（北京航空航天大學航空科學與工程學院,北京 100191）

經(jīng)過近60年的發(fā)展，二維層合復合材料和三維復合材料作為結(jié)構(gòu)材料都不同程度地應用于航空航天領域。層合復合材料發(fā)展較早、較成熟，配套設備齊全且成型效率高、質(zhì)量可控，適用于板、殼結(jié)構(gòu)，如蒙皮、翼肋和梁腹板等結(jié)構(gòu)的制造，見圖1。三維復合材料犧牲了部分面內(nèi)性能，但有效增強了層間性能，適合異型結(jié)構(gòu)件和具有高承載要求的連接結(jié)構(gòu)件的制造，如異型接頭、一體梁結(jié)構(gòu)、長桁等，見圖2。盡管層合復合材料發(fā)展相對成熟，但實際應用中仍存在一些問題。一方面，在航空制造中，層合材料是由預浸料鋪層結(jié)合熱壓工藝制作，這一過程需要大量人工干預，且預浸料的保存和清潔不僅大大增加了材料的制作成本，還會消耗大量的能源[1]。另外，層合材料在制作異型結(jié)構(gòu)件過程中不可避免會出現(xiàn)褶皺和纖維不連續(xù)，很難完成復雜結(jié)構(gòu)件的制作，因此膠接、共固化、機械連接等連接方式成為了決定結(jié)構(gòu)件力學性能的主要因素，材料本身力學性能的優(yōu)勢并沒有得到發(fā)揮[2-3]；另一方面，層合材料還存在一些力學限制，相比于傳統(tǒng)航空材料，層合材料雖然在材料比強度、比剛度方面有很大優(yōu)勢，但層間強度低、抗沖擊性能和耐疲勞性較差，阻礙了其在具有較高層間剪切應力的厚壁結(jié)構(gòu)中的應用；同時，層合材料受到?jīng)_擊載荷后會出現(xiàn)目測不可見的分層，造成了結(jié)構(gòu)安全隱患，雖然可以通過改善樹脂性能和無損檢測等方式消除這一隱患，但這又導致了成本的進一步上升并伴隨有制造成型問題。

為克服上述層合材料的應用限制，近30年來，部分學者關(guān)注三維復合材料的研究，試圖推動復合材料的進一步發(fā)展。目前，纖維紡織預成型是三維復合材料增強相空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)織造的主要方式。紡織預成型體是三維復合材料的骨架，在與基體復合前，利用紡織技術(shù)將增強纖維定位分布，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨后與基體復合得到三維復合材料。已有研究表明，采用三維織物增強的樹脂基復合材料的沖擊損傷面積是二維織物層合復合材料的1/10[4]；三維編織復合材料的拉、壓、剪性能普遍高于典型多向?qū)雍习錥5]。

用于復合材料預成型體制備的三維紡織技術(shù)主要包括三維編織技術(shù)、三維機織技術(shù)、三維針織技術(shù)和縫紉技術(shù)。本文以三維編織為對象，著重闡述“三維編織是什么（What）”、“三維編織怎么設計（How）”、“為什么要用三維編織（Why）”及“三維編織用在哪里（Where）”這幾個問題，旨在為工程實際應用提供一種新思路，探究復合材料在航空航天領域進一步應用的可能。而鑒于幾種紡織結(jié)構(gòu)材料細觀結(jié)構(gòu)及成型方式的相似性，本文提到的部分問題也可為其他幾種紡織復合材料的研究提供參考。

三維纖維預制體編織工藝及其對復合材料性能影響

20世紀80年代以來，三維編織技術(shù)及三維編織復合材料的應用得到迅速發(fā)展。由于這種編織形式可以編織幾乎任何種類的纖維，特別是隨著航空航天等高端技術(shù)領域?qū)Ω咝阅懿牧系男枨?，誕生出了各種異型三維編織預型件及其與各種基體復合而成的三維編織復合材料。目前，三維編織預型件的纖維種類已發(fā)展到幾乎所有種類的高性能纖維，如碳纖、玻纖、石英、金屬、芳綸、碳化硅、氮化硅、UMPE，甚至光纖、壓電、磁性伸縮等功能材料。由三維編織預型件制成的三維編織復合材料的基體也包括樹脂、碳、陶瓷、金屬，甚至可生物吸收和降解的材料。隨著材料科學技術(shù)及工藝的進一步發(fā)展，相信未來纖維和基體的選材還會進一步豐富，所制成的三維編織復合材料的應用也會越來越廣泛。

1 編織工藝及設備

圖1 層合復合材料結(jié)構(gòu)件Fig.1 Typical aerospace structures of laminate composite

圖2 三維復合材料結(jié)構(gòu)件Fig.2 Structures of 3D composite

三維編織預型件的制作是三維編織復合材料制備的基礎，而且預型件的性能（也包括制作方法和工藝）從根本上決定了所制成的復合材料的性能。目前，按驅(qū)動方式的不同，三維編織方式主要包括縱橫步進法編織和旋轉(zhuǎn)法編織?？v橫步進編織設備[6-7]包括二步法和四步法（見圖3（a）和（b）），主要是以氣動部件的直線運動驅(qū)動攜紗器錠子在編織臺面上橫縱交錯，實現(xiàn)紗束的空間交織，這種設備相對較小，能夠編織較大尺寸的預制件，但設備運行速度低；旋轉(zhuǎn)法編織設備[8-9]（見圖3（c）），主要以電機旋轉(zhuǎn)運動驅(qū)動齒輪組運動，從而帶動攜紗器錠子在編織臺面上交錯運動，這種設備相對較大，只適用于較小尺寸預制件的編織，但是驅(qū)動方式簡單、運行速度快，能有效降低制件成本。

按照編織臺面區(qū)分，三維編織設備由包括矩型編織機和圓型編織機（圖4）。矩型編織臺面以矩型或矩型組合為主，如圖4（a）[10]、（c）所示，通過編織臺面模塊的組合可以織造工字型、T型、L型等截面形狀的預制件，但編織過程需要打緊工藝，這一工序需要人工完成；圓型編織（包括3D和2.5D等）如圖4（b）[10]、（d）、（e）所示，臺面以環(huán)型為主，通過編織行列數(shù)改變與不同心模可以織造復雜編織結(jié)構(gòu)，這種編織機機械結(jié)構(gòu)相對復雜，但是設備自動化程度高、編織過程無人工干預，能夠有效降低制件成本。

2 細觀結(jié)構(gòu)

圖3 編織機形式Fig.3 Braiding machine

被不同編織設備織造出的三維編織預制件，其細觀結(jié)構(gòu)有所不同，而紗線編織取向與各方向參與編織的紗線比例的變化也影響最終預制件的細觀編織結(jié)構(gòu)。通過改變掛紗方式，三維四向、五向、六向、七向及更多向[11-12]的預型件，包括圓形和矩形都相繼得以實現(xiàn)。

以三維四步法為例，圖5展示了三維四向、五向、六向和七向預制件的細觀紗束交織結(jié)構(gòu)，其中五向又分為五向和全五向結(jié)構(gòu)。圖5中綠色紗束為編織紗，編織紗具有4個方向的取向，因此稱為三維四向，如圖5（a）所示；三維五向結(jié)構(gòu)增加了沿編織方向的軸向紗，如圖5（b）所示；三維六向結(jié)構(gòu)及三維七向結(jié)構(gòu)分別增加了垂直于編織方向的兩種取向的紗束，如圖5（c）、（d）所示。三維編織復合材料中增強纖維的細觀紗束結(jié)構(gòu)由編織方式和編織參數(shù)決定，這體現(xiàn)了三維編織復合材料豐富的可設計性。

3 力學性能

一般而言，復合材料的宏觀力學性能源于各組分材料的貢獻，想要提高某一個或幾個方向（方面）的性能，通常要提高該方向增強相的比例，但同時會犧牲其他方向（方面）的性能。層板復合材料的面內(nèi)性能較高，是以層間剪切和剝離性能差為代價的，三維復合材料為增強面外性能，使纖維結(jié)構(gòu)空間三維化，而這些纖維對面內(nèi)性能的貢獻就會相應降低。三維四向、三維五向、三維六向和三維七向等纖維結(jié)構(gòu)為三維編織復合材料各方向材料性能的設計提供了可能。同時，對于這類復合材料而言，編織參數(shù)也直接影響材料的力學性能。總體上，編織角、花節(jié)高、纖維體積含量是影響材料性能的主要參數(shù)，已有研究結(jié)果顯示，材料的軸向剛度隨編織角的增加而下降，隨花節(jié)高和纖維體積含量的增加而提高，見表1[13-17]。

圖4 矩型編織機與圓型編織機Fig.4 Rectangular braiding & circular braiding

圖5 四步法細觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of 3D-braided composite

表1給出了三維編織復合材料的軸向基本力學性能。其中三維四向編織復合材料軸向剛度一般不超過100GPa（文獻[17]中數(shù)據(jù)為玻纖/環(huán)氧），低于二維層板主方向上剛度（一般可達到130GPa以上）；三維五向與三維全五向結(jié)構(gòu)，由于增加了軸向紗，相比于三維四向結(jié)構(gòu)，軸向剛度及強度有較大提高；三維全五向比三維五向進一步增加了軸向紗比例，因此軸向拉伸剛度和拉伸強度都達到最高，但壓縮強度的提高并不明顯，除了纖維本身壓縮強度較低這一原因以外，還與其結(jié)構(gòu)中軸向紗直線度不高有關(guān)。三維編織復合材料的力學性能中的切邊問題，也是工程應用中需要重要考慮的方面。復合材料后續(xù)加工和表面磨損是常見問題，早期的研究表明當三維編織復合材料整體性受到破壞時，其力學性能會下降約40%～50%[18]。但近幾年的研究表明，通過增加軸向紗比例（全五向編織）的方法，三維編織復合材料切邊后剩余強度可以得到有效提高，下降約15%～25%[19]。

三維編織復合材料力學分析模型研究現(xiàn)狀

針對三維編織復合材料力學性能的理論研究涉及材料工藝、力學測試、材料力學、損傷斷裂力學、復合材料力學、計算力學和有限元分析等多個方面。在過去20年中，針對不同編織材料（碳/環(huán)氧，碳/陶瓷，碳/碳，玻璃纖維/環(huán)氧）的三維矩型編織復合材料的力學分析模型已得到較好的發(fā)展，其主要可以分為兩大類。

1 早期簡化分析模型

此類模型把材料看作空間多向紗束的組合體，如用于均勻化方法計算的FGM（fabric geometry model）模型，這類模型在材料剛度性能的預報方面已較為完善。Ko等[20]根據(jù)紗線在三維編織體中的走向，首先對三維編織體建立了簡單的單胞模型，提出了單胞模型紗線方向角的概念。Miravette等[21]建立了紗線簡化為細桿并在中心相交的模型；Yang等[22]提出了將各個方向的纖維束視為層板的纖維傾斜模型；Wu[23]根據(jù)纖維在預型件中不同位置的走向差異提出了三細胞模型；Jiang等[24]基于Miravette模型，經(jīng)過改進形成螺旋線模型。這些均是早期的一些均勻化模型。而近幾年發(fā)展的Binary Model和Spring Model[25]（圖6（a）），將增強纖維簡化為解析單元（桿、梁、彈簧等），這種半解析的分析模型能夠有效減少宏觀結(jié)構(gòu)有限元的計算代價。此類模型結(jié)合均勻化方法，已被用于材料剛度預報[25]、結(jié)構(gòu)屈曲分析[26]、結(jié)構(gòu)沖擊[27]等問題的研究。

2 有限元分析模型

這類模型分別考慮了復合材料的兩相或多相，成為后來用于有限元方法仿真計算的主流單胞幾何模型。它分別考慮復合材料兩相，并考慮了兩相界面上復雜的接觸問題，這樣建立的有限元模型能夠更逼真地反映材料的細觀結(jié)構(gòu)，除了在剛度性能預報方面具有較高的精度，還在強度預測方面有較為理想的結(jié)果。劉振國等[28-29]較早提出了編織紗線的六邊形截面形狀假設，并將Miravette模型中的線狀無體積纖維發(fā)展成為具有一定體面接觸關(guān)系的實體，建立了“米”字型枝狀體胞模型，并應用此模型分析了三維編織復合材料的剛度性能。Chen等[30]基于紗線編織過程，建立了三維編織復合材料的細觀幾何分析模型。盧子興等[31]建立了考慮材料兩相接觸關(guān)系的單胞幾何模型，并結(jié)合有限元計算與試驗研究，能夠較為準確地對材料剛度性能進行預報。Fang等[32]基于紗束截面八角形假設，建立了單胞幾何模型，并對其單胞模型進行了非線性漸進損傷分析。張超等[33]利用有限元法進行了三維編織復合材料力學性能的研究。李典森等[34]進行了三維五向編織材料的編織過程分析，建立了材料有限元分析模型。劉振國等[35-37]建立了三維全五向及三維圓型單胞幾何模型，并進行了模型有限元分析適用性的研究，得到了細觀單胞模型的應力分布。Zhou[38]等針對三維編織復合材料沖擊問題，建立了考慮紗束截面的管型結(jié)構(gòu)整體模型，并進行結(jié)構(gòu)橫向沖擊載荷下的力學仿真結(jié)果（圖6（b））。Bogdanovich等[39]利用粒子法處理紗束間界面及兩相界面的問題，該方法試圖避免復雜的界面建模問題，提出了一種可行的計算方法，但以粒子法仿真界面力學行為的物理依據(jù)還有待進一步研究。

表1 三維編織復合材料的力學性能

兩類力學分析方法各有優(yōu)缺點，宏觀均勻化方法主要用于材料剛度預報和結(jié)構(gòu)剛度問題分析，計算效率高，然而其將材料看作空間多向紗束的組合體，沒有考慮紗束界面的相互作用關(guān)系，無法得到材料細觀應力分布；細觀有限元方法主要用于材料細觀力學分析，在考慮細觀材料分布的精細化模型的基礎上，進行材料力學及傳熱分析，能夠得到較為精確的分析結(jié)果，但由于其涉及復雜的建模問題，且計算代價較高，很難應用于結(jié)構(gòu)層面的宏觀力學分析。目前，三維編織復合材料多尺度力學分析所面臨的問題也主要集中在如何建立合理的分級計算模型、如何平衡二者的計算代價和計算精度這一問題上。

三維編織復合材料廣闊應用前景

1 三維編織復合材料應用

三維編織復合材料的應用主要集中在航空航天領域，在替代傳統(tǒng)材料方面優(yōu)勢明顯突出。最主要的是抗分層、抗沖擊損傷，適合異型復雜截面制件的一次近凈形狀成型。在解決某些特殊問題時，三維編織技術(shù)始終發(fā)揮著不可替代的作用[40]。從實際應用情況看，三維編織復合材料主要作為先進的結(jié)構(gòu)材料、功能材料及結(jié)構(gòu)+功能材料。

（1）耐高溫、耐磨損功能性結(jié)構(gòu)。三維編織復合材料源于航空航天領域?qū)-C復合材料的需求，1970年就已經(jīng)在火箭發(fā)動機部件上得到了大量應用。三維編織適用于多種功能纖維的織造成型，因此多作為功能+結(jié)構(gòu)材料，主要應用包括：再入飛行器外層隔熱結(jié)構(gòu)（如導彈頭錐的碳/碳、碳/酚醛、碳/陶瓷等熱防護結(jié)構(gòu)），火箭發(fā)動機噴管，飛機發(fā)動機渦輪葉片、燃燒室內(nèi)襯、調(diào)整片等高溫結(jié)構(gòu)；石英/樹脂、石英/石英導彈天線罩透波功能結(jié)構(gòu)；剎車片、活塞發(fā)動機活塞環(huán)、氣閥等高溫摩擦、磨損結(jié)構(gòu)[41-43]及特殊環(huán)境中的耐磨和潤滑材料等。

圖6 三維圓型編織復合材料力學分析Fig.6 Mechanical analysis of 3D circular braided composite

（2）高性能、復雜受力連接結(jié)構(gòu)。隨著研究的深入，樹脂基三維編織復合材料也得到了廣泛應用。三維編織結(jié)構(gòu)中纖維之間彼此互鎖，整體結(jié)構(gòu)中纖維連續(xù)無間斷且直線度較高，并且三維編織纖維結(jié)構(gòu)具有在整個結(jié)構(gòu)中均勻分布載荷的承載機制，因此更適用于制造具有復雜承載要求的結(jié)構(gòu)件，包括耳片接頭、多通管接頭、異型高載荷結(jié)構(gòu)件、高性能復合材料桿件、管件、一體化旋翼、螺旋槳、飛機直升機起落架、傳動軸等[39,43-48]，還有可能用于槍炮身管、電磁軌道炮彈等。

（3）抗沖擊、抗疲勞結(jié)構(gòu)。三維編織預制件本身具有貫穿厚度方向的纖維，這一特點顯著提高了材料厚度方向性能，不存在材料分層問題[49]。在相同面密度條件下，與其他增強結(jié)構(gòu)相比，三維編織結(jié)構(gòu)具有極高的抗侵徹能力，高的損傷后剩余剛度、強度和結(jié)構(gòu)完整性，能顯著提高抗彈傷能力、帶傷生存力和抗墜損能力。三維編織復合材料的這一特點使其在防彈裝甲、頭盔，武裝直升機旋翼、傳動軸，航空發(fā)動機包容性機匣、冷端風扇葉片、定子葉片，月球、火星軟著陸系統(tǒng)等抗沖擊載荷結(jié)構(gòu)中得到應用[43，50-51]。

（4）特殊結(jié)構(gòu)形式。目前，層合材料在復雜結(jié)構(gòu)成型時，容易出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，許多結(jié)構(gòu)形式無法一體成型，而編織材料具有很好的尺寸適應性，能夠反復擴張和收縮，以適應不同的芯模（均勻橫截面形式、變截面形式、軸向大曲率彎曲形式等），就像緊身衣能很好貼合人體表面一樣。因此，一些特殊結(jié)構(gòu)形式復合材料結(jié)構(gòu)需要編織成型工藝，包括大曲率機身框，先進進氣道，直升機旋翼、長桁，型材填料，民機弦窗框等[41-43]。

（5）低成本結(jié)構(gòu)件。隨著編織技術(shù)和編織設備的進一步發(fā)展，編織復合材料的生產(chǎn)效率大幅度提高，尤其對于管型編織結(jié)構(gòu)，因此將來在民用領域的應用會更加廣泛和多樣，包括各種高承載結(jié)構(gòu)接頭，自行車架及零部件，汽車傳動軸、前后橋、吸能管、縱梁、彈簧等高動載荷易受沖擊部件，生物組織工程支架、骨修復組織、人工韌帶，智能機械中的人工肌肉、輕質(zhì)高剛高強機械臂、高速壓輥、傳動軸等。

2 應用中存在的問題

雖然國內(nèi)外開展的關(guān)于三維編織復合材料工程應用的研究項目及成果眾多，但其始終未能得到大范圍普及應用。在航空航天應用中，所有的部件及零件均需要通過測試和檢驗程序，其中包括溫度限制、力學試驗等環(huán)節(jié)。為了減輕結(jié)構(gòu)重量，這些測試幾乎都達到了材料的使用極限。然而，目前三維編織復合材料生產(chǎn)過程還很難滿足這樣的應用標準。主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）制件成本高，周期長。由于目前技術(shù)水平的限制，三維編織機的開發(fā)成本相對較高，且難以適應任意形狀預制件的自動化制作，人工干預較多，導致人力成本高、生產(chǎn)周期長，難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。另一方面，由于成本高，使其需求總量減少，難以規(guī)模化、工業(yè)化生產(chǎn)，這一原因也制約了相關(guān)技術(shù)的提升，導致成本居高不下。

（2）制件尺寸小，成型質(zhì)量離散性大。由于技術(shù)和成本等因素，目前的編織機絕大多數(shù)只能生產(chǎn)小尺寸、小截面預型件，僅有的少量自研自用的大型化編織設備，或成本極高，或自動化程度很低，導致生產(chǎn)工期長，工藝質(zhì)量難以控制。

（3）某些性能難以滿足工程需求。從性能上來看，目前的三維編織復合材料的各方向性能（除了層間性能以外）與常規(guī)的二維材料的面內(nèi)性能有差距，但可設計性強，需加強工藝及性能研究。

（4）目前，國內(nèi)關(guān)于三維編織復合材料結(jié)構(gòu)的應用研究主要是通過“等代設計”的方法進行，即將現(xiàn)有金屬結(jié)構(gòu)件替換成復合材料結(jié)構(gòu)件，而很多基于金屬材料或?qū)雍喜牧显O計的結(jié)構(gòu)形式并不適于三維編織材料的成型與承載特點，導致三維編織結(jié)構(gòu)件尺寸難以滿足應用需求，或者結(jié)構(gòu)性能得不到充分發(fā)揮。

結(jié)論

隨著三維編織復合材料應用研究的逐漸深入，業(yè)界及有識之士逐漸認識到了三維編織復合材料的優(yōu)越性和獨特性，這為該材料的推廣應用提供了良好的基礎，通過國家的扶持和各部門的不斷投入，材料的應用范圍逐步加大。為了突破材料應用中的相關(guān)挑戰(zhàn)與限制，編織工藝及自動化編織設備、編織材料細觀結(jié)構(gòu)和三維編織復合材料結(jié)構(gòu)件設計是未來研究的重要方面。本文首先介紹了三維編織復合材料成型工藝及其力學性能；然后，概述了目前三維編織復合材料力學仿真方法的研究現(xiàn)狀及其結(jié)構(gòu)的設計方法，為工程設計人員提供參考；最后，論述了三維編織復合材料應用所面對的問題，并討論了三維編織材料優(yōu)勢及其對結(jié)構(gòu)性能可能的改善和應用領域擴展，為今后材料的應用研究指明了方向。

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