结构参数对三维机织复合材料纤维体积分数的影响

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。

包 装 工 程第44卷 第21期 ·36·PACKAGING ENGINEERING 2023年11月收稿日期：2023-05-30基金项目：国家自然科学基金（12172344） *通信作者碳纤维复合材料力学性能研究进展段裕熙，张凯*，徐伟芳，陈军红，龚芹（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999）摘要：目的 综述碳纤维复合材料这一热结构材料的力学性能研究进展，推进碳纤维复合材料的研制和应用。

方法 采用文献调研法，梳理和汇总国内外有关碳纤维复合材料力学性能的研究内容，对二维复合材料、针刺复合材料及三维编织复合材料3种结构进行性能影响因素分析。

结论 影响碳纤维复合材料静态和动态力学性能的因素主要有温度、应变率、密度等，提出应进一步开展碳纤维复合材料在多因素耦合及高温动态性能方面的研究。

关键词：碳纤维复合材料；静态力学性能；动态力学性能；三维编织复合材料 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)21-0036-10 DOI ：10.19554/ki.1001-3563.2023.21.005Mechanical Property of Carbon Fiber CompositesDUAN Yu-xi , ZHANG Kai *, XU Wei-fang , CHEN Jun-hong , GONG Qin(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China) ABSTRACT: The work aims to explore recent advancements in the mechanical properties of carbon fiber composites for thermal structural applications, with the objective of promoting the development and utilization of carbon fiber composites. Through a comprehensive literature review, the current research status on the mechanical properties of carbon fiber composites was summarized, and the factors affecting the static and dynamic mechanical properties of 2D composites, needled composites, and 3D woven composites were analyzed. The results indicate that factors affecting the static and dynamic mechanical properties of carbon fiber composites include temperature, strain rate, density, et al. And further investigations are necessary in multi-factor coupling and high temperature dynamic properties of carbon fiber composites. KEY WORDS: carbon fiber composite; static mechanical properties; dynamic mechanical properties; three-dimensional weaving composite碳纤维由有机纤维经过一系列热处理转化而成，它是含碳量高于90%的无机高性能纤维，既具有碳材料的固有本征，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。

复合材料力学性能与微观结构关系研究复合材料作为近年来发展迅猛的一类材料，在航空航天、汽车、建筑等领域具有重要的应用前景。

而研究复合材料的力学性能与微观结构关系，有助于深入理解其力学行为和优化材料设计。

本文将探讨复合材料力学性能与微观结构之间的关系，并介绍相关的研究进展。

一、复合材料的力学性能复合材料由两个或更多种不同的材料组合而成，具有比单一材料更优异的性能。

复合材料的力学性能包括强度、刚度、韧性等指标，这些指标直接影响材料的使用寿命和安全性能。

二、复合材料的微观结构复合材料的微观结构由两种或多种材料的相互作用和排列方式决定。

常见的复合材料包括纤维增强复合材料和层合复合材料。

纤维增强复合材料由纤维和基体构成，纤维的类型、方向、体积分数等参数会对力学性能产生显著影响。

而层合复合材料则由多层材料通过粘结剂连接而成，内部层间的粘结程度和层间界面的完整性对力学性能具有重要影响。

三、研究方法和进展为了研究复合材料的力学性能与微观结构之间的关系，研究者们采用了多种方法和技术。

其中，传统的实验方法包括拉伸试验、压缩试验、剪切试验等，这些试验用于获得材料的力学性能参数。

同时，显微镜观察和扫描电子显微镜等技术被用于分析材料的微观结构特征。

此外，数值模拟方法如有限元分析在研究中也得到广泛应用。

在研究进展方面，一些研究者通过优化纤维增强复合材料中纤维的类型和方向，以提高材料的强度和刚度。

另外，改进粘结剂的制备工艺和选用合适的层间粘结剂，对提高层合复合材料的力学性能也具有重要意义。

此外，近年来，随着纳米技术的发展，一些研究者开始关注纳米复合材料的制备和力学性能研究，这对于提高材料性能具有巨大潜力。

四、应用展望复合材料力学性能与微观结构关系研究的成果将有助于优化材料设计和开发高性能复合材料。

随着航空航天、汽车、建筑等领域对材料性能要求的不断提高，复合材料将在这些领域中得到更广泛的应用。

未来，我们可以期待更多基于复合材料力学性能与微观结构关系的研究成果的涌现，为材料科学领域的发展做出更大的贡献。

复合材料热压罐设备对纤维体积分数分布的影响简介：复合材料热压罐设备是制备高性能复合材料的重要工具，其工艺参数对于复合材料的性能和质量具有重要影响。

本文将探讨复合材料热压罐设备对纤维体积分数分布的影响，以及相关的影响因素和处理方法。

一、背景介绍纤维体积分数是衡量复合材料中纤维含量的重要指标，可以影响复合材料的力学性能、耐热性和耐腐蚀性等。

复合材料热压罐设备在制备复合材料时，通过提供高温和高压条件，使树脂能够充分浸润纤维，在其固化过程中形成均匀的纤维体积分数分布。

因此，复合材料热压罐设备对纤维体积分数分布具有重要影响。

二、影响因素1. 温度控制热压罐设备中的温度控制是影响纤维体积分数分布的关键因素。

适宜的温度条件能够促进树脂的固化反应，使其更好地浸润纤维，并形成均匀的纤维体积分数分布。

温度过高或过低都会导致复合材料中纤维的分布不均匀，从而影响材料性能。

2. 压力控制热压罐设备中的压力控制同样对纤维体积分数分布产生影响。

适宜的压力条件可以压实树脂充分浸润的纤维，从而提高复合材料的质量。

过高或过低的压力都会导致纤维体积分数分布的不均匀，从而降低复合材料的性能。

3. 树脂性能复合材料中的树脂是纤维体积分数分布的主要决定因素之一。

树脂的粘度、固化速度以及流动性等因素会影响树脂在纤维中的渗透性和浸润性，进而影响纤维体积分数分布的均匀性。

三、处理方法1. 合理设计热压罐设备为了实现复合材料中纤维体积分数分布的均匀性，热压罐设备的设计应考虑到温度均匀性和压力均匀性。

通过优化设备结构、增加加热元件和调整压力传感器位置等方式，可以提高温度和压力的均匀性，进而改善纤维体积分数分布。

2. 控制工艺参数在使用复合材料热压罐设备时，合理地控制温度和压力是保证纤维体积分数分布均匀性的关键。

根据树脂的特性和纤维的含量，选择适宜的温度和压力范围，并确保设备能够稳定维持这些参数。

3. 优化树脂材料树脂的性能对纤维体积分数分布具有重要影响。

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。

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]。

第14卷1997年第3期8月复　合　材　料　学　报ACT A M AT ERIA E COM PO SIT A E SIN ICAV ol.14　No.3A ugust 1997 本文于1996年8月5日收到修改稿,1996年4月30日收到初稿纤维增强高分子聚合物基复合材料有效性能的三维数值分析方岱宁 刘铁旗(清华大学工程力学系,北京100084)摘　要　将细观力学和计算力学方法相结合用以确定复合材料中的局部和平均应力-应变场。

对旋转体和非旋转体纤维增强复合材料的有效模量进行了三维有限元数值计算。

分析了纤维的排列分布和纤维的几何形状对有效模量的影响。

数值结果表明,轴向杨氏模量对细观结构不敏感,而纤维的形状排列方式对横观有效性能影响是显著的。

关键词　纤维增强复合材料,有限元分析,细观力学,有效性能中图分类号　V 258,O343.2 由于复合材料的就位特性、各向异性和呈层性所产生的各种复杂的力学现象,使对其材料力学行为的有意义的研究须借助于细观力学进行[1]。

因此,有限元细观计算力学正是在70年代随着细观力学的起飞而发展起来的。

但是,该领域却是在八十年代末随着计算材料科学或称计算机辅导材料设计兴起而真正得到迅猛发展。

这主要由于下述因素促成的:(1)细观力学理论解析方法还主要限于解决有效刚度混合效应的问题(例如,自恰模型[2],复合圆柱族模型[3],Eshelby 等效夹杂物[4]和M ori -Tanaka 模型[5]),尚不能解决与复杂损伤强度相关的协同效应、非比例加载响应和其有尖棱角(非旋转体)增强相的细观结构等问题;(2)复合材料在力学加载下的细观结构信息不可能在实验中以系统的方法获得[6];(3)有限元细观计算力学的最大优点在于它能够获得纤维(或颗粒)直径尺度下的应力-应变场来反映材料宏观应力-应变响应特征。

这样,它能够分析宏观有效性能对细观结构的依赖关系。

而这正是计算材料科学对材料细观结构设计所必需的。