三维机织复合材料力学性能分析与研究

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。

三维机织物和三维织机综述目录三维机织物和三维织机综述 (1)1.1三维机织物的研究现状 (1)（1）三维针织复合材料 (1)（2）三维编织复合材料 (1)（3）三维缝合复合材料 (2)（4）三维机织复合材料 (2)1.2三维机织物预制件的结构组织 (2)1.2.1正交组织 (2)1.2.2角联锁组织 (3)1.2.3三向交织组织 (3)1.3三维织机 (3)1.3.1国内外研究动态 (3)1.3.2织机的原理 (4)1.3.3织机的设计 (4)1.1三维机织物的研究现状今天，纺织材料正在蓬勃发展，并随着时间的推移而形成，它们取代了传统的金属、陶瓷，并被用于空间、航空和军事技术领域，并逐步拓展于汽车、船舶、机械和电子等。

复杂的三维结构，产生三维纤维的倾向，现在有各种不同的和非常有效的性能，形态具有可设计性，因此，三维纺织技术在国外迅速发展，国内也在努力研究。

现在我们所知道的的三维复合材料可分为三维针织、编织、缝合和三维机织。

（1）三维针织复合材料针织物特别适合作为深拉复合材料的增强结构，它还可以通过衬垫纱来制作结构稳定高的结构材料。

我们通过将针织物结构与针织物结构两两相结合，即可加强织物结构和针织物结构。

各种材料的开发能力和能量吸收能力都在显著提高，载荷和疲劳强度都在提高。

随着针织工业的快速发展，针织物做增强材料的市场占有率正逐年增高，且增长率最快。

针织技术、工艺、设备的改进和创新，使针织物具有更大范围的可设计性，在各个技术领域都受到了人们的高度关注和研究。

目前经编织物在三维针织物中占据绝大地位。

（2）三维编织复合材料编织是目前第一个用来制造三维复合材料预制件的纺织工艺，它是将两条以上的纱线在斜向或者纵向上相互交织，形成整体结构件。

在1960年以后就已经被应用。

三维编织复合材料具有高比强度、高比刚度、抗冲击韧性好等诸多优点，相比于层合复合材料制作工艺，这种三维编织结构非常适合高产结构生产。

空间技术和军备的主要领域现在将得到广泛应用。

先进复合材料三维织物的织造N.Khokar;贺春霞【摘要】作为先进复合材料增强材料的3D织物的工业发展仍较缓慢,原因是工程预型件的形状可靠性、快速开发和交付及低成本这3个关键性需求大都没有得到解决.这些需求很难通过2D织造实现.2D织造工艺主要用于制备2D或片状织物,它也能制备3D织物,并常被误认为是3D织造工艺.Biteam AB公司成功研发并证实了2D织造和3D织造的差异.3D工艺中双向开口系统的开发,实现了独特的垂直和水平方向的织造,这是2D织造工艺所不能达到的.这项新技术可满足3D织物技术和经济方面的需求.3D织造工艺的开发完全符合现有的织造基本原理,从而使得3D织造工艺技术得以实现.3D织造工艺可直接用于制备夹心、实心和管状的异形截面3D织物.提请注意某些相关方面,以促进织造工艺的进一步演变.%The industrial growth of 3Dfabrics as reinforcements for advanced composite materials remains slowly because 3key demands remain mostly unaddressed:engineering pre-forms with shapeperformance reliability, development and deliverying them in short time, and making them affordable.These demands are difficult to realize through 2D weaving process which is basically devised for manufacturing 2D or sheet-like materials.Strangely, its ability to produce 3D fabrics has been incorrectly assumed to be the 3Dweaving process.This discrepancy has been overcome by Biteam AB by following a fundamentally different path from the rest.Through development of the first ever weaving device incorporating the dual-directional shedding system, weaving is uniquely performed vertically and horizontally, which is not possible by the2Dweaving process.By means of this novel method, the various technical and economic demands are achieved.This development fully complies with the established principles of weaving, and hence enables the technical realization of the 3D weaving process.The proprietary 3D weaving process uniquely produces profiled cross-section 3D fabrics directly in shell, solid and tubular types.Attention is drawn here to certain relevant aspects to enable further evolution of the timeless weaving process.【期刊名称】《国际纺织导报》【年(卷),期】2018(046)011【总页数】4页(P42-44,46)【关键词】3D织造工艺;2D织造工艺;先进复合材料;3D织物【作者】N.Khokar;贺春霞【作者单位】Biteam AB公司(瑞典);Biteam AB公司(瑞典)【正文语种】中文3D织物的应用已有100多年的历史，较为人熟知的应用包括矿产行业的运输带、纸浆行业的造纸毡、装饰用的双层布等。

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]。

2023-11-09•引言•三维角联锁机织复合材料概述•弹道侵彻破坏机理研究•细观结构尺度对弹道侵彻破坏的影响•优化设计及性能提升策略目•结论与展望录01引言弹道侵彻破坏是复合材料抗冲击性能的重要研究内容三维角联锁机织复合材料是一种新型高性能复合材料研究该材料在弹道侵彻下的破坏细观结构尺度有助于优化其抗冲击性能研究背景与意义研究现状与发展针对该材料的抗冲击性能优化及其在防护结构中的应用仍需深入研究研究将有助于推动复合材料在军事、航空航天、土木工程等领域的应用目前关于三维角联锁机织复合材料弹道侵彻破坏的研究尚不充分研究内容分析三维角联锁机织复合材料的细观结构特征；研究该材料在弹道侵彻下的破坏机制；探讨抗冲击性能优化方法及其在防护结构中的应用。

研究方法采用实验测试、数值模拟和理论分析相结合的方法进行研究。

首先进行材料的细观结构观察和力学性能测试；其次建立数值模型，模拟弹道侵彻过程，并分析破坏细观结构尺度；最后根据实验和模拟结果，总结抗冲击性能优化方法。

研究内容与方法02三维角联锁机织复合材料概述机织复合材料定义与特点•机织复合材料是一种由有机和无机材料通过纺织工艺制成的复合材料。

它具有高强度、高刚度、耐腐蚀、可设计性强等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑和体育器材等领域。

•三维角联锁机织复合材料是一种先进的机织复合材料，其结构特点是采用角联锁编织技术，使得材料在不同方向上具有优异的力学性能和稳定性。

其性能优势包括高强度、高刚度、抗疲劳、抗冲击等特点，适用于制造高性能的工程结构和部件。

三维角联锁机织复合材料的结构与性能三维角联锁机织复合材料的制造工艺•三维角联锁机织复合材料的制造工艺主要包括原材料准备、编织、热压成型和后处理等环节。

其中，编织工艺是关键环节，需要采用专门的编织设备和工艺技术。

通过合理的工艺控制和参数调整，可以获得具有优异性能的三维角联锁机织复合材料。

03弹道侵彻破坏机理研究弹道侵彻破坏过程分析弹道侵彻破坏的扩展分析弹体贯穿过程中，复合材料细观结构的演变和破坏模式的转变。

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。