观 结构分 析 。 周 光 明等［ ７ 提 出纱 线 截 面 为椭 圆形 的假 设 ， 假 设 纱线 的截 面 形 状 保 持 不 变 ， 经、 纬 纱 线 束 的变 形 率 一
卢 子兴 等 分 析 了编 织 角 的 大 小 对 材 料 性 能 的影 响， 他指 出编织角 的大小 与刚度 和强 度成反 比关 系 ， 在 相 同 的纤维 体积 含 量下 ， 编织 角大 的 复合 材 料 泊 松 比
一
对 材 料力 学性 能 的影 响是工 作 的核心 。
１ 三维机 织 复合材 料 宏观 结构 及对材 料 性能的 影响
０ 引 言
的剪切 强度 、 抗 冲击 性能也 随之 提高 ，但材料 面 内的性
层合 板 复合材 料 由于在 厚度 方 向上是层 合结 构导
致材 料有 一 些 不 足 ： 易分层 ， 刚度、 强度低 ， 剪 切 强 度 低， 冲击 韧 性 和 抗 损 容 限 都 很 差 Ｌ １ ］ 。在 各 向受 力 均 匀 的情况 下 ， 使 用 三 维机 织 复 合 材料 能 够 有 效 克 服层 合板 材料 在 厚度 方 向上 的分层情 况 。 三维 机织 复合 材料 在航 空航 天领 域 的应 用 比较广