三维整体夹芯机织复合材料的抗冲击与能量吸收性能

三维机织物的分类、性能及织造胡慧娜;裴鹏英;胡雨;龚小舟【摘要】文章主要从织物组织结构、织物的结构特征、织物的截面形状等3方面对三维机织物进行分类,并综述了目前有关三维机织物在组织结构、织造工艺以及织机设备改进等3方面的研究进展,旨在为三维机织物的研究发展提供参考.【期刊名称】《纺织导报》【年(卷),期】2017(000)012【总页数】6页(P25-30)【关键词】三维机织物;织物分类;组织结构;织造工艺;织机设备改进【作者】胡慧娜;裴鹏英;胡雨;龚小舟【作者单位】武汉纺织大学纺织科学与工程学院;武汉纺织大学纺织科学与工程学院;武汉纺织大学纺织科学与工程学院;武汉纺织大学纺织科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TS105随着材料技术的飞速发展，人们对于复合材料性能各个方面的要求愈来愈高，现代纺织技术与树脂工业的结合催生了纺织复合材料，而三维纺织技术的发展，更为制备具有优良整体性和力学结构合理性的高性能复合材料提供了有力的保证。

以三维织物为增强体的纺织复合材料，具有比强度高、比刚度高、可设计性好、耐疲劳性能好、耐化学腐蚀性能好、生产成本低等优势，同时克服了传统二维平面织物层状复合材料存在抗冲击性能差、层间强度低的缺点，因而广泛应用于航空航天、船舶汽车、建筑仓储等诸多领域。

根据织造成形工艺的不同，三维织物又可分为三维机织物、三维针织物、三维编织物，其中三维针织物主要是经编织物为主，但受于生产设备的限制只能加工轻薄型织物；三维编织物生产效率较低，无法适应大规模生产；而三维机织物，可以利用传统织机或对传统织机加以改进进行大规模生产，且生产效率最高、制件尺寸最大，因而在所有三维纺织品中的应用有望最为广泛。

根据纱线交织规律的不同，二维机织物基础组织可分为平纹、斜纹和缎纹，由这 3 种基础组织变化组合，又可衍生出多种多样的复杂组织。

同理，三维机织物的基础组织包括正交、角联锁和多层接结等 3 种，由这 3种组织变化组合，又可衍生出各种复杂组织结构的三维机织物。

三维整体中空复合材料的力学性能研究进展郭章新;李忠贵;崔俊杰;朱明;贺奇;李永存;栾云博【摘要】三维整体中空复合材料是一种新型的夹芯结构材料, 是将芯材和上下面板交织连接在一起, 芯材和面板构成一个整体.三维整体中空复合材料的面板与芯材为一体结构且一次固化成型, 因此具有优异的抗分层、抗冲击、高损伤容限等性能.研究三维整体中空复合材料的力学性能对其结构设计与应用具有重要的指导意义.详细介绍了三维整体中空复合材料的平压性能、侧压性能、剪切性能、弯曲性能等力学性能的研究进展, 提出目前研究存在的问题, 以期为以后的发展提供研究方向.%The three-dimension integrated hollow sandwich composites is a novel sandwich structure material, which is obtained by interweaving te core material and the upper and lower panels together, and the core material and the panel become a unitary structure. The panel of the three-dimension integrated hollow sandwich composites is integrated with the core material and is formed by one-time curing, so that it has excellent properties such as resistance to delamination, impact resistance, and high damage tolerance. Studying the mechanical properties of three-dimension integrated hollow sandwich composites has important guiding significance for its structural design and application. In this paper, the research progress of mechanical properties of three-dimension integrated hollow sandwich composites in terms of flatwise compression, side compressive, shear, bending and impact properties were introduced in detail, and the existing problems are pointed out, to provide direction for future research.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2019(062)004【总页数】10页(P22-31)【关键词】三维整体中空复合材料;平压性能;侧压性能;剪切性能;弯曲性能;冲击性能【作者】郭章新;李忠贵;崔俊杰;朱明;贺奇;李永存;栾云博【作者单位】太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所,太原 030024;西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室,西安 710049;太原理工大学材料强度与结构冲击山西省重点实验室,太原 030024;太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所,太原 030024;西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室,西安 710049;太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所,太原 030024;太原理工大学力学国家级实验教学示范中心,太原030024;太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所,太原 030024;太原理工大学材料强度与结构冲击山西省重点实验室,太原 030024;太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所,太原 030024;太原理工大学材料强度与结构冲击山西省重点实验室,太原 030024;太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所,太原 030024;太原理工大学力学国家级实验教学示范中心,太原 030024;太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所,太原 030024;太原理工大学材料强度与结构冲击山西省重点实验室,太原 030024【正文语种】中文三维整体中空复合材料是由地经纱、纬纱以及连接并贯穿上下面板的绒经纱组成的一种新型夹芯复合材料，国外称为三明治结构（Sandwich structure）[1-2]，见图 1[3]，其面板间的微孔可以作为聚合物流体的通道，聚合物流体“浸润”纤维束时可以瞬间吸收树脂。

复合材料的抗冲击性能与测试在现代工程和材料科学领域，复合材料因其卓越的性能而备受关注。

其中，抗冲击性能是评估复合材料质量和适用性的关键指标之一。

理解复合材料的抗冲击性能以及如何进行准确有效的测试，对于材料的研发、应用和质量控制都具有至关重要的意义。

复合材料通常由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组成，通过特定的工艺结合在一起，从而获得单一材料所不具备的综合性能。

常见的复合材料包括纤维增强复合材料（如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料）和颗粒增强复合材料（如碳化硅颗粒增强铝基复合材料）等。

抗冲击性能反映了材料在受到突然施加的冲击载荷时吸收能量和抵抗破坏的能力。

对于许多应用场景，如航空航天、汽车工业、体育用品等，良好的抗冲击性能是确保产品安全性和可靠性的关键。

例如，在飞机结构中使用的复合材料必须能够承受鸟撞等突发事件带来的冲击；汽车的保险杠和车身部件需要在碰撞时有效地吸收能量，以保护乘客的安全；而体育用品如自行车车架和滑雪板，则要在运动过程中经受各种冲击而不发生损坏。

那么，复合材料的抗冲击性能究竟受到哪些因素的影响呢？首先，增强材料的类型、含量和分布方式起着重要作用。

以纤维增强复合材料为例，纤维的强度、模量和取向会显著影响材料的抗冲击性能。

通常，纤维沿着主要受力方向排列可以提高材料的抗冲击能力。

其次，基体材料的性能也不容忽视。

基体材料的韧性、强度和黏附性会影响复合材料在冲击载荷下的能量传递和分散。

此外，复合材料的界面性能，即增强材料与基体之间的结合强度和相容性，对其抗冲击性能也有重要影响。

一个良好的界面可以有效地传递载荷，避免局部应力集中，从而提高材料的抗冲击能力。

为了准确评估复合材料的抗冲击性能，科学家们开发了一系列的测试方法。

其中，最常见的包括落锤冲击试验、摆锤冲击试验和高速拉伸冲击试验等。

落锤冲击试验是一种简单而直接的方法。

在该试验中，一个具有一定质量的落锤从特定高度自由落下，撞击复合材料试样。

南京航空航天大学硕士学位论文摘要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。

由于其整体性好，提高了织物在厚度方向的力学性能，克服了传统层合复合材料层间脆弱，不耐冲击的弱点；而且织机相对简单成本较低，适于批量生产，并具有很强的仿形能力，因此，三维机织复合材料作为一种结构材料受到日益广泛的关注，并已在航空航天、生物医学工程以及汽车工业等领域得到了广泛的应用。

为了更加真实有效的设计和使用三维机织复合材料，需对它们的真实细观结构和力学性能进行深入的研究。

本文基于纱线真实形态建立了三维机织复合材料的一种新的力学模型，对其力学性能进行了分析，并进行了相应的实验研究。

主要研究内容可分为以下三个部分：第一部分采用切片拍照的方式导出了三维机织复合材料中纱线截面形状和轨迹。

首先研究了三维机织复合材料的RTM成型工艺，然后将三维机织复合材料制成试件，再对试件沿纱线走向切片，每隔固定的长度切一次，并对每个截面进行拍照，最后采用专用软件拟合所得到的照片，得到纱线的细观形态和实际走向。

第二部分用体积平均化方法分析了三维机织复合材料的力学性能。

首先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，利用此模型进行了材料的弹性性能分析。

继而利用平均化方法结合蔡-吴张量理论对材料的拉伸、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，验证了本文计算方法的合理性。

第三部分对三维机织复合材料的力学性能进行了实验研究。

制作了相当数量的试件，完成了不同结构、不同织造参数、不同材料的三维机织复合材料的拉伸、压缩和层间剪切实验，分析了实验现象和实验数据，得到了很多有益结论。

关键词：三维机织，复合材料，细观结构，力学性能，RTMi三维机织复合材料细观结构和力学性能研究iiAbstract3D woven composites, with good mechanical properties, is producedby connecting yarns of different systems together with weaving method to form spatial reticulate structure which is then compounded with matrices under some conditions. Resulting from the good quality of the whole structure, mechanical properties of textile are well improved in direction of thickness, and the disadvantages of traditional laminate composites, such as inter-bedded weaknesses and poor resistance to impact loading, are also overcome; in addition, 3D woven composites is suitable for large production because of its simple loom and low cost. Moreover, the composites have a strong capacity in simulating shapes. In light of these advantages, 3D woven composites, as a kind of structural material, has drawn more and more attention at present, and is broadly applied in aeronautics、astronautics、bio-medical engineering、automobile industry, etc. So in order to design and use 3D woven composites more effectively, an intensive investigation should be made to its real microstructure and mechanical properties.In this paper, a new mechanical model is established for 3D woven composites based on the real shape of yarns, and its properties is analyzed with experimental research accordingly. The chief content can be fallen into three parts as below:In the first part, shapes of cross-section of 3D woven composites and its track are deduced by using photographic method to slices. Firstly, the RTM molding technology is studied, then test specimens made from 3D woven composites will be sliced along yarns direction at fixed intervals, and every cross-section will be photographed. Finally, special software will be used to simulate the photos obtained in order to get micro-shapes and real direction of yarns.In the second part, volume—averaging method is used to analyze mechanical properties of 3D woven composites. Firstly, a new model is established combining with real yarn shapes, and elastic properties are analyzed based on this model. Next, according to Tsai—Wu tensor theory, averaging calculating method is used for the theoretical analysis of thestretching, compression and inter-bedded shear strength of the composites, at last a comparison is made with the experimental results, validating the rationality of this model.The third part aims to investigate experimentally the mechanical properties of 3D woven composites. A number of specimens have been made for the stretching, compression and inter-bedded shear experimentations. These experiments are conducted in different cases with different structures, textile parameters and kinds of raw material. Finally, an analysis is made to the experimental phenomena and data, and many valuable conclusions can be obtained.Keyword: 3D woven composite,Mechanics Function， Micro Structure, RTMiii表清单表2.1 石英纱浅交弯联织物参数 (17)表2.2 碳纤维T300-3K浅交弯联织物参数 (18)表2.3 石英纱浅交直联织物参数 (18)表3.1 三维机织复合材料经纱倾角和各组成纱线体积含量 (30)表4.1 材料基本弹性性能参数表 (34)表4.2 材料弹性模量计算结果与实验结果对比 (34)表4.3 材料泊松比计算结果与实验结果对比 (38)表4.4 材料基本强度性能参数表 (42)表4.5 材料拉伸强度计算结果与实验结果对比 (42)表4.6 材料压缩强度计算结果与实验结果对比 (44)表4.7 材料层间剪切强度计算结果与实验结果对比 (46)表5.1 石英纤维浅交弯联复合材料经向拉伸模量、强度、泊松比 (53)表5.2 石英纤维浅交弯联复合材纬向拉伸模量、强度、泊松比 (53)表5.3 碳纤维浅交弯联复合材料经向拉伸模量、强度、泊松比 (53)表5.4 碳纤维浅交弯联复合材料纬向拉伸模量、强度、泊松比 (53)表5.5 石英纤维浅交直联复合材料经向拉伸模量、强度、泊松比 (53)表5.6 石英纤维浅交直联复合材料纬向拉伸模量、强度、泊松比 (53)表 5.7 石英纤维平面机织层合复合材料经向拉伸模量、强度、泊松比 (54)表 5.8 石英纤维平面机织层合复合材料纬向拉伸模量、强度、泊松比 (54)表5.9 石英纤维浅交弯联复合材料经向压缩模量、强度 (56)表5.10 石英纤维浅交弯联复合材料纬向压缩模量、强度 (56)表5.11 碳纤维浅交弯联复合材料经向压缩模量、强度 (56)表5.12 碳纤维浅交弯联复合材料纬向压缩模量、强度 (56)表5.13 石英纤维浅交直联复合材料经向压缩模量、强度 (56)表5.14 石英纤维浅交直联复合材料纬向压缩模量、强度 (57)表5.15 石英纤维平面机织层合复合材料经向压缩模量、强度 (57)表5.16 石英纤维平面机织层合复合材料纬向压缩模量、强度 (57)表5.17 石英纤维浅交弯联复合材料经向层间剪切强度 (59)表5.18 石英纤维浅交弯联复合材料纬向层间剪切强度 (59)表5.19 碳纤维浅交弯联复合材料经向层间剪切强度 (59)表5.20 碳纤维浅交弯联复合材料纬向层间剪切强度 (59)5三维机织复合材料细观结构和力学性能研究表5.21 石英纤维浅交直联复合材料经向层间剪切强度 (59)表5.22 石英纤维浅交直联复合材料纬向层间剪切强度 (59)表5.23 石英纤维平面机织层合复合材料经向层间剪切强度 (59)表5.24 石英纤维平面机织层合复合材料纬向层间剪切强度 (59)6南京航空航天大学硕士学位论文注释表E11 纤维束纵向拉伸模量E22, E33纤维束横向拉伸模量G12, G13纤维束纵向剪切模量G23纤维束横向剪切模量υ12, υ13,υ23纤维束泊松比E f1 纤维纵向拉伸模量E f2纤维横向拉伸模量G f12, G f13纤维纵向剪切模量G f23纤维横向剪切模量υf12, υf23纤维泊松比E m基体拉伸模量G m基体剪切模量υm基体泊松比V f纤维体积含量η2纤维束横向拉伸模量修正系数η12纤维束纵向剪切模量修正系数X t, X c纤维束纵向拉、压强度Y t, Y c纤维束横向拉、压强度S12纤维束纵向剪切强度S23纤维束横向剪切强度X ft, X fc, S f纤维拉、压强度和剪切强度S mt, S mc, S ms基体的拉伸强度、压缩强度和剪切强度N f厚度方向上的纬纱数目N ft与经纱交织的纬纱在厚度方向的数目N fl与经纱交织的纬纱在长度方向的数目N w经纱总数N wi和纬纱N ft交织的经纱数目M w经纱密度7三维机织复合材料细观结构和力学性能研究8M f纬纱密度W X方向经纱跨越两纬纱间的距离P Z方向经纱跨越两纬纱间的距离c,d 经纱截面长短轴a,b 纬纱截面长短轴θ经纱倾角r 纬纱圆弧段半径S F纬纱截面面积L ws L wb L wc经纱直线段、圆弧段、斜直线段长度V ws V wb V wc经纱直线段、圆弧段、斜直线段体积V sws V swb V swc表面纱直线段、圆弧段、斜直线段体积V F纬纱体积F1,F2,F11,F22,F66,F12蔡-吴张量理论系数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。

结构参数对三维中空夹芯复合材料平压性能的影响曹海建;陈红霞【摘要】Three-dimensional hollow sandwich composites(3D composites)is a group of new sandwich-structure materials, which have been increasingly used in various industries covering aerospace, automobile, oil tank, ship, building and energy for their excellent properties, such as low weight, high strength, high modulus, impact resistance, sound insulation and thermal insulation. Two group of the 3D composites were investigated in terms of flat-compression properties by using Instron 3385H universal testing machine as a function of the z-direction pile height(2, 4, 6 and 8 mm)and pile distance(4, 6 and 8 mm), and the influence of structural parameters such as pile height and pile density on the 3D composites was mainly studied, and the compression feature and damage mechanism of the 3D composites were analyzed too. The results show that the typical failure mode of the 3D composites is brittle damage when they suffered flat-compression loads, which is mainly reflected in resin fracture, fiber breakage and interface de-bonding. The flat-compression property of the 3D composites decreased with the increase of pile height and pile distance. The results will lay a foundation for further study on the 3D composites’ designing optimization and property analysis.%三维中空夹芯复合材料是一种新型夹芯结构材料，具有轻质、高强、高模、抗冲击、隔音、保温等特性，可广泛用于航空航天、汽车、储油罐、船舶、建筑、能源等领域。

复合材料点阵结构吸能特性和抗低速冲击性能研究共3篇复合材料点阵结构吸能特性和抗低速冲击性能研究1复合材料点阵结构吸能特性和抗低速冲击性能研究随着交通工具的普及和人们对安全性的要求不断提高，材料的耐冲击性和吸能特性成为了材料研究的热点之一。

而复合材料以其轻量化、高强度、高刚度等优势在这方面得到了广泛的应用。

本文将介绍一种新型的复合材料点阵结构，并分析其吸能特性和抗低速冲击性能。

首先，我们介绍点阵结构的基本原理。

点阵结构是由一系列相互连接的单元组成的，这些单元之间形成了一种无缝衔接的网络结构。

点阵结构因其特殊的几何形状，所形成的空隙比较大，因此在某些情况下可以有效地吸收冲击能量，从而避免或减轻对其他部件的破坏。

同时，点阵结构还具有很好的抗压、抗剪和抗扭性能，可以有效地抵御外力作用下的变形和断裂。

接着，我们介绍复合材料的制备过程。

利用点阵结构的吸能特性，我们可以将其应用到复合材料中，从而提高复合材料的吸能能力。

复合材料通常由纤维增强材料和基体材料组成，纤维增强材料主要承担受力的作用，而基体材料则起到固定和保护作用。

为了在复合材料中实现点阵结构，我们需要将单元作为一种增强材料纤维，将其与基体材料相互交织，形成一种新的复合材料。

在制备过程中，需要注意纤维和基体的匹配性、纤维集聚和分散程度、纤维的取向等因素，以确保复合材料的力学性能和耐久性。

最后，我们介绍点阵结构复合材料的应用与发展。

点阵结构复合材料具有广泛的应用前景，包括汽车、航空航天、公共交通等领域。

在汽车与公共交通领域，点阵结构复合材料可以用于车身、底盘等部件的设计，可以有效减轻汽车的重量，提高汽车的安全性和经济性。

在航空航天领域，点阵结构复合材料可以应用于飞机的机身、机翼等部件设计，可以提高飞机的飞行速度和稳定性。

综上所述，复合材料点阵结构是一种应用前景广阔的新型复合材料，在汽车、航空航天、公共交通等领域有着广泛的应用前景，同时具有良好的吸能特性和抗低速冲击性能。

浅析树脂基体配比对三维织物夹芯复合材料力学性能的影响1引言三维织物夹芯复合材料是一种新型的轻质夹层结构复合材料，这种材料具有高强高模、隔热耐压、抗冲击性好、整体性优异、不易分层的特点，近年来在航空航天、交通行业以及建筑行业中的应用越来越广泛。

姚秀东等利用有限元软件ANSYS，对增强型复合材料夹层板建立物理模型，研究树脂柱分布和材料特性对芯层与而层间的应力分布以及板竖向位移的影响;徐颖等采用刚度退化技术和改进的ChanceChang失效准则、显式有限元法来模拟复合材料层合板受到低速冲击下逐渐损伤的过程;张天才困等研究了不同配比聚醚胺/酚醛胺环氧树脂体系的力学性能，并采用DSC测试方法研究其固化过程，确定其固化工艺的温度参数。

Hosur等研究了三维整体中空复合材料的成型工艺，并对不同面板的材料进行了低速冲击实验研究。

本文以100%E-Glass玻璃纤维为经纬纱原料，采用改良后的三维织造工艺，在SUA598型全自动剑杆织样机上织造三维夹芯织物，以环氧树脂E-51、固化剂聚醚胺H023组成树脂基体，利用手糊成型工艺，以树脂基体配比(环氧树脂:固化剂)为2:1:3:1:4:1制备三维织物夹芯复合材料。

对3种树脂基体配比的复合材料的压缩性能与弯曲性能进行研究，对比改良前的三维织造工艺与改良后的织造工艺所制备的材料的力学性能，得到一些有益的结论，为进一步研究三维织物夹芯复合材料的结构与性能提供了实验依据。

2试验过程2.1实验材料与设备无碱玻璃(E-Glass)纤维由泰山玻璃纤维有限公司提供，线密度为2400 Tex;环氧树脂E-51由南通星辰合成材料有限公司提供;固化剂聚醚胺H023由无锡仁泽化工产品有限公司提供;洁模剂CX-500与脱模剂XTEND 807由北京科拉斯科技有限公司提供。

SUA598型全自动剑杆织样机由江阴市通源纺机有限公司生产;lOlA-4S型电热鼓风干燥箱由南京沃环科技实业有限公司生产;Instron 3385H型电子万能试验机由美国英斯特朗公司生产;5212型恒速搅拌器由上海申顺生物科技有限公司生产;JA2003型电子精密天平由上海著海仪器有限公司生产。

第31卷 第2期2010年2月纺 织 学 报Journa l o f T ex tile R esearch V o.l 31,N o .2F eb .,2010文章编号:0253 9721(2010)02 0044 06三维机织多孔复合材料的横向冲击性能唐予远1,李 虹1,章 伟1,丁 辛2(1.中原工学院,河南郑州 450007;2.东华大学,上海 201620)摘 要 为了解纺织结构复合材料的动态力学行为,更好地设计并应用纺织结构复合材料,对三维多重纬经角联锁织物复合材料的动、静态力学性能进行了测试。

运用分离式H opk i nson 压杆装置测试了不同速度(应变率)及准静态时材料的力学性能。

结果表明:三维多重纬经角联锁织物复合材料是应变率敏感材料;随着冲击速度的不断提高,材料所能承受的载荷及吸收的能量增大;材料破坏时前面表现为压缩破坏形式,背面为拉伸破坏形式。

关键词 三维多重纬经角联锁织物;分离式H opkinson 压杆;横向冲击;应变率中图分类号:TS 302 3 文献标志码:AD yna m ic i m pact behavior of 3 D woven fabric co mpositeTANG Yuyuan 1,LIH ong 1,ZHANG W e i 1,D I N G X i n2(1.Zhongyuan Un i ver sit y of T echnology,Zhengzhou ,H enan 450007,Ch i na ;2.D onghua Universit y,Shanghai 201620,China )Abst ract For understand i n g the dyna m ic m echan ica l pr operties of textile structural co m posites and betterdesign i n g and applicati o n o f the m,both the static and dyna m ic m echanical properties o f 3 D m ulti layer w eft i n terlaced w ith w arp i n terlock woven fa bric co mposite w ere tested w ith a m od ified split H opk i n son pressure bar (S HPB )apparatus .It was found that this fabric co m posite is stress sensitive .The bearing ability and energy absorption of the co m posite i n crease w ith the i n crease of co m pact veloc ity .The da m age m orphology o f the co mposite m an ifests the co m pression fa ilure on the face and tensi o n fa il u re on the back .K ey words 3 D m ulti l a yer w eft i n terlaced w ith w arp interlock woven fabric co m posite ;splitH opkinson pressure bar ;transverse i m pac;t strain percentage 收稿日期:2009-03-05 修回日期:2009-08-24基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675032)作者简介:唐予远(1963 ),男,副教授。