三維編織復(fù)合材料是利用編織技術(shù)，把經(jīng)向、緯向及法向的纖維束（或紗線）編織成一個整體，即為預(yù)成型結(jié)構(gòu)件（簡稱“預(yù)制體”），然后以預(yù)制體作為增強材料進行樹脂浸漬固化而形成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。由于增強纖維在三維空間多向分布，阻止或減緩了沖擊載荷作用下復(fù)合材料層間裂紋的擴展，使得復(fù)合材料層間性能大大提升。因此，三維編織復(fù)合材料較普通層合復(fù)合材料具有更高的沖擊損傷容限和斷裂韌性。三維編織技術(shù)可按實際需要設(shè)計纖維數(shù)量，整體織造復(fù)雜形狀的零部件和一次完成組合件，減少二次加工量，如加筋殼、開孔結(jié)構(gòu)的制造等，因而經(jīng)濟性好、成本低、制造周期短。此外，三維編織復(fù)合材料可適用于各種復(fù)雜幾何形狀的織造，穩(wěn)定性和整體性高，可設(shè)計性強，可通過改變編織方式、編織角、紗線密度等參數(shù)滿足某些特定的工程需求?；谝陨细鞣N優(yōu)勢，三維編織復(fù)合材料得到了迅速的發(fā)展，并且受到工程界的普遍關(guān)注[1]。

一、細觀模型的研究進展

三維編織復(fù)合材料細觀結(jié)構(gòu)的研究始于20世紀80年代初，比如Ko和Pastore的單胞織物幾何模型（FGM），Ma和Yang的“米”字型單胞模型以及Yang提出的“纖維傾斜模型”，這些都屬于簡單的等效理論的范疇。

20世紀90年代以后，數(shù)值仿真能力得到大大提高，人們開始對三維編織復(fù)合材料的成型、編織程序、紗線在編織過程中的走向等進行更深入、完善的研究。Du和Ko在單胞理論的基礎(chǔ)上研究了編織參數(shù)與三維編織復(fù)合材料的纖維編織角及纖維體積含量之間的關(guān)系。Sun[2]將數(shù)字化方法成功地用于研究復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的三維編織矩形預(yù)成型體，準確地分析了紗線相互作用和橫截面的變形情況，并對比了拓撲模型和數(shù)字化方法預(yù)測材料微結(jié)構(gòu)的差異，在此2種模型的基礎(chǔ)上運用體積平均法計算了三維矩形編織復(fù)合材料的抗拉剛度，剪切剛度和泊松比等力學性能，用拓撲模型計算得來的抗拉剛度，剪切剛度值均低于數(shù)字化方法，泊松比的值則較為近似。

在國內(nèi)，吳德隆[3]首先提出了由基元、面元和柱元組成的三胞模型，三胞模型自此開始發(fā)展并且被廣泛采用和深入研究。韓其睿等[4]在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的單元體模型，考慮了纖維的宏觀尺寸，即纖維束的橫截面為圓形，在相互擠壓變形為橢圓。給出了單元體模型的尺寸與纖維束半徑、纖維取向角等有關(guān)參數(shù)之間的相互聯(lián)系。龐寶君等[5]研究并提出了修正的三維四向編織復(fù)材單胞模型，并從細觀結(jié)構(gòu)角度對此模型進行了驗證。Chen[6]基于小參數(shù)逐漸均勻化理論，采用以胞體為基礎(chǔ)的數(shù)字化有限元分析法（DCB-FEM）建立了三維四向編織復(fù)合材料的力學分析模型，計算出其等效彈性參數(shù)，與實驗一致性高。為三維四向編織復(fù)合材料的技術(shù)參數(shù)選擇、性能設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一種可行的新方法。

三維編織復(fù)合材料的細觀結(jié)構(gòu)的分析經(jīng)歷了取向平均單胞模型、“米”字枝狀模型、纖維傾斜模型、三胞模型以及加權(quán)平均模型等由簡單的單胞到復(fù)雜的多胞體模型的發(fā)展歷程，不斷改進的理論使得細觀結(jié)構(gòu)的模擬更加貼近實際。

由于三維編織復(fù)合材料的性能受編織方法的影響較大，為更大地改善三維編織復(fù)合材料的力學性能，人們開始轉(zhuǎn)入復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計以及新編織工藝的開發(fā)上。最近10年中，專門探討細觀幾何模型的文獻較少，國外開始進行多層連鎖編織的相關(guān)探索，如Lomov等[7]研究了多種截面形式的連鎖編織物，各類連鎖織物的解析方法與之前的模型理論差異較大。Saul建立了一種新的三維正交復(fù)合材料彈性剛度特性分析模型，它具有評估材料因編織參數(shù)變化而導致的彈性性能變化的能力。新模型把三維編織復(fù)合材料看作是多個包含樹脂包裹纖維單一元素的層的組合。新模型的公式表達方法是先把胞體單元分成多層，再把每一層分層多個單一元素。新模型對于除Ez外的材料彈性剛度特性的預(yù)測都較之前的模型更加準確，實際中，纖維和樹脂的波動對此模型模擬的準確性有著負面的影響。

二、宏觀力學性能的研究進展

三維編織復(fù)合材料宏觀力學性能的研究主要涉及拉伸、壓縮、剪切、彎曲、沖擊及損傷等方面，大部分文獻都是力學性能的理論研究與測試相結(jié)合的。由于三維編織復(fù)合材料的多樣性以及分散性，本文僅列出一些較為有代表性或者新穎的研究成果以供讀者參考。

三維編織復(fù)合材料的基本力學性能的實驗研究主要是在測試材料特性的基礎(chǔ)上，尋求纖維體積含量、編織角等參數(shù)對材料性能的影響規(guī)律。Shivakumar在研究中發(fā)現(xiàn)三維編織復(fù)合材料壓縮強度受軸向紗錯排的影響非常明顯，而受偏軸紗錯排的影響較小。Bogdanovich[8]提出三維編織復(fù)合材料的面內(nèi)剛度主要受3個方面的影響，即總的纖維體積分數(shù)，纖維在經(jīng)向、Z向等的分布規(guī)律（分布比例），纖維在3個方向上的平直度和整齊性。Pazmino對3TEX公司制備的三維編織復(fù)合材料通過Micro-CT對浸漬質(zhì)量和材料內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)進行了觀察和評價，并且進行了編織方向的準靜態(tài)拉伸強度和拉伸-拉伸疲勞試驗。通過實驗得到了500萬次循環(huán)載荷作用下Vf=55.6%的三維編織材料不被完全破壞的最大施加載荷與疲勞壽命曲線，通過對比不同纖維體積含量下的三維編織復(fù)合材料的疲勞壽命，得出此范圍內(nèi)，疲勞壽命隨著纖維體積含量的增加而增大。同時，Pazmino分析了材料的剩余力學性能，繪出了經(jīng)歷不同循環(huán)加載次數(shù)后材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、初始彈性模量曲線、極限抗拉強度曲線，在經(jīng)過500萬次循環(huán)加載后，材料的初始彈性模量下降較多，而極限抗拉強度曲線變化很小。

國內(nèi)到20世紀90年代末才開始出現(xiàn)相關(guān)的研究報道，雖然起步較晚，但是比較活躍。李嘉祿等[9]采用1×1、1×2和1×3三種不同的編織結(jié)構(gòu)對三維多向編織復(fù)合材料的力學性能進行了研究，結(jié)果顯示，編織復(fù)合材料的拉伸以及彎曲的應(yīng)力—應(yīng)變曲線均呈雙線性特點，加入軸向非編織纖維使得材料的拉伸強度、剛度和彎曲強度、剛度得到了提高。孫慧玉等[10]通過實驗測定了三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料側(cè)邊未切割、受切割和中央鉆孔試件的拉伸性能，對比了受切割和未切割纖維對于試件側(cè)邊拉伸應(yīng)變的影響，同時對三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的孔邊應(yīng)力集中現(xiàn)象進行了研究，得到一個重要結(jié)論，即4步法復(fù)合材料的孔邊應(yīng)力集中系數(shù)比傳統(tǒng)層板復(fù)合材料和金屬材料的低，從這個意義上說，三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料適合于作為含孔結(jié)構(gòu)的連接件。

盧子興等[11，12]對三維編織復(fù)合材料進行了拉伸實驗，得到了影響編織復(fù)合材料力學性能的最重要因素是它的編織角的結(jié)論，認為加入軸向纖維的五向編織材料的變形和失效模式會發(fā)生改變，其基體材料更趨向于脆性破壞；接著對三維四向編織復(fù)合材料進行了壓縮測試，發(fā)現(xiàn)三維編織復(fù)合材料的縱橫向壓縮性能差別較大，二者的壓縮破壞機理也存在很大差異，縱向壓縮性能受編織角大小的影響較大，即存在某個臨界值，當編織角大于該臨界值時，三維編織復(fù)合材料的縱向壓縮破壞呈現(xiàn)非線性的塑性特征，而當編織角小于該臨界值時，三維編織復(fù)合材料的縱向壓縮破壞呈現(xiàn)線性的脆性特征。

Fang[13]研究了紡線的扭曲變形對三維四向編織復(fù)合材料的影響，認為加捻紗線的扭轉(zhuǎn)角對3D編織復(fù)合材料的彈性性能參數(shù)（除橫向彈性模量和橫向泊松比以外）都有較大影響。隨著紗線扭轉(zhuǎn)角的增大，復(fù)合材料的縱向彈性模量、泊松比、剪切模量逐漸降低。在內(nèi)部編織角為30°和45°的情況下，材料的單向拉伸強度都隨紗線扭轉(zhuǎn)角的增大而減小，在扭轉(zhuǎn)角小于9.5°時，45°編織角的材料單向拉伸強度較30°的下降快，而扭轉(zhuǎn)角大于9.5°時，下降速度相反。

Yu[14]利用雙尺度法對4步法三維編織復(fù)合材料的剛度和強度特性進行預(yù)測，并得到了編織角與纖維體積分數(shù)對復(fù)合材料拉伸、彎曲以及扭轉(zhuǎn)強度的影響趨勢。經(jīng)過實驗驗證，雙尺度法的預(yù)測較為準確，實驗結(jié)果顯示，隨著編織角增大，拉伸和彎曲強度下降，并逐漸接近基體強度，扭轉(zhuǎn)強度先增大后減小，故最優(yōu)編織角選擇在扭轉(zhuǎn)強度的最大位置處，且當編織角較?。?0°以下）時，其拉伸、彎曲強度隨纖維體積分數(shù)增大而增大，當編織角較大接近40°時，在某一最優(yōu)纖維體積分數(shù)處，拉伸、彎曲強度達到最大，在編織角小于48°時，扭轉(zhuǎn)強度隨著纖維體積分數(shù)以及編織角的增大而增大，受纖維體積分數(shù)的影響更為明顯。

Sun[15]為研究力學性能和頻率響應(yīng)之間的關(guān)系，用Z變換法討論了在準靜態(tài)（MTS材料試驗系統(tǒng)）和高應(yīng)變率狀態(tài)下（SHPB設(shè)備）三維機織復(fù)合材料的面內(nèi)和面外2個方向的壓縮行為，這是在頻率領(lǐng)域的第一次嘗試。

沖擊、疲勞、蠕變、損傷等工程力學性能對于材料的工程應(yīng)用有著重大的意義，但是由于實驗室條件等方面的原因，這一方面的研究相對較少，而且研究的共性不大。

沈懷榮采用輕氣炮對三維整體編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進行了高速對稱碰撞實驗和彈丸穿靶實驗，雖然沒有給出三維編織的形式以及很可靠的理論推理，但是至少提供了一種可以作為參考的三維編織復(fù)合材料沖擊試驗的方法。李典森等[16]研究了多個編織參數(shù)對三維編織復(fù)合材料蠕變性能的影響，得出編織角小且纖維體積含量高的三維編織復(fù)合材料的抗蠕變性能更高，同時五向編織比四向編織復(fù)合材料的抗蠕變性能要高。

李嘉祿等[17]研究了編織角對三維編織復(fù)合材料疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)在疲勞試驗中，編織角大的三維編織復(fù)合材料易損傷。此外，Li等[18]簡述了三維編織復(fù)合材料拉伸、壓縮和彎曲性能的切口邊緣效應(yīng)特點。為計算復(fù)合材料內(nèi)編織紗線的剩余長度，建立了未切割和切割邊緣復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)幾何模型。切割破壞了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性，降低了材料的承載能力。試驗表明，樣品寬度方向的切割對材料剛度、強度以及彎曲性能的影響較小，但在厚度方向上的切割則影響較大，而在拉伸載荷下進行彎曲試驗?zāi)Ａ拷档透?；?fù)合材料內(nèi)編織紗線的剩余長度越短，切割樣品的承載能力越低。

三、三維編織復(fù)合材料的應(yīng)用

三維編織復(fù)合材料大多采用液體成型工藝進行浸膠固化，直接形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，如樹脂傳遞模塑工藝（RTM）、樹脂膜滲透工藝（RFI）及真空輔助樹脂滲透工藝（VARI）等。目前，三維編織復(fù)合材料不僅在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而且在船舶、民用基礎(chǔ)設(shè)施以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域也顯示出了巨大的潛力。

三維編織復(fù)合材料技術(shù)可以應(yīng)用于制作“J”型機骨架，機翼和機身蒙皮，飛機進氣道，飛行器的承力梁，異性接頭，多種形式的耐燒蝕、承力的圓筒形、錐形筒的制件。在保證達到質(zhì)量要求的前提下，大大縮減多的制件的質(zhì)量，降低了成本。例如洛克希德·馬丁公司采用三維編織技術(shù)研制了F-35戰(zhàn)斗機進氣道的預(yù)制體，加強筋與進氣道殼體為整體結(jié)構(gòu)，節(jié)省了大量緊固件的使用，提高了氣動性能，簡化了裝配工序。直升機的起落架扭力臂和縱向推力桿已開始使用三維編織技術(shù)一體成型（如圖1所示）。

采用三維編織技術(shù)研制的LEAP-X發(fā)動機風扇葉片也已成功通過FOD試驗，并將應(yīng)用于中國商飛C919等多個機型。在航天領(lǐng)域，高溫、燒蝕和高速沖刷的導彈頭錐、筒身，火箭發(fā)動機噴嘴、筒體等也大量采用三維整體編織復(fù)合材料（如圖2所示）。

耐沖擊性能好的的三維編織復(fù)合材料可用于車輛的沖擊部件以及抗沖擊需求高的集裝箱或壓力容器件（如圖3所示）。對于開孔較多的復(fù)合材料制件，三維編織技術(shù)能很好的保證此類制件的整體性，減少二次加工量，并避免二次加工對復(fù)合材料零件的損傷。

四、結(jié)語

盡管三維編織復(fù)合材料制件多種多樣，但目前商業(yè)應(yīng)用仍相對較少，制約三維編織技術(shù)推廣原因主要有設(shè)備、技術(shù)成熟度、力學性能和耐久性等問題，隨著技術(shù)的進步及編織成本的降低，三維編織復(fù)合材料正逐漸發(fā)展成為一個熱門的研究方向。

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