碳纤维三维织物
研发碳纤维立体织造装备为发展纤维增强复合材料提供技术保障
行 等方 向发 展 ， 要求材 料具有 更 优异 的耐 高温性 能 、
更 高 的强度 和抗 冲击性 ， 同时具 有更低 的结 构重 量 。 碳 纤 维复合 材料 的耐 温性能 使航 天 飞行器 可 以抵抗 再入 大气 层 时高达 ２ ０ ℃ 以上 的热 冲击 和 热烧 蚀 ， ００
容器 高强 化等 产业 提供 了性能 优越 的轻 质高 强复合
采 用编 织 、 机织 、 织 等 纺 织 工艺 ， 高 性 能 碳 针 使
纤 维相互 交织 、 叉 而 形成 的具 有 特定 纤 维 取 向和 交
孔 隙分 布的纤 维 织物 ， 常类 似 于 建筑 物 中 的钢结 非 构框 架 ， 因此 ， 纤维 织物 在复合 材 料制备 中的重要作
用 引起 了人们 对纺 织加 工技术 的广 泛关 注 。美 国斥
纤维 复合材 料产 业健康 发展 必 不可 少的技 术基础 ， 已得 到 国家各级政 府及 组 织的 充分重视 。 现
关键词
１ 概 述
碳纤 维复 合材料 是产 业用 纺织 品 中的重要 高端 产品， 为航 空航 天 器性 能 优 异 化 、 电产业 化 、 道 风 管
速 发展 。进 入 ２ 世 纪 ， ｌ 国际 问航 空航 天技术 竞争 日 趋 激烈 ， 行器技 术 向更 高性 能 、 飞 超音 速 度 、 动 飞 机
其轻质性能可实现战略导弹结构重量每减少 １ｋ ， ｇ 增 加射程 几 十公里 。 在过 去 的 ３ ０年 中 ， 质高 性能 复合 材料 从波音 轻
７ ７和 ７ ７飞 机 上用 量 为 ５ ３ ４ ％提 高 到 空 客 Ａ ８ ３ ０飞
球 航 空航 天工业 复 合 材 料 总值 将 达 到 ５ ０亿 美 元 。 ７ 高性 能复合 材料 已经 成 为继钢 、 、 钛 铝之后 迅速 发展
不同结构厚截面三维机织碳纤维复合材料的弯曲性能对比
不同结构厚截面三维机织碳纤维复合材料的弯曲性能对比高雄;胡侨乐;马颜雪;张琦;魏毅;邱夷平【摘要】为准确分析不同结构厚截面复合材料不同方向上的弯曲性能差异,通过设计织造三向正交、浅交直联、浅交弯联3种典型机织结构的厚截面碳纤维三维机织物,并采用真空辅助树脂成型工艺制备了近似纤维体积含量的碳纤维复合材料板,对其进行了XYZ方向的弯曲实验.结果表明:三向正交结构由于内部纤维束近似平直,碳纤维束自身性能得到最大利用,对应复合材料经向弯曲强度最好;浅交直联结构复合材料的Z经和Z纬弯曲强度累加值最大,其厚度截面上的综合弯曲性能最好,且其他各方向的弯曲强度较为均衡;浅交弯联结构内部纱线交织摩擦损伤严重,且经纱屈曲程度最大,对应复合材料经纬向弯曲性能均为最差.%In order to investigate bending properties of carbon fiber composites with varied three-dimensional ( 3-D ) woven structures, Shallow-Straight-Joint, Shallow-Bend-Joint and three-directional (3-D) Orthogonal as basic structures of composite performs were selected. All these performs were woven with carbon fibers and prepared to be composite samples by vacuum assised resin infusion ( VARI ) technology. The bending properties in three directions of XYZ were tested and compared among the three structures. With comparing the bending performances of different structural composites, some conclusions are conducted as follows:3-D orthogonal structural reinforcement preform has the highest contribution to the composite mechanical properties, because its warp yearns are straightly maintained in the structure. Composites with the Shallow-Straight-Joint structure has the highest cumulative bending strength in Z-warp directionand Z-weft direction. Its bending properties are relatively balanced in all directions. Owing to the frequently interlocking and the farthest warp crimp, composites with Shallow-Bend-Joint structure achieve the worst bending properties in the warp and weft direction.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2017(038)009【总页数】6页(P66-71)【关键词】碳纤维;三维机织复合材料;弯曲性能;厚截面;角联锁结构;三向正交结构【作者】高雄;胡侨乐;马颜雪;张琦;魏毅;邱夷平【作者单位】东华大学纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学民用航空复合材料协同创新中心,上海 201620;东华大学纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620【正文语种】中文【中图分类】TB332随着航空航天业的迅速发展，三维纺织结构先进复合材料制备[1-3]及结构性能拟合设计[4-6]的相关文献报道越来越多，但研究对象的截面厚度基本集中在10 mm 以下。
碳纤维三维索织物的织造研究
由于本项 目产 品用于桥梁的斜拉索 ， 对索织 物的轴 向强力要求较高 ， 同时 ， 又要求织物具有一 定 的径 向应 力 ， 因此 ， 选择 织物组 织结 构 时采用 在
了三维 双轴结 构 ， 在有棱 织 机上制织 ， 以达 到足够
的长度 。 １ １ ４层套 叠结接 组织 ． １ １ １ 织 物结构 的经 纬 向剖 面 图（ ．． 见图 ２ ）
三维 异形 织物 纱 线 由 同一 方 向喂 人 ， 编织 时 纱 线不 断改 变 相 互 位 置 ， 成 一个 整 体 。 由于 力 形 的分解 ， 种织 物 的轴 向抗 拉能 力较 差 。 这
， ｜ ．
ｏ ∑ ｆ＝
／ ．．多
（） １织物 的断 裂强 力 机织物 中 ， 织物某 向的断 裂强 力在理 论 上为 ： 式 中 一 织物 断 裂强 力（ ） Ｎ
－
Ｏ
ａ － 职 轴 织 物 ） 维
ｈ 三唯 职 轴织 物 ｉ
（ ｊ・ 二 轴 织 ＿ ｃ 维 物
ｄ 维 异形 织物 ｊ
一
圈 １ 常见三维织物结构
收稿 日期 ｏ２—０ 一１ ００ Ｉ ７ 作者茼舟： 敏 ． ，９３ 赵 女 １ 年生 ． ６ 副教授 ， 发表论文 １ 杂篇 ０
维普资讯
中直接形成整体结构 ， 层间剪切强度高 ， 克服了层 合织物垂直于层台面方向上（ 即第 ３ 维方向上） 机
械性 能差 ， 成 型 时 联 接 界 面 机 械性 能 差 的 弱 ２次 点 ， 泛 地 应 用 于 工 程 领 域 ， 其 是 复 合 材 料 领 广 尤
域。
近年来 ， 纤 维 三维 织 物 在 工程 中 的应 用 也 碳
∞ 川访 织 科 杖
２∞ 年第 １ ０ 期
三维机织物概念
三维机织物概念三维机织物是一种先进的纺织技术，它通过复杂的纤维排列和经纬交织，提供了传统二维织物无法达到的功能和性能。
本文将详细介绍三维机织物的概念，包括三维织物结构、织物设计、织物性能、织物应用、制造技术、可持续性发展、人体工程学和智能纺织品等方面。
1.三维织物结构三维织物结构是指织物在三个维度上的排列和交织方式，包括纤维排列、经纬交织等。
三维织物结构的主要特点是其立体性，使得织物在不同方向上具有不同的强度和韧性。
此外，三维织物结构还可以提供更大的表面积，有利于提高织物的透气性、吸水性和保暖性等。
2.织物设计织物设计是指根据特定需求和应用场景，设计出具有合适结构和性能的织物。
在三维织物设计中，需要考虑纤维类型、纱线数量、织物厚度、经纬密度、交织方式等因素。
此外，还需要考虑织物的功能性，如透气性、透湿性、抗菌性、防紫外线等。
3.织物性能三维织物具有许多独特的性能，包括高强度、高韧性、良好的透气性和保暖性等。
此外，三维织物还具有很好的环境适应性，可以在不同的环境条件下保持稳定的性能。
例如，某些三维织物可以在高温、低温、干燥、湿润等环境下依然保持其功能性。
4.织物应用三维织物在许多领域都有广泛的应用，如时尚、建筑、汽车等。
在时尚领域，三维织物可以用来制作各种高性能的服装和配饰，如户外服装、运动装备等。
在建筑领域，三维织物可以用来制作各种建筑结构和装饰材料，如篷布、遮阳板、墙体材料等。
在汽车领域，三维织物可以用来制作汽车零部件和内饰材料，如座椅、安全带、车门等。
5.制造技术三维织物的制造需要采用专门的织造和染整技术。
其中，织造技术包括经编和纬编等，可以用来制作各种不同结构和性能的三维织物。
染整技术则包括染色、印花、后整理等，可以用来处理织物，提高其性能和功能。
在制造过程中，还需要考虑生产成本和环保因素，尽量减少对环境的负面影响。
6.可持续性发展可持续性发展在三维织物制造中非常重要。
为了实现可持续发展，需要尽量选择环保的材料和生产工艺，减少资源的浪费和废弃物的产生。
碳纤维布规格分类
碳纤维布规格分类**碳纤维布规格分类**碳纤维布是一种由碳纤维纱线编织而成的网状材料。
碳纤维布因其高强度、低密度、耐高温等优异性能在多个领域得到广泛应用。
根据不同的用途和需求，碳纤维布可以根据其规格进行分类。
1. **编织方式：**- 平纹碳纤维布：平纹碳纤维布是最常见的一种编织方式，也是最简单的编织方式。
它具有良好的柔韧性和层间剪切性，适用于制作弯曲或复杂形状的产品。
- 斜纹碳纤维布：斜纹碳纤维布的纱线是以45度角交叉编织而成的。
它在强度和刚度方面表现更优秀，适用于对力学性能要求较高的应用，如飞机和汽车零部件。
- 缎纹碳纤维布：缎纹碳纤维布的纱线是以60度角交叉编织而成的。
相比平纹和斜纹碳纤维布，缎纹碳纤维布更具有光滑、光泽和表面平整度高的特点，适用于制作外观要求较高的产品。
2. **纱线密度和厚度：**- 三维碳纤维布（3K）：三维碳纤维布由多层碳纤维布以不同的角度叠加而成，形成一种具有非常高强度和刚度的结构。
它常用于航空航天、运动装备等领域。
- 单层碳纤维布（1K、3K、6K、12K等）：纱线的数目表示纱线密度，即每英寸中的纱线数。
较高的纱线密度通常意味着较高的强度和更细致的细节。
常用的纱线密度有1K、3K、6K和12K等规格。
3. **织物纹理：**- 无纹理（平滑纹）：无纹理的碳纤维布表面平整，无明显的纹理，适用于需要光滑外观的应用。
- 交织纹理：交织纹理的碳纤维布具有明显的网格纹理，使得其具有更好的耐冲击和抗剪切性能。
- 点状纹理：点状纹理的碳纤维布表面呈现不规则的小点纹理，能够提供更好的抗滑移性能，适用于需要增强摩擦力的应用。
4. **重量和厚度：**- 轻质碳纤维布：轻质碳纤维布通常采用较低纱线密度和薄型设计，重量轻、柔韧性好，适用于要求产品轻盈性的领域，如航空航天。
- 加强型碳纤维布：加强型碳纤维布采用较高纱线密度和较厚设计，具有更高的强度和刚度，适用于对力学性能要求高的领域，如建筑结构。
用于三维机织物预成形变形预测的各向异性超弹性本构模型
用于三维机织物预成形变形预测的各向异性超弹性本构模型作者：刘闯黄天麟邸嘉男程晖梁彪来源：《航空科学技术》2024年第03期摘要：随着三维机织物逐渐广泛应用在航空发动机叶片、机匣等复杂曲面结构的制造方面，预测三维碳纤维机织物在曲面结构制造的预成形过程中的复杂变形行为对提升纤维结构的成形质量具有重要意义。
基于连续介质力学理论，本文提出一种各向异性超弹性本构模型描述三维机织物在成形过程中由于大变形所引起的各向异性力学变形行为。
通过三维机织物的变形试验，建立了应变能密度函数，获取了三维机织物材料参数，并通过偏轴拉伸、半球冲压预成形有限元仿真与试验对比，验证了本文提出的超弹性本构模型的有效性。
超弹性本构模型的提出可对三维机织物成形的有限元仿真模型与成形工艺优化设计起指导作用。
关键词：三维机织物；预成形；超弹性本构模型；有限元仿真模型中图分类号：V261.97 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.03.004基金项目：航空科学基金（2020Z068053001）随着航空航天领域日益复杂的服役环境与结构形式，复合材料不仅需要提高结构强度、疲劳寿命、抗冲击性能等力学性能，还需要提高复合材料成形性能，以实现复合材料的复合结构制造[1-5]。
其中，航空航天领域中叶片、机匣等结构要求复合材料具有较高的结构强度、层间性能与疲劳韧性，进而提出了具有三维架构的机织复合材料，其形式主要包括三维角联锁编织复合材料、三维正交编织复合材料等[6-7]。
三维机织复合材料由于在材料的层间厚度方向新编织了增强纱，大大提高了其抗分层能力与抗冲击性能，成为理想的高性能结构材料。
三维机织复合材料的主要成形方式是树脂模塑传递成形（RTM），其中的预成形阶段是三维机织物产生变形的主要阶段，期间经历纤维变形、损伤、纤维体积分数与树脂渗透率的变化，进而对最终构件的力学性能产生关键影响。
在其预成形过程中三维机织物的变形行为较为复杂，为降低试验成本，需要提出合适的变形预测本构模型，预测三维机织物预成形过程中的变形行为。
碳纤维三维织物复合材料轨道车辆关键承力构件制备技术及应用-概述说明以及解释
碳纤维三维织物复合材料轨道车辆关键承力构件制备技术及应用-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述碳纤维三维织物复合材料在轨道车辆领域具有广阔的应用前景。
它是一种新型的轻质高强材料，具有良好的力学性能和耐久性。
本文旨在介绍碳纤维三维织物复合材料在轨道车辆关键承力构件制备技术及应用方面的研究进展。
随着城市化进程的加速和人们对交通工具舒适性和安全性要求的提高，轨道交通成为了一种重要的交通方式。
轨道车辆的关键承力构件承担着车辆重量和荷载传递的重要作用，因此对于这些构件的材料选择和制备技术有着严格的要求。
在过去的几十年中，传统的金属材料一直是轨道车辆关键承力构件的首选材料。
然而，随着科技的进步，碳纤维三维织物复合材料因其优异的性能和重量比而逐渐受到关注。
碳纤维三维织物复合材料由高强度的碳纤维和环氧树脂等聚合物基体组成，具有高强度、高刚度、低密度和耐腐蚀等特点。
制备碳纤维三维织物复合材料的关键技术包括纤维预浸料制备、三维织物成型、压力固化和后续处理等环节。
这些技术的发展和应用使得碳纤维三维织物复合材料在轨道车辆领域具备了广泛的应用前景。
本文将重点介绍碳纤维三维织物的特点、碳纤维三维织物复合材料的制备技术以及轨道车辆关键承力构件的设计与应用。
同时，还将对制备技术的优势与挑战进行分析，并对轨道车辆关键承力构件的性能进行评估。
最后，将展望碳纤维三维织物复合材料在轨道车辆领域的应用前景。
通过本文的研究，相信碳纤维三维织物复合材料在轨道车辆领域将发挥巨大的作用，推动轨道交通的发展，提高交通运输的安全性和效率。
1.2 文章结构本文分为引言、正文和结论三个部分。
具体结构如下：1. 引言部分介绍了碳纤维三维织物复合材料轨道车辆关键承力构件制备技术及应用的背景和意义。
其中，1.1 概述部分对整个文章的主题进行了概括，简要介绍了碳纤维三维织物复合材料以及其在轨道车辆领域的应用。
1.2 文章结构部分（本段）则详细说明了整篇文章的结构框架。
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。
一种碳纤维立体织物成型的多层碳布缝合装置[实用新型专利]
![一种碳纤维立体织物成型的多层碳布缝合装置[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/48e6791e7275a417866fb84ae45c3b3566ecdd55.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201721517765.8(22)申请日 2017.11.15(73)专利权人 天津工业大学地址 300387 天津市西青区宾水西道延长线399号(72)发明人 董九志 宋宗建 陈云军 杨景朝 蒋秀明 刘志勇 梅宝龙 谭自阳 (74)专利代理机构 天津展誉专利代理有限公司12221代理人 任海波(51)Int.Cl.D04H 18/02(2012.01)D05B 3/00(2006.01)(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(54)实用新型名称一种碳纤维立体织物成型的多层碳布缝合装置(57)摘要本实用新型公开了一种碳纤维立体织物成型的多层碳布缝合装置，包括机头，压布机构，锁扣机构，移动工作台及控制系统。
机头包括针刺机构和抱针机构，机头主轴在电机驱动下带动针刺机构曲柄和抱针机构凸轮实现植针与抱针块的往复运动；压布机构通过上下压条压实碳布，上下压条由气缸控制，能够配合针刺机构压实或松开碳布；锁扣机构主凸轮轴与电机相连，主凸轮轴通过两个凸轮带动副凸轮轴上的钩针做往复摆动和轴向的往复运动，与针刺机构同步；移动工作台由X向和Y向移动平台组成，设置有碳布夹持装置，通过伺服电机驱动；本实用新型结构紧凑，设计新颖合理，实现了大厚度叠层碳布的自动化缝合，提高了生产效率和产品的一致性，实用性强，使用效果好，便于推广。
权利要求书2页 说明书5页 附图8页CN 207435677 U 2018.06.01C N 207435677U1.一种碳纤维立体织物成型的多层碳布缝合装置，其特征在于：包括机头(1)，压布机构(2)，锁扣机构(3)和移动工作台(4)；所述机头(1)安装在支撑梁(7)的上端，包括用于进行缝合的针刺机构和用于增强植针强度的抱针机构；所述针刺机构的主轴(120)在步进电机Ⅰ(121)驱动下带动针刺机构曲柄(118)和抱针机构的抱针凸轮(115)实现植针(101)与抱针块(102)的往复运动；所述压布机构(2)通过上压条(208)和下压条(209)压实碳布(410)，所述上压条(208)和下压条(209)由气缸(204)控制，能够配合针刺机构压实或松开碳布；所述锁扣机构(3)的主凸轮轴(303)与步进电机Ⅱ(308)相连，所述主凸轮轴(303)通过两个凸轮带动副凸轮轴上的钩针(302)做往复摆动和轴向的往复运动，与针刺机构同步；所述移动工作台(4)包括X向移动平台(403)和Y向移动平台(406)，通过伺服电机Ⅰ(405)驱动，所述移动工作台(4)上设置有碳布放置平台。
江南大学科技成果——三维机织编织高性能纤维树脂基复合材料
江南大学科技成果——三维机织/编织高性能纤维树
脂基复合材料
成果简介
以高性能纤维（玻纤、碳纤、芳纶等）为增强体，通过自有独特专利技术制备三维正交、角联锁、间隔型机织物以及三维多向编织物，并通过树脂改性、复合成型等技术集成制备成系列三维机织、三维编织复合材料。
系列结构材料具有质轻、高强、高模、耐冲击等性能、阻燃、隔音、隔热等特性，可广泛用于交通工具、体育用品、军事、安全防护等领域。
关键技术
1、重构出“纤维-预制件-复合材料”在空间位置的真实图像，再现复合材料内部纤维束空间路径、偏转和纤维束间的接触状态，定量揭示工艺织造参数之间的关联关系；基于连续介质假设和有限变形理论，建立三维机织多尺度结构设计方法。
2、以界面相的微观结构为切入点，从设计合理的碳纤维-环氧树脂界面微结构入手，将碳纳米材料作为纳米改性剂引入碳纤维/环氧树脂复合材料界面中，揭示其界面增强增韧机理，最终确立界面、结构与性能的关联机制。
知识产权情况
一种用于宽幅扁平碳纤维丝束的连续定型工艺，ZL201010519415.1；
一种适用于无弯曲织物织造的夹头，ZL201310303000.4；
一种适用于无弯曲织物织造的送经装置，ZL201310302349.6；
一种无弯曲织物织造的纬纱递进装置，ZL201310302920.4；
一种体密度梯度变化的碳纤维针刺预制体，ZL201410159117.4；
一种深交联结构碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料及其制备方法，ZL201501531119.6。
项目成熟度
成熟度5级
投资期望及应用情况
可广泛用于交通工具、体育用品、军事、安全防护等领域。
使用传统织机生产三维织物存在的问题与改善方法
使用传统织机生产三维织物存在的问题与改善方法
存在问题：
1 织机开口容量有限，只能制备层数不多的片状织物，层数的限制导致织物厚度较小。
2 织机三维织物经纱密度往往较大，而传统织机是单梭口织造，采用单引纬器引纬，每次引入一根纬纱，这样综框的开口次数增多，导致纱线与钢筘，纱线与纱线，纱线与综丝和棕眼的摩擦次数增多，磨损程度加剧，严重时会导致织造无法进行。
工艺改进方法：
1 采用筒子架送经方法。
由于经纱开口时各层纱线所受张力不同，参与量也不一致，尤其是碳纤维等高强度低伸长率型长丝，筒子架送经一方面易于控制纱线张力均匀，另一方面省去整经工序，减少了整经工序对纱线的损伤。
2加装分层定位轴及定位孔，使不同层的经纱分别通过各自的定位轴和定位孔，在送入综眼之前就已经完成了分层，这样又会减小经纱之间黏连、摩擦纠缠等问题的产生。
3 采用全开梭口，进一步减少不必要的经纱磨损。
4 改为采用活动后梁，可以更加适合低伸长率高性能纤维的特征。
5 为了保证上下层纬纱处于同一垂直面，防止织物表层和底层纬密产生差别，改为采用平行打纬机构和步进式卷取装置可获得质量更佳的产品。
gb-t三维夹芯织物及其夹层结构(1)
GB/T××××-××-××草案GB/T×××××·1-××××前言本标准的附录A为规范性附录本标准由中国建筑材料联合会提出。
本标准由全国纤维增强塑料标准化技术委员会归口。
本标准负责起草单位：常州伯龙三维复合材料有限公司。
本标准参加起草单位：北京玻璃钢研究设计院北京航空航天大学。
本标准主要起草人，吴伯明、周祝林、胡中永、薛忠民、张佐光、李敏、王绍凯、丁锁柱。
本标准为首次发布。
GB/T×××××·1-××××三维夹芯织物及其夹层结构第1部分三维夹芯织物1范围本标准规定了三维夹芯织物（简称织物）的术语和定义、分类和标记、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等。
本标准适用于以玻璃纤维为主，以及碳纤维、玄武岩纤维等为原材料的三维夹芯织物。
2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标的条款。
凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于标准。
GB/T 3923.1 纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定条样法GB/T 7689.2 增强材料机织物试验方法第2部分：经、纬密度的测定GB/T 9914.3 增强制品试验方法第3部分：单位面积质量的测定GB/T 18369 玻璃纤维无捻粗纱GB/T 18370-2001 玻璃纤维无捻粗纱布3术语和定义下列术语和定义适用于本标准。
3．1三维夹芯织物3D fabrics with core整体编织而成，层与层之间纱线相连，呈中空结构的一种三向织物。
碳纤维织物的织造与发展
碳纤维织物的织造与发展陈晨;刘站;高维升;付莎莎【摘要】本课题介绍了碳纤维织物织造和加工方法的发展概况,着重描述了碳纤维二维织物和三维织物织造工艺的国内外研究现状,并分析了目前碳纤维二、三维织物织造以及各类加工方法的优缺点。
最后,对今后碳纤维织物织造的改进研究进行了总结展望。
【期刊名称】《纺织报告》【年(卷),期】2018(000)012【总页数】4页(P9-11)【关键词】碳纤维;织物;织造;缝纫【作者】陈晨;刘站;高维升;付莎莎【作者单位】[1]西安工程大学,陕西西安710048;[1]西安工程大学,陕西西安710048;[1]西安工程大学,陕西西安710048;[1]西安工程大学,陕西西安710048;【正文语种】中文【中图分类】TS155碳纤维具有质量轻、强度高、模量高、耐腐蚀、低膨胀、抗疲劳、与生物体相容性好等优异性能。
碳纤维既具有碳材料的固有本征，又兼备纺织纤维的柔软及可加工性，碳纤维及其复合材料形成了一个崭新的材料体系。
其中，碳纤维二、三维织物是碳纤维复合材料中不可缺少的组成部分。
以碳纤维织物为增强体的复合材料（CFRP）作为当下先进的高科技产品，被广泛应用于体育设备、建筑材料加固、交通、航空航天等领域。
碳纤维及其织物凭借其优异的性能已成为世界各国必不可少的重要材料[1]。
国产碳纤维的生产现处在起步阶段，在质量上同国外产品有一定的差距。
国产碳纤维在织造过程中，存在易起毛、易粘连、易断头等问题[2]，给国产碳纤维织造技术提出了新课题。
本课题主要介绍了碳纤维织物在国内外的研究情况，并对其今后的发展提出了建议。
1 碳纤维平面织物的织造技术常见的碳纤维平面织物主要分为：平纹、斜纹和缎纹三类纹路。
其中，碳纤维丝束是从经纬两个方向相互交替叠放的。
1.1 碳布织造的难点由于碳纤维丝本身具有脆性、摩擦系数大、断裂韧性小的特点，碳纤维相对其它纱线织造起来比较困难。
我国的碳纤维原丝性能与国外有一定的差距，所以采用常规织布机来织造碳纤维布往往容易发生起毛、断线、碳纤维损失率高等问题。
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碳纤维三维织物
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碳纤维三维织物
简介
碳纤维三维织物是由碳纤维布平面方向均匀铺设叠层增强，垂直方向由碳纤维连续纤维，通过特殊编织工艺，整体贯穿成一体，所构成的三维立体织物。
经CVD复合制成的碳/碳复合材料，非常适合于用作高能热结构功能材料。
碳纤维三维织物的应用：
碳纤维三维织物是近二十年来诞生的一种新型复合材料，是复合材料中异军突起的一支新秀，它以三维整体织物为增强体，其货郎的结构性显著改善了复合材料多方面的力学特性，从根本上克服了传统层合板层间剪切强度低而且易分层的缺点，在航空、航天、军工、汽车、医疗以及高级体育服务器等领域得到了广泛应用。
碳纤维三维织物的特性：
三维纺织复合材料具有整体性和优良的力学结构性两大特点。
从编织、复合到成品，不分层，无机械加工，或仅做不操作纤维的少量加工，从而保持了制品的整体性。
显著提高了整体强度和刚度，具有良好的耐烧蚀性和抗损伤性。
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