(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387)

科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)新材料、新技術(shù)的需求不斷提高，使得三維(3D)機(jī)織物在紡織復(fù)合材料中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在軍事、航天、交通運(yùn)輸、安全防護(hù)等方面有了越來(lái)越重要的地位。

1 3D機(jī)織物的拉伸強(qiáng)度

3D機(jī)織物按其紗線在織物中的組成形態(tài)可以劃分為多種結(jié)構(gòu)，但由于實(shí)際加工工藝以及應(yīng)用的限制，目前3D機(jī)織物主要是指3D機(jī)織角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的機(jī)織織物[1-2]。3D機(jī)織角聯(lián)鎖織物，也稱為3D機(jī)織角聯(lián)鎖預(yù)制件，作為紡織復(fù)合材料的增強(qiáng)體時(shí)，由于在材料領(lǐng)域與在紡織領(lǐng)域的分類觀點(diǎn)不一致，其名稱在紡織與材料學(xué)科這個(gè)交叉領(lǐng)域經(jīng)?；煊?。3D角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)通常是由經(jīng)紗系統(tǒng)、緯紗系統(tǒng)以及接結(jié)紗系統(tǒng)的紗線構(gòu)成重疊聯(lián)鎖狀的立體織物[3]，也經(jīng)常用到襯經(jīng)襯緯系統(tǒng)以滿足其織物的結(jié)構(gòu)要求。由于具有以上結(jié)構(gòu)，3D機(jī)織物與傳統(tǒng)二維織物之間有著很大區(qū)別，其拉伸最大載荷已不適合用二維織物的織物強(qiáng)力這一概念來(lái)準(zhǔn)確表達(dá)。強(qiáng)度作為復(fù)合材料領(lǐng)域的重要性能指標(biāo)之一，當(dāng)材料尺寸穩(wěn)定時(shí)，拉伸強(qiáng)度是指材料拉伸斷裂前

所承受的最大應(yīng)力[4]，可表示為：

式中：δτ——拉伸強(qiáng)度，MPa；

F——屈曲載荷，破壞載荷或者最大載荷,N；

b——試樣寬度，mm；

d——試樣厚度，mm。

由于3D機(jī)織物的厚度與寬度等參數(shù)測(cè)量值相對(duì)固定，此時(shí)織物最大拉伸應(yīng)力則是3D機(jī)織預(yù)制件拉伸強(qiáng)度的表現(xiàn)形式。3D機(jī)織預(yù)制件的拉伸強(qiáng)度對(duì)于其復(fù)合材料強(qiáng)度具有相當(dāng)重要的影響，所以對(duì)其拉伸性能的研究也越來(lái)越受到重視。

3D機(jī)織預(yù)制件作為復(fù)合材料增強(qiáng)體,由于其本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體的性能主要由3D機(jī)織預(yù)制件的結(jié)構(gòu)確定，所以越來(lái)越多學(xué)者考慮到3D機(jī)織預(yù)制件結(jié)構(gòu)變化給預(yù)制件拉伸強(qiáng)度帶來(lái)的影響。拉伸強(qiáng)度作為拉伸力學(xué)性能的極限問(wèn)題，決定了材料的使用環(huán)境和最大載荷， 目前學(xué)術(shù)界對(duì)于3D紡織復(fù)合材料的力學(xué)性能研究主要集中在剛度理論研究方面[5-6]，對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度研究相對(duì)較少，對(duì)紡織結(jié)構(gòu)預(yù)制件強(qiáng)度及其類似理論的研究目前還處于借用層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究階段[7-8]，并且3D機(jī)織預(yù)制件及其復(fù)合材料破壞機(jī)理的研究尚未形成一個(gè)公認(rèn)的完整體系[9]。

易洪雷通過(guò)總結(jié)大量3D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的研究指出：影響3D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的因素不僅是纖維和基體的性能，還與預(yù)制件的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[10]。對(duì)于其組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系的研究一度成為此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 織物結(jié)構(gòu)的研究

預(yù)制件強(qiáng)度在預(yù)制件形成復(fù)合材料后直接表現(xiàn)為復(fù)合材料的強(qiáng)度。當(dāng)使用環(huán)境、材料和基體種類確定時(shí)，3D機(jī)織預(yù)制件的強(qiáng)度取決于作為織物增強(qiáng)體的預(yù)制件的空間結(jié)構(gòu)與受力情況。纖維與紗線在織物中的體積含量和空間結(jié)構(gòu)等因素形成了織物不同的力學(xué)性能，因此準(zhǔn)確描述紗線和織物的狀態(tài)被認(rèn)為是研究織物力學(xué)性能和織物強(qiáng)度的重要出發(fā)點(diǎn)之一。相關(guān)學(xué)者對(duì)3D機(jī)織物空間結(jié)構(gòu)和纖維在織物中受力情況認(rèn)識(shí)的不斷深入，使得3D機(jī)織物力學(xué)性能研究取得了一些新的進(jìn)展。

2.1 基于紗線截面恒定的研究理論

在對(duì)3D機(jī)織預(yù)制件結(jié)構(gòu)的研究中，基于紗線截面恒定的假設(shè)，相繼出現(xiàn)了很多紗線以及織物的理論模型，并且以模型為基礎(chǔ)建立起了一系列對(duì)3D機(jī)織物性能進(jìn)行研究的理論。在研究相關(guān)理論的初期階段，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為紗線在織物中是圓形截面，并且紗線在織物中呈現(xiàn)正弦曲線形態(tài)交織[11]。隨著研究的深入，相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)上述觀點(diǎn)并不能反映3D機(jī)織物中紗線的真實(shí)形態(tài)，因此出現(xiàn)了一系列用來(lái)描述紗線截面的理論，如丁辛等[12]提出，在3D機(jī)織物中，經(jīng)紗是彎曲的，緯紗可以模擬為平直跑道形；楊連賀、燕瑛等[13-14]指出，在3D機(jī)織物中，經(jīng)紗是彎曲的，緯紗可以模擬為雙凸透鏡形；唐遜等[15]提出經(jīng)紗主體為跑道形，緯紗主體為梭形；鄭君等引進(jìn)Byun等[16]的研究成果提出，在3D機(jī)織物中，經(jīng)紗可以模擬為平直矩形，緯紗無(wú)交織時(shí)為平直雙凸透鏡形[17-18]。

燕瑛等[19]系統(tǒng)地研究了預(yù)制件幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)紡織復(fù)合材料性能的影響，提出了優(yōu)化3D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇， 并在理論上將纖維增強(qiáng)體和樹(shù)脂基體的力學(xué)強(qiáng)度用疊加的方法建立了3D機(jī)織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，突破了國(guó)外一直以試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估紡織復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的方法，彌補(bǔ)了利用神經(jīng)元方法對(duì)織物拉伸性能進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)各變量與結(jié)果之間無(wú)法解釋的不足。

鄭君等[20]認(rèn)為，3D機(jī)織復(fù)合材料拉伸斷裂失效的主要原因是經(jīng)緯紗的斷裂失效，基于經(jīng)紗矩形截面及緯紗雙凸透鏡截面假設(shè)，并結(jié)合表層經(jīng)紗與內(nèi)部經(jīng)紗密度的不同，以及相同機(jī)織結(jié)構(gòu)、不同厚度和不同纖維束截面的情況，建立了3D機(jī)織復(fù)合材料的彈性性能預(yù)測(cè)模型，并得到了與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合的預(yù)測(cè)結(jié)果。

2.2 基于紗線截面不規(guī)則變化的研究理論

隨著對(duì)3D機(jī)織物結(jié)構(gòu)研究的深入，越來(lái)越多的學(xué)者意識(shí)到，紗線在3D機(jī)織物中的受力情況非常復(fù)雜，其截面形狀不能用單一形狀來(lái)表征。楊彩云[21]采用拍攝3D機(jī)織復(fù)合材料截面照片的方法研究了實(shí)際3D機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)；楊連賀等[22]利用經(jīng)紗脈絡(luò)描述法解決了任意3D機(jī)織復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)表征問(wèn)題，提出了單胞分解法與亞胞向量概念,實(shí)現(xiàn)了3D結(jié)構(gòu)的二維化、數(shù)字化，使紗線束逐步逼近真實(shí)形態(tài)。隨后，他們基于經(jīng)典的雙凸模型，研究了3D機(jī)織復(fù)合材料紗線截面的變形規(guī)律,提出了“凹凸交變模型”,導(dǎo)出了截面變形函數(shù)[23]。研究結(jié)果表明,紗線束截面沿紗線長(zhǎng)度方向按凹凸交變的規(guī)律呈周期性變化。這一研究理論修正了一直以來(lái)的恒定截面假設(shè),使截面研究有了新的進(jìn)展。楊連賀等[24]采用改進(jìn)的經(jīng)紗脈絡(luò)法表征3D機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并將單胞分解為亞胞晶陣，提出了屈曲形態(tài)碼概念，進(jìn)而以解析法建立了相關(guān)幾何模型；將所建模型與電鏡照片進(jìn)行對(duì)比，也獲得了較好的一致性。這些理論的提出，使得紗線在3D機(jī)織物及其復(fù)合材料中的數(shù)學(xué)和邏輯形態(tài)有了很好的表達(dá)，對(duì)于3D機(jī)織復(fù)合材料預(yù)制件的強(qiáng)度理論研究有著重要意義。

3 材料性能的研究

3D機(jī)織物的力學(xué)性能與纖維及紗線的性能密切相關(guān)[25]，并且兩者共同影響其復(fù)合形成的復(fù)合材料性能。形成3D機(jī)織物的紗線的拉伸力學(xué)曲線與織物的拉伸力學(xué)曲線有一定相關(guān)性，但到目前為止還沒(méi)有文獻(xiàn)明確指出兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在對(duì)3D機(jī)織復(fù)合材料破壞機(jī)理和強(qiáng)度特性的研究中，Cox的3D機(jī)織復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)[26]，以及Callus[27]、John[28]對(duì)于3D機(jī)織預(yù)制件的拉伸試驗(yàn)都指出，紡織復(fù)合材料及其預(yù)制件的彈性模量并不是一成不變的，這些試驗(yàn)的初始階段，拉伸曲線斜率不變，而從初始屈服點(diǎn)開(kāi)始，材料出現(xiàn)拉伸斷裂，并且彈性模量也隨著應(yīng)變的增加而減小[29-30]?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)不同預(yù)處理的構(gòu)成材料也會(huì)對(duì)3D機(jī)織物的強(qiáng)度有一定影響。

4 材料使用環(huán)境的研究

3D機(jī)織物的拉伸試驗(yàn)條件一定條件下等價(jià)于使用環(huán)境，并且是使用環(huán)境的理想化形式，因此對(duì)于不同拉伸試驗(yàn)條件下織物表現(xiàn)出的力學(xué)性能的研究也是織物強(qiáng)度理論研究的一部分。李燕華等[31]在研究拉伸方式與織物強(qiáng)度時(shí)指出：在拉伸速度改變的情況下，隨著拉伸速度的提高，織物強(qiáng)度呈緩慢上升趨勢(shì)；在拉伸試驗(yàn)織物寬度改變的情況下，拉伸寬度越大，織物強(qiáng)度越大，但寬度與強(qiáng)度兩者之間不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系；在拉伸試驗(yàn)織物長(zhǎng)度改變的情況下，拉伸長(zhǎng)度越大，由于強(qiáng)力弱環(huán)以及其他因素的影響，其斷裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，并驗(yàn)證了經(jīng)向拉伸強(qiáng)度大于緯向拉伸強(qiáng)度。這一理論也在一定程度上說(shuō)明了3D機(jī)織預(yù)制件外形尺寸的變化會(huì)對(duì)其拉伸強(qiáng)度帶來(lái)一定的影響。

5 結(jié)論與展望

3D機(jī)織物作為復(fù)合材料增強(qiáng)體研究與開(kāi)發(fā)的時(shí)間不過(guò)短短幾十年，但是科研人員在這一領(lǐng)域的研究取得了相當(dāng)好的成果，一系列相關(guān)理論的提出使得3D機(jī)織物在復(fù)合材料領(lǐng)域有了突破與進(jìn)一步的發(fā)展。現(xiàn)有理論以及試驗(yàn)證明了3D機(jī)織技術(shù)已經(jīng)能夠織造出各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并能滿足大多數(shù)領(lǐng)域制品的需要。

3D機(jī)織物應(yīng)用于復(fù)合材料這一領(lǐng)域的初衷是以更輕的自身質(zhì)量提供更好的力學(xué)性能。但是從此觀點(diǎn)來(lái)看，作為增強(qiáng)體的3D機(jī)織物，其力學(xué)研究領(lǐng)域仍然存在著許多不足，如從纖維到預(yù)制件再到復(fù)合材料的力學(xué)性能關(guān)系尚未得到非常明確的驗(yàn)證，并且考慮到開(kāi)發(fā)成本，需要有理論指導(dǎo)預(yù)制件開(kāi)發(fā)者在滿足復(fù)合力學(xué)強(qiáng)度要求的情況下設(shè)計(jì)出質(zhì)量最輕的機(jī)織預(yù)制件等。另外現(xiàn)有3D機(jī)織預(yù)制件成型技術(shù)的自動(dòng)化程度仍然不高，不能滿足短時(shí)間大批量的生產(chǎn)需求，也在一定程度上制約著3D機(jī)織物的發(fā)展和應(yīng)用。

3D機(jī)織復(fù)合材料及其預(yù)制件相關(guān)研究遺留的大部分問(wèn)題，總結(jié)起來(lái)都可以看作強(qiáng)度理論研究問(wèn)題。對(duì)于3D機(jī)織物強(qiáng)度理論研究的目的是探討各項(xiàng)工藝對(duì)織物強(qiáng)度的影響趨勢(shì)或者影響因子，這個(gè)目的也說(shuō)明了3D機(jī)織物強(qiáng)度理論的研究有助于復(fù)合材料及其預(yù)制件的力學(xué)性能預(yù)測(cè)。如果這些問(wèn)題能得到很好的解決，將使3D機(jī)織技術(shù)在各大領(lǐng)域能夠滿足更多的使用需求，并使3D機(jī)織技術(shù)從高端領(lǐng)域及軍用方面轉(zhuǎn)移到大眾領(lǐng)域和普及應(yīng)用，促進(jìn)材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1] 楊彩云,李嘉祿.復(fù)合材料用3D角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)預(yù)制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及新型織造技術(shù)[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,31(5):53-58.

[2] 盧士艷,聶建斌.角度聯(lián)鎖三維機(jī)織物的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)[J].棉紡織技術(shù),2005,33(2):72-75.

[3] 易洪雷.三維機(jī)織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)性能研究[D].上海:東華大學(xué),2000：17-26.

[4] 全國(guó)纖維增強(qiáng)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 1447—2005 纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法[S].中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2005-05-18.

[5] 邢譽(yù)峰,田金梅.三維正交機(jī)織復(fù)合材料單胞特征單元及其應(yīng)用[J].航空學(xué)報(bào),2007,28(4):881-885.

[6] 燕瑛,成傳賢.基于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織復(fù)合材料彈性性能分析[J].航空學(xué)報(bào),1999,20(4):289-294.

[7] 徐錕,許希武.三維編織復(fù)合材料漸進(jìn)損傷的非線性數(shù)值分析[J].力學(xué)學(xué)報(bào),2007,39(3):398-407.

[8] 左惟煒,肖來(lái)元,寥道訓(xùn).Tsai-Wu準(zhǔn)則用于三維編織復(fù)合材料矩形梁強(qiáng)度計(jì)算[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,34(12):74-76.

[9] 鄭君,溫衛(wèi)東,崔海濤,等.2.5維機(jī)織復(fù)合材料緯向拉伸過(guò)程初始屈服準(zhǔn)則[J].航空學(xué)報(bào),2009,30(2):254-258.

[10] 易洪雷,丁辛.三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2001,31(2)：161-169.

[11] POCHIRAJU K, CHOU T W. Three-dimensionally woven and braided compositesⅠ: A model for anisotropic stiffness prediction[J]. Polymer Composites,1999,20(4):565-580.

[12] 丁辛，易洪雷．三維機(jī)織結(jié)構(gòu)的幾何模型[J]．復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2003，20(5)：108-113.

[13] 楊連賀.3-D機(jī)織復(fù)合材料彈性性能研究[J].天津紡織工學(xué)院學(xué)報(bào),1998，17(4):41-48.

[14] 燕瑛.織物細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)編織復(fù)合材料彈性性能的影響[J].航空學(xué)報(bào),1997,18(6)：666-669.

[15] 唐遜，周光明，劉旭波，等.三維機(jī)織復(fù)合材料紗線觀測(cè)與細(xì)觀幾何模型[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2008,40(3):376-379.

[16] BYUN J H, CHOU T W. Elastic properties of three-dimensional angle-interlock fabric performs[J]. Journal of the Textile Institute,1990,81(4):538-548.

[17] 鄭君,溫衛(wèi)東，崔海濤，等.2.5維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彈性性能預(yù)測(cè)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2008,23(11):2031-2035.

[18] 鄭君,溫衛(wèi)東，崔海濤，等.2.5維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的幾何模型[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2008,25(2):143-148.

[19] 燕瑛,鞠樹(shù)生,成傳賢，等.紡織復(fù)合材料性能評(píng)定與分析[C]//復(fù)合材料的現(xiàn)狀與發(fā)展：第十一屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2000：384-389.

[20] 鄭君,溫衛(wèi)東.2.5維機(jī)織復(fù)合材料強(qiáng)度準(zhǔn)則[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,30(5):672-676.

[21] 楊彩云,李嘉祿.基于紗線真實(shí)形態(tài)的三維機(jī)織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其厚度計(jì)算[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2005,22(6):178-182.

[22] 楊連賀，李姜，陳利.三維機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表征與實(shí)體造型[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009，26(4):169-175.

[23] 楊連賀，李姜．三維機(jī)織復(fù)合材料紗線束截面變形研究[J]．復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2008,25(4)：198-204.

[24] 楊連賀，陳利.應(yīng)用經(jīng)緯互規(guī)法建立3D機(jī)織復(fù)合材料的幾何模型[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2012,29(3)：208-213.

[25] 陶肖明，冼杏娟，高冠勛.紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[26] COX B N, DADKHAH M S, MORRIS W L. On the tensile failure of 3D woven composites[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,1996,27(6):447-458.

[27] CALLUS P J, MOURITZ A P, BANNISTER M K. Tensile properties and failure mechanisms of 3D woven GRP composites[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,1999,30(11):1277-1287.

[28] JOHN S, HERSZBERG I, COMAN F. Longitudinal and transverse damage taxonomy in woven composites[J]. Composites Part B: Engineering,2001,32(8):659-668.

[29] 燕瑛,樓暢,成傳賢,等.機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的細(xì)觀分析與試驗(yàn)研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2001,18(2):109-113.

[30] 楊彩云,李嘉祿,陳利,等.樹(shù)脂基三維機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系研究[J].航空材料學(xué)報(bào),2006,26(5):51-55.

[31] 李燕華,楊彩云.拉伸方式與織物強(qiáng)度的關(guān)系[J].天津紡織科技,1998(1):16-20.