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三维编织复合材料研究及应用现状作者：王海雷高艳秋范雨娇来源：《新材料产业》2017年第03期三维编织复合材料是利用编织技术，把经向、纬向及法向的纤维束（或纱线）编织成一个整体，即为预成型结构件（简称“预制体”），然后以预制体作为增强材料进行树脂浸渍固化而形成的复合材料结构。
由于增强纤维在三维空间多向分布，阻止或减缓了冲击载荷作用下复合材料层间裂纹的扩展，使得复合材料层间性能大大提升。
因此，三维编织复合材料较普通层合复合材料具有更高的冲击损伤容限和断裂韧性。
三维编织技术可按实际需要设计纤维数量，整体织造复杂形状的零部件和一次完成组合件，减少二次加工量，如加筋壳、开孔结构的制造等，因而经济性好、成本低、制造周期短。
此外，三维编织复合材料可适用于各种复杂几何形状的织造，稳定性和整体性高，可设计性强，可通过改变编织方式、编织角、纱线密度等参数满足某些特定的工程需求。
基于以上各种优势，三维编织复合材料得到了迅速的发展，并且受到工程界的普遍关注[1]。
一、细观模型的研究进展三维编织复合材料细观结构的研究始于20世纪80年代初，比如Ko和Pastore的单胞织物几何模型（FGM），Ma和Yang的“米”字型单胞模型以及Yang提出的“纤维倾斜模型”，这些都属于简单的等效理论的范畴。
20世纪90年代以后，数值仿真能力得到大大提高，人们开始对三维编织复合材料的成型、编织程序、纱线在编织过程中的走向等进行更深入、完善的研究。
Du和Ko在单胞理论的基础上研究了编织参数与三维编织复合材料的纤维编织角及纤维体积含量之间的关系。
Sun[2]将数字化方法成功地用于研究复杂微观结构的三维编织矩形预成型体，准确地分析了纱线相互作用和横截面的变形情况，并对比了拓扑模型和数字化方法预测材料微结构的差异，在此2种模型的基础上运用体积平均法计算了三维矩形编织复合材料的抗拉刚度，剪切刚度和泊松比等力学性能，用拓扑模型计算得来的抗拉刚度，剪切刚度值均低于数字化方法，泊松比的值则较为近似。
复合材料的力学性能测试与分析引言：复合材料是由两个或多个成分组合而成的材料，通常包括纤维增强材料和基体材料。
由于其独特的结构和组分，复合材料具有优良的力学性能和广泛的应用领域。
在设计和制造复合材料制品时，力学性能的测试与分析非常重要，可以评估材料的强度、刚度和韧性等关键指标，指导工程应用中的设计和生产。
本文将深入探讨复合材料的力学性能测试方法和分析技术。
力学性能测试方法：1. 张力测试：张力测试用于测量材料在施加纵向拉力时的承载能力。
一种常用的方法是单轴拉伸测试，其中样品被拉伸直至断裂，通过测量施加的力与应变之间的关系，获得材料的应力-应变曲线。
这个曲线可以提供材料的强度和刚度等信息。
2. 压力测试：压力测试旨在测量材料的抗压能力。
常见的方法是将样品置于压力机之间，逐渐施加压力直至样品破裂。
通过测量施加的压力与应变之间的关系，可以评估材料的抗压强度和变形能力。
3. 剪切测试：剪切测试用于测量材料在剪切加载下的表现。
通常使用剪切试验机在两个表面之间施加剪切力，测量材料的剪切应力与应变关系。
这个关系提供材料的剪切强度和剪切刚度等参数。
力学性能分析技术：1. 杨氏模量：杨氏模量是描述材料刚度的指标，表示材料在受力时的应变响应。
通过施加小应力并测量产生的应变，可以计算出材料的杨氏模量。
杨氏模量越大，材料的刚度越高。
2. 弯曲强度：弯曲强度是评估复合材料抵抗在横向加载下发生弯曲的能力。
通过施加弯矩并测量产生的应力，可以计算出材料的弯曲强度。
弯曲强度高的材料在横向应力下更为耐用。
3. 破坏韧性：破坏韧性是评估复合材料耐受冲击或断裂的能力。
常用的测试方法是冲击测试，通过施加冲击力并测量导致的破损面积，可以评估材料的破坏韧性。
高韧性材料能够吸收能量并减缓破坏过程。
实例分析：以碳纤维增强复合材料为例，进行实例分析。
碳纤维增强复合材料由碳纤维作为纤维增强材料，环氧树脂作为基体材料组成。
首先进行张力测试，测量样品在单轴拉伸下的强度和应变。
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。
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]。
三维编织复合材料作为一种新型复合材料具有很多传统材料所不具有的优点，它突破了传统复合材料层合结构的概念，具有复杂的空间网络互锁结构，且克服了传统的复合材料层合板层间性能弱、抗冲击性能差等弱点，目前已在航空航天、生物医疗、体育用品等方面得到应用[11～13]。
文献[14～19]分别对三维四向、五向和六向编织复合材料进行拉伸、压缩以及弯曲力学性能及破坏机理的试验研究，李翠敏等[20]研究三维四向、五向编织复合材料的剪切性能及剪切破坏模式，钟崇岩等[21]研究不同编织方法对三维全五向编织复合材料拉伸性能的影响，曹海建等[22]对比研究三维全五向和三维五向编织复合材料的压缩性能。
但截至目前，从碳纤维复合材料体系来看，前期大量研究工作主要是针对层合复合材料或者单一编织结构制备的三维编织复合材料的独立研究，鲜有利用相同原材料和相同工艺制备的不同结构复合材料的对比研究。
目前主要缺少两个方面问题的研究：(1)三维编织复合材料作为一种新型复合材料，缺少其与传统经典层合复合材料的力学性能对比研究；(2)三维编织包含三维四向、三维五向、三维六向和三维七向等编织结构，缺少不同编织结构制备的编织材料的力学性能对比研究。
这在很大程度上阻碍三维编织复合材料的相关理论研究和工程应用。
本工作首次对比研究利用相同碳纤维、基体和相同制备工艺(RTM)加工的多种三维多向编织和层合复合材料的力学性能，以期通过试验分析三维编织复合材料与层合复合材料之间力学性能的差异，同时分析不同编织结构和编织角对三维编织材料力学性能的影响。
分别对三维编织复合材料与层合复合材料进行拉伸、压缩和剪切三类试验。
三维编织试样分为四种编织结构(三维四向、三维五向、三维六向和三维七向)和两种编织角(20°和40°)；层合板试样铺层分别为0°单向板、90°单向板和多向层合板，其中多向层合板铺层形式选用航空工程中常用的具有代表性的对称均衡铺层方式[0/(±45)2/90]2s。
所有试样均选用T700-12K碳纤维为增强相、TDE86环氧树脂为基体相。
各类试样的纤维体积含量如表1所示，试样均由天津工业大学复合材料研究所制备。
拉伸试验参照标准ASTM D3039进行，拉伸试样长度和宽度分别为250mm和25mm(0°单向板宽度为15mm)，厚度为3.5mm，拉伸试样两端粘贴长为50mm，宽为25mm，厚为2mm的铝制加强片，见图1。
压缩试验参照ASTM D6641标准进行，采用组合加载压缩(CLC)试验夹具，压缩试样长度和宽度分别为140mm 和12mm，厚度为3.5mm，见图2。
剪切试验参照ASTM D5379 标准进行，剪切试样长76mm，宽为20mm，厚为5mm，缺口高度为10mm，见图3。
所有力学性能试验均在室温环境下由型号为CSS-44100电子万能试验机完成，拉伸试验加载速率设置为2mm/min，压缩试验加载速率设置为1.3mm/min，剪切试验加载速率设置为2.0mm/min。
所有试样均采用电阻应变片采集应变数据，电阻应变片正反面对称粘贴，参见图1、图2和图3。
每组有效试样5件。
三维编织试样的制作过程为：首先所有试样均根据要求厚度采用相应的编织工艺编织成预成型件，然后采用树脂传递模塑工艺(RTM)固化成型，最后严格按照试验标准的尺寸及精度要求裁剪成标准试样，裁剪不会影响试样的基本力学性能。
虽然三维编织剪切试样V型缺口的加工会造成一部分的纤维断裂，但是在剪切力所作用的剪切平面上纤维依旧完好，所以所测性能依旧能够代表材料的剪切性能。
各类试样的拉伸、压缩和剪切试验结果见表2，表2中所列数据为每组五个试样的平均值。
从表中可以看出，对于拉伸和压缩性能，各类试样的统计结果离散系数基本都在15%以内；而剪切试样的试验结果离散系数较大。
下面将对比分析各类试样的力学性能。
2.1 三维编织复合材料与层合复合材料性能对比各类试样力学性能对比如图4所示。
对于纵向拉伸和压缩性能，弹性模量与强度分布规律基本一致，0°单向板最高，90°单向板最低，三维多向编织试样均高于多向层合板试样。
对于剪切性能，三维多向编织试样普遍高于单向板和多向层合板试样。
因为复合材料的纵向性能主要由纤维束决定，在纤维体积含量相同情况下，0°单向板纵向纤维含量最多，90°单向板无纵向纤维，三维编织试样纤维在空间呈网状互锁交错分布，等效到纵向的纤维含量高于多向层合试样，故三维编织试样强度和模量高于多向层合板试样。
2.2 不同编织结构和编织角的三维编织材料性能对比图5对比了四种编织结构在两种内部编织角下的纵向拉伸、压缩和剪切性能。
从图5可以看出，编织结构对材料性能有所影响。
对于内部编织角为20°的四种编织试样，三维五向编织试样的纵向性能最高，其拉伸强度略低于三维四向编织试样，这主要是由于两种试样的编织纱线行列数不同以及三维五向复杂的编织结构使得编织过程中容易对纱线造成损伤导致的。
纵向拉压强度与弹性模量的变化规律基本一致，三维四向编织试样的剪切性能最高。
这主要是因为在纤维体积含量相同时，三维五向编织试样由于加入了第五向轴纱，直接导致纵向性能的提高，和剪切性能的降低，而六向和七向试样增加横向和法向纱，这对纵向性能几乎没有影响，但导致纵向性能的降低，也不足以弥补剪切性能的下降，所以在四种编织试样中三维五向编织试样的纵向性能必然最高，三维七向编织试样的力学性能最低。
对于内部编织角为40°的四种编织试样，三维六向编织试样的纵向拉压性能最高，纵向拉压强度与弹性模量的变化规律基本一致，这与20°编织角时得到的结论不一致。
由于编织角较大，在纵向加载过程中，纤维和基体更容易分离，从而产生裂纹，而三维六向编织结构引入了纬纱，纬纱有效地减缓了裂纹的生长速率，并且使编织纱和轴纱更有效地结合在一起，提高试样的模量和强度，而当法向纱加入后，编织结构更加复杂，等效到纵向的纤维含量明显降低，同时也提高了孔隙率，从而导致纵向拉压性能大幅下降。
三维四向编织试样的剪切性能依然最高，并随着纵向、横向和法向纱的引入，剪切性能逐渐降低。
编织结构相同时，20°编织角试样的拉伸和压缩性能普遍高于40°编织角试样，40°编织角试样的剪切性能普遍高于20°编织角试样，只有图5c中编织角为20°的三维五向编织剪切试样例外，这可能是由于试验误差所致。
