武維莉 潘忠祥

摘要： 為了研究三維機(jī)織結(jié)構(gòu)參數(shù)與復(fù)合材料力學(xué)性能之間的關(guān)系，設(shè)計織造了4種不同結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織物，包括淺交直聯(lián)、層層角聯(lián)鎖、接結(jié)緯接結(jié)和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)，并分別將其制備成復(fù)合材料，通過材料試驗機(jī)探究所得復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)對拉伸、剪切性能的影響。結(jié)果表明：纖維體積分?jǐn)?shù)相同時，紗線的屈曲和紗線交織結(jié)構(gòu)決定了復(fù)合材料的拉伸性能及尺寸穩(wěn)定性。經(jīng)向上，淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料拉伸性能和尺寸穩(wěn)定性最佳，經(jīng)紗屈曲大的接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料拉伸性能和尺寸穩(wěn)定性最差；緯向上，接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料拉伸性能和離散性最差。對比2個方向的拉伸性能發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的緯向拉伸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)向拉伸性能?？椢锏慕豢椊Y(jié)構(gòu)決定了剪切性能及尺寸穩(wěn)定性，淺交直聯(lián)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)緊密，剪切模量最大，接結(jié)緯接結(jié)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)疏松，剪切模量最小，而剪切強(qiáng)度幾乎呈相反的規(guī)律。該研究明確了纖維體積分?jǐn)?shù)、紗線屈曲程度、織物交織結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸和剪切性能的影響，為三維機(jī)織復(fù)合材料的研究和應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞： 三維；機(jī)織復(fù)合材料；拉伸性能；剪切性能；尺寸穩(wěn)定性

中圖分類號： TS195.644

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1673-3851 （2024） 01-0063-11

引文格式：武維莉，潘忠祥. 結(jié)構(gòu)參數(shù)對三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸和剪切性能的影響［J］. 浙江理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2024，51（1）：63-73.

Reference Format： WU Weili， PAN Zhongxiang. The effect of structural parameters on the tensile and shear properties of 3D woven composites［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2024，51（1）：63-73.

The effect of structural parameters on the tensile and shear properties of 3D woven composites

WU Weili， PAN Zhongxiang

（College of Textile Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： ?To investigate the relationship between the parameters of 3DThree-dimensional（3D） woven structures and the mechanical properties of composites， four structures of 3D woven fabrics were prepared， including shallow cross-linked， layer-by-layer angle-interlock， "stitching weft" weft knitted and "stitching weft" weft knitted+ inserted weft structures. They were prepared into composites， and by using a material testing machine， the effects of structural parameters on tensile and shear properties of the composites were explored. The results show that with the same fiber volume fraction， the yarn crimp and the interlacing structure of yarns determine the tensile properties and dimensional stability of the composites. In the warp direction， the shallow cross-linked woven composites exhibit the most excellent tensile properties and dimensional stability， while the "stitching weft" weft knitted+ inserted weft reinforced composites with large warp crimp attain the worst tensile performance. In the weft direction， the structure "stitching weft" weft knitted reinforced composites still exhibit the worst tensile property and discreteness. Comparison of the tensile properties in both directions indicates that the tensile property of the composites in the weft direction is superior to that in the warp direction. The interlacing structure of the fabrics determines the shear properties and dimensional stability. The shallow cross-linked composites perform the highest shear modulus with a dense structure， while the "stitching weft" weft knitted composites with a looser structure result in a lowest shear modulus. However， the shear strength shows an almost opposite law. This study clarifies the effects of the structural parameters such as fiber volume fraction， yarn crimp degree， and fabric interlacing structure on the tensile and shear properties of 3D woven composites， providing reference for the research and application of 3D woven composites.

Key words： 3D; woven composites; tensile property; shear property; dimensional stability

0引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因具有較高的比強(qiáng)度、比模量以及較好的耐疲勞和耐腐蝕特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車、建筑等領(lǐng)域。由于層間或Z向紗的增強(qiáng)作用，三維機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的層間力學(xué)性能明顯優(yōu)于二維結(jié)構(gòu)［1-4］。Behera等［5］發(fā)現(xiàn)，三維機(jī)織復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗沖擊性、防刺穿及動態(tài)熱機(jī)械性能。Peerzada等［6］研究發(fā)現(xiàn)，三維機(jī)織結(jié)構(gòu)中Z向紗的存在使經(jīng)緯紗承擔(dān)的負(fù)荷減少，提升了復(fù)合材料的整體強(qiáng)度和剛度。Brandt等［7］發(fā)現(xiàn)，Z向紗明顯提高了復(fù)合材料的層間性能，其含量的增加使經(jīng)緯向的拉伸強(qiáng)度下降，但壓縮強(qiáng)度不受影響。Cox等［8］探究了三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸、壓縮和彎曲性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與二維復(fù)合材料相比，三維復(fù)合材料的面外性能增加，面內(nèi)性能有所降低。Ivanov等［9］認(rèn)為，三維復(fù)合材料的楊氏模量與二維復(fù)合材料接近，但在45°方向上，三維復(fù)合材料的最大應(yīng)力、應(yīng)變明顯高于二維復(fù)合材料。Potluri等［10］探究了三維復(fù)合材料的抗沖擊性能，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的三維復(fù)合材料的損傷面積和寬度相似，但遠(yuǎn)小于二維復(fù)合材料。

針對不同結(jié)構(gòu)的三維復(fù)合材料力學(xué)表現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者展開了相關(guān)研究。Saleh等［11］研究了3種不同結(jié)構(gòu)（正交結(jié)構(gòu)、層層角聯(lián)鎖和角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)）的三維機(jī)織復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的拉伸剛度與強(qiáng)度主要取決于經(jīng)紗和緯紗含量，而結(jié)構(gòu)類型的影響較小。其他學(xué)者也發(fā)現(xiàn)，織物結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料力學(xué)性能有重要影響。Behera等［5］探究了三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的材料，其拉伸強(qiáng)度在經(jīng)向上的大小排序為三維正交結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、經(jīng)向聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，而在緯向上則相反。Huang等［12］測試了4種玻璃纖維三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能，包括層與層綁定的正交結(jié)構(gòu)、完全正交結(jié)構(gòu)、角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)、改進(jìn)的角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)織物結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性有很大關(guān)系。Xu等［13］、Dai等［14］和Jiao等［15］探討了織物結(jié)構(gòu)對三維復(fù)合材料拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致富樹脂區(qū)不同，角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在經(jīng)紗方向上具有較大的拉伸模量和強(qiáng)度。Stig等［16］驗證了這一觀點，并且通過實驗發(fā)現(xiàn)三維復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度隨著紗線的屈曲增加呈現(xiàn)非線性下降，添加填充紗可以增加復(fù)合材料的力學(xué)性能。

上述工作探究了三維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與力學(xué)性能之間的關(guān)系，但是三維機(jī)織結(jié)構(gòu)種類繁多，設(shè)計人員須根據(jù)使用工況選擇合適的織物結(jié)構(gòu)。然而，目前三維機(jī)織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系研究不夠充分，影響了對其力學(xué)性能可靠性的評估。本文設(shè)計織造了4種不同結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織物，包括淺交直聯(lián)、層層角聯(lián)鎖、接結(jié)緯接結(jié)和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)，并分別將其制備成復(fù)合材料，對三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能和剪切性能進(jìn)行測試，分析了織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對復(fù)合材料的拉伸和剪切性能的影響。本文的研究結(jié)論為三維機(jī)織復(fù)合材料的設(shè)計和應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

1實驗部分

1.1實驗材料

碳纖維紗線（T700 12K，纖度 954.3 tex）購于日本東麗公司；環(huán)氧樹脂（RTM3266）購于中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司；多綜眼多劍桿織機(jī)，自研。纖維和樹脂的基本參數(shù)見表1。

1.2實驗方法

1.2.1三維織物織造

本文設(shè)計了4種不同組織結(jié)構(gòu)的碳纖維三維機(jī)織結(jié)構(gòu)，包括淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)、層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)、接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)，在多綜眼多劍桿織機(jī)上完成織造。三維織物實物照片及沿織物經(jīng)向的截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中：結(jié)構(gòu)示意圖中綠色橢圓點代表緯紗，白色屈曲的紗線代表經(jīng)紗；白色實線表示觀察切面上的經(jīng)紗，而虛線則表示交織著的相鄰經(jīng)紗。上機(jī)織造及織物參數(shù)見表2，織物的上機(jī)圖如圖2所示。

1.2.2復(fù)合材料的制備

實驗采用樹脂傳遞模塑成型工藝（Resin Transfer Molding， RTM）制作復(fù)合材料，其工藝過程及原理如圖3所示。首先在預(yù)設(shè)厚度的模具內(nèi)放置三維織物，閉合模具并灌注樹脂，然后在常溫條件下固化，制備復(fù)合材料。

在成型過程中，固定的模腔深度導(dǎo)致4種三維機(jī)織復(fù)合材料的厚度一致，復(fù)合材料的厚度均為8.30 mm。由于織物平方米質(zhì)量不同導(dǎo)致復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)（Fiber volume fraction， Vf）有所區(qū)別，4種三維復(fù)合材料的Vf見表3。

1.3測試與表征

1.3.1復(fù)合材料的拉伸性能測試

采用材料實驗機(jī)（Instron 5940，美國Instron公司）測試復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向性能，測試方法采用ASTM D3039/D3039M-08 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials。經(jīng)向拉伸采用矩形長條試樣，示意圖如圖4（a）所示。由于緯向紗線伸直度高，斷裂失效容易發(fā)生在試樣兩端，因此緯向拉伸試樣設(shè)計成狗骨形狀，示意圖如圖4（b）所示。實驗時首先調(diào)節(jié)拉伸夾具的標(biāo)距，設(shè)為150 mm，安裝試驗件，然后連接應(yīng)變片和數(shù)采系統(tǒng)。為了使夾具夾緊試樣，對夾具施加一定的預(yù)加張力（緯向拉伸為3 kN，經(jīng)向拉伸2 kN），拉伸速度設(shè)定為2 mm/min。每種結(jié)構(gòu)測試5個樣品。

1.3.2復(fù)合材料的剪切性能測試

剪切測試采用ASTM D5379/D5379M-12 Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method，測試試樣示意圖和夾具實物照片如圖5所示。實驗時把試樣放置在V型切口剪切夾具內(nèi)部，將夾具安裝到材料試驗機(jī)的壓縮盤上，調(diào)節(jié)上壓盤靠近夾具的壓桿上，設(shè)定測試速度為2 mm/min。根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)，在剪切應(yīng)變大于5%時，試樣視為破壞，測試終止。每種結(jié)構(gòu)測試5個樣品。

1.3.3試樣編號

測試前對實驗試樣進(jìn)行系統(tǒng)性地編號，定義4種復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸性能（編號“-TJ”）和緯向拉伸性能（編號“-TW”）、剪切性能（編號“-S”），每種結(jié)構(gòu)測試5個試樣，其編號分別是No.1、No.2、No.3、No.4、No.5。4種織物結(jié)構(gòu)（淺交直聯(lián)、層層角聯(lián)鎖、接結(jié)緯接結(jié)接、接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗）的編號分別是01、02、03、04。例如，淺交直連復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸5個試樣測試編號分別是01-TJ-No.1、01-TJ-No.2、01-TJ-No.3、01-TJ-No.4、01-TJ-No.5，測試試樣的具體編號見表4。

2結(jié)果與討論

2.1織物結(jié)構(gòu)分析

本文設(shè)計織造的4種組織結(jié)構(gòu)中經(jīng)緯紗的交織規(guī)律不同，其中三維織物淺交直聯(lián)和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)相似，而接結(jié)緯接結(jié)和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)更為相似。相對于接結(jié)緯接結(jié)，接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗在緯向上又添加了額外的襯緯紗，使得緯紗含量有所增加。三維機(jī)織結(jié)構(gòu)在厚度方向上形成多層的經(jīng)緯紗交織，相比二維機(jī)織物，三維機(jī)織結(jié)構(gòu)層間性能更佳，作為復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢。

織物的交織程度決定了結(jié)構(gòu)的緊密程度，也影響了力學(xué)性能的穩(wěn)定性。紗線交織點越多，形成的織物結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，紗線自由度小，受到載荷時材料的力學(xué)性能越穩(wěn)定。以淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)為例，在織造打緯時，經(jīng)紗每橫跨兩根緯紗交織形成扣鎖一次，即在1、3、5列緯紗處形成緊密的交織結(jié)構(gòu)，如圖6所示。在織造2和4列緯紗時，經(jīng)紗只發(fā)生上下移動形成梭口用來添加緯紗，而不會施加較大的力鎖緊紗線。同理，對于層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，織造每一根緯紗都會交織扣緊一次，使得織物結(jié)構(gòu)變得緊密。定義圖6中1至3列的緯紗隔距為打緯交織寬度T。T越小，紗線交織次數(shù)越多，織物結(jié)構(gòu)越緊密；T越大，經(jīng)紗及緯紗受到的束縛越小，織物結(jié)構(gòu)越疏松。4種結(jié)構(gòu)的打緯交織寬度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表5。

2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)對三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能的影響

2.2.1經(jīng)向拉伸性能

三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖7可知：4種復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)不同，隨著應(yīng)變增加，淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，復(fù)合材料表現(xiàn)出線彈性的材料屬性；而接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力在應(yīng)變較小時呈線性增加，但是隨著應(yīng)變的增大，拉伸應(yīng)力增長速度減緩，即拉伸模量（應(yīng)力/應(yīng)變）呈下降的趨勢。分析經(jīng)向拉伸離散性，發(fā)現(xiàn)：淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸一致性最好，表現(xiàn)為5個試樣的拉伸曲線離散程度小。相反，接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸離散程度大，即尺寸穩(wěn)定性不佳，這與織物交織結(jié)構(gòu)有關(guān)。

三維機(jī)織結(jié)構(gòu)中的經(jīng)紗由于交織作用，紗線往往呈屈曲的狀態(tài)，且紗線的屈曲程度會影響拉伸方向上的力學(xué)性能。紗線的屈曲程度（C）可以采用式（1）計算：

圖74種三維機(jī)織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

C=ll0（1）

其中：l代表織物中紗線屈曲狀態(tài)下的跨距長度，l0代表紗線從織物中提取出來完全伸直的實際長度。

圖8顯示了紗線屈曲形成的紗線交織方式。表6匯總了4種三維復(fù)合材料的拉伸性能參數(shù)及經(jīng)紗屈曲情況。從表6可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)紗屈曲會影響復(fù)合材料的拉伸模量，接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)的紗線屈曲最高，模量最低。但是拉伸強(qiáng)度與紗線屈曲之間不具有明顯的規(guī)律，這可能需要同時考慮經(jīng)向上的紗線含量。

已有研究發(fā)現(xiàn)，三維機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系很大，經(jīng)緯向上的紗線含量直接影響復(fù)合材料的拉伸性能［17］。為了有效評估經(jīng)緯向上不同含量的三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能，對復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行歸一化處理，即將不同復(fù)合材料的拉伸性能統(tǒng)一轉(zhuǎn)換經(jīng)向或緯向上Vf為25%的等效拉伸性能。斷裂強(qiáng)度和抗拉模量的歸一化計算為：

σ′=σVf×25（2）

E′=EVf×25（3）

其中：σ′是纖維體積分?jǐn)?shù)為25%時的強(qiáng)度，MPa；σ為未歸一化轉(zhuǎn)換前的強(qiáng)度，MPa：E′為纖維體積分?jǐn)?shù)為25%時的模量，GPa；E為未歸一化轉(zhuǎn)換前的模量，GPa。

圖9為經(jīng)紗Vf歸一化處理后的4種復(fù)合材料拉伸模量、強(qiáng)度與經(jīng)紗屈曲的關(guān)系。由圖7可知，經(jīng)紗屈曲程度會影響復(fù)合材料的拉伸性能，當(dāng)經(jīng)紗Vf統(tǒng)一為25%后，經(jīng)紗屈曲程度越高，三維復(fù)合材料經(jīng)向拉伸性能越差。三維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸模量和強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)相似的規(guī)律，大小排序為淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。當(dāng)經(jīng)紗含量相同時，淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的紗線屈曲最?。–=1.083），拉伸時經(jīng)紗更容易發(fā)揮軸向上的力學(xué)優(yōu)勢，紗線強(qiáng)度利用率高，導(dǎo)致模量和強(qiáng)度達(dá)到最佳狀態(tài)。接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)紗屈曲最大（C=1.330），受力時經(jīng)紗強(qiáng)度利用率低，拉伸性能最差，且離散值最大。淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸離散度較小，尺寸穩(wěn)定性好，這與經(jīng)紗交織寬度相關(guān)。由表6的數(shù)據(jù)可知，淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的交織寬度最小，分別是2.34 mm和3.26 mm。較小的紗線交織寬度導(dǎo)致在織造打緯時受到的打緯力更大，紗線的交織次數(shù)更多，織物結(jié)構(gòu)更緊密，導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸離散性更小。相反，接結(jié)緯接結(jié)接結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的交織寬度較大，分別為6.92 mm和8.55 mm，導(dǎo)致織物結(jié)構(gòu)不夠緊密，拉伸模量和強(qiáng)度離散性大［18］。

圖10為Vf歸一化后，4種機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料經(jīng)向上的拉伸模量衰減情況，衰減速率大小排序為接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗相近、接結(jié)緯接結(jié)、層層角聯(lián)鎖、淺交直聯(lián)，這與經(jīng)紗的屈曲狀態(tài)和經(jīng)緯紗的交織情況有關(guān)。伸直的紗線對拉伸性能的貢獻(xiàn)大于屈曲的紗線［19］，紗線屈曲明顯的結(jié)構(gòu)，如接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，無法充分發(fā)揮纖維的力學(xué)優(yōu)勢，受拉時屈曲的紗線有伸直的趨勢；當(dāng)拉伸載荷增加，經(jīng)紗試圖伸直造成樹脂剪切破壞［20］，導(dǎo)致復(fù)合材料的失效，從而模量發(fā)生明顯的衰減。淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于經(jīng)紗屈曲小，拉伸時紗線伸直變形小，且經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)緊密，失效前拉伸模量一直保持穩(wěn)定不變。

2.2.2緯向拉伸性能

三維機(jī)織復(fù)合材料的緯向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖11所示。與經(jīng)向拉伸曲線有所不同，4種復(fù)合材料緯向的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈線性特征，表現(xiàn)出了線彈性的屬性。由于織造時的打緯運動，緯紗在織物中幾乎處于伸直狀態(tài)［19］，在緯向拉伸時，復(fù)合材料主要的變形來自于緯紗的拉伸和伸長，因此拉伸曲線呈線性特征。相比經(jīng)向拉伸行為，4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的5個試樣的緯向拉伸離散程度較小，拉伸曲線一致性好。其中，淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯向試樣拉伸離散性最小，接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的離散性最大。與經(jīng)向拉伸行為相似，這主要與織物結(jié)構(gòu)有關(guān)。

表7匯總了復(fù)合材料緯向上的拉伸性能，可以發(fā)現(xiàn)緯紗的屈曲程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于經(jīng)紗，與經(jīng)紗的屈曲規(guī)律相同，緯紗的屈曲大小排序從小到大的順序為：淺交直聯(lián)、層層角聯(lián)鎖、接結(jié)緯接結(jié)接、接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗。拉伸性能同時受到緯紗含量的影響，因此對緯紗含量進(jìn)行歸一化后，從而對比緯向上的拉伸性能。

圖12為Vf統(tǒng)一為25%后的緯向拉伸模量、強(qiáng)度。由圖12可知：當(dāng)Vf相同時，4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯向上的拉伸模量、強(qiáng)度呈現(xiàn)相似的規(guī)律，大小排序從大到小的順序為：接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。與經(jīng)向拉伸相同，淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖復(fù)合材料的緯向拉伸性能依然優(yōu)于接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，表明這兩種材料具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢。淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的緯紗屈曲小，且紗線交織寬度小導(dǎo)致交織次數(shù)多，織物結(jié)構(gòu)緊密，對緯紗的束縛張力大，緯向拉伸離散小。而接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)緯紗交織點少，紗線之間束縛少、自由度大，織物結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致緯向上的拉伸性能離散性大。

2.2.3經(jīng)向和緯向拉伸性能對比

圖13對比了4種復(fù)合材料在經(jīng)、緯方向上的拉伸性能。由圖13可知，Vf歸一化后，經(jīng)向上的拉伸模量和強(qiáng)度明顯低于緯向，這是由于緯紗伸直程度高于經(jīng)紗，受拉時緯紗能承受較大的載荷。經(jīng)紗由于屈曲大，不利于發(fā)揮碳纖維的力學(xué)優(yōu)勢，導(dǎo)致經(jīng)向上的拉伸模量較低。當(dāng)拉伸載荷增加時，經(jīng)紗有從屈曲到伸直的趨勢，但是此過程會導(dǎo)致紗線周圍的樹脂受到擠壓，造成剪切破壞，從而引起整個試樣迅速失效，因此經(jīng)向上的拉伸強(qiáng)度均低于緯向。

2.3結(jié)構(gòu)參數(shù)對三維機(jī)織復(fù)合材料剪切性能的影響

本文對4種三維機(jī)織復(fù)合材料的剪切性能進(jìn)行分析，剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖14所示。由圖14可知，4種復(fù)合材料的剪切曲線相似，初始受剪時，復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線彈性屬性，剪切應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加呈線性增加；隨著載荷的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入非線性階段，剪切應(yīng)力繼續(xù)增大但增長速度下降，即剪切剛度下降，直至強(qiáng)度達(dá)到最大后試樣失效。

復(fù)合材料施加剪切載荷時，當(dāng)剪切力較小時，材料中的紗線和樹脂同時受力，由于樹脂模量遠(yuǎn)低于碳纖維，樹脂首先發(fā)生變形。紗線受剪切力后由屈曲狀態(tài)伸直，交織處的經(jīng)緯紗逐漸鎖緊，當(dāng)載荷持續(xù)增大，鎖結(jié)處的紗線摩擦力增大直至無法承受載荷，此時交織的紗線發(fā)生滑移、抽拔、斷裂。樹脂的斷裂伸長率大，碳纖維斷裂前樹脂還未發(fā)生破壞，但是樹脂強(qiáng)度遠(yuǎn)低于碳纖維，碳纖維斷裂后樹脂迅速破壞，最后整個復(fù)合材料試樣失效［21］。

圖15顯示了4種復(fù)合材料的剪切性能及離散情況。由圖15可知，Vf相同時，淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的剪切模量最大，接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的剪切模量最小，而剪切強(qiáng)度幾乎呈相反的規(guī)律。淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)緊密，受剪切時復(fù)合材料不易發(fā)生變形，剪切模量最大，但這導(dǎo)致在紗線交織處容易形成應(yīng)力集中，試樣失效早［22］，剪切強(qiáng)度小。接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于經(jīng)緯紗的交織少、結(jié)構(gòu)疏松，受剪切時結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形，剪切模量小，但是疏松的結(jié)構(gòu)不易形成應(yīng)力集中，剪切失效發(fā)生晚，因此剪切強(qiáng)度最大。

與拉伸性能相似，接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的剪切離散值最大，尺寸穩(wěn)定性最差，而淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的剪切離散性最小，這與織物結(jié)構(gòu)中是紗線交織情況有關(guān)。接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中紗線交織寬度大，交織點少，紗線自由度大，受剪切時材料的失效位置具有較大的不確定性，離散度大；而淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)交織較為緊密、穩(wěn)定，受剪切時離散性最小。

3結(jié)論

為了研究三維機(jī)織結(jié)構(gòu)參數(shù)與復(fù)合材料力學(xué)性能之間的關(guān)系，本文設(shè)計制備了4種不同結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織復(fù)合材料，測試分析了復(fù)合材料的拉伸性能（經(jīng)向和緯向）和剪切性能，所得主要結(jié)論如下：

a）纖維體積分?jǐn)?shù)、紗線屈曲和紗線交織程度決定了三維復(fù)合材料的拉伸和剪切性能。Vf相同時，紗線屈曲導(dǎo)致拉伸性能下降，而交織結(jié)構(gòu)緊密會改善拉伸性能和離散性。

b）經(jīng)向拉伸時，4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸響應(yīng)和曲線離散性不同，但拉伸模量和強(qiáng)度呈現(xiàn)相同的規(guī)律，大小排序為淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、接結(jié)緯接結(jié)+襯緯紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。緯向拉伸時，4種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線彈性，且離散值小，這與緯紗屈曲小有關(guān)，同時緯向上的拉伸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)向。不管是經(jīng)向還是緯向上，淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸性能和離散性較小，而接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸性能最差，說明此結(jié)構(gòu)不具有優(yōu)勢。

c）4種復(fù)合材料的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性的特征?？椢镏薪?jīng)緯紗的交織結(jié)構(gòu)決定了剪切性能及離散性，其中淺交直聯(lián)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)緊密，剪切模量最大，接結(jié)緯接結(jié)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)疏松，剪切模量最小，而剪切強(qiáng)度幾乎呈相反的規(guī)律。

此研究明確了結(jié)構(gòu)參數(shù)對三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能和剪切性能的影響，對三維織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)性能優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用，為將來三維機(jī)織復(fù)合材料的工程化應(yīng)用提供借鑒和參考。

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（責(zé)任編輯：張會巍）

收稿日期： 2022-12-09網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-07-07網(wǎng)絡(luò)出版日期

基金項目： 國家自然科學(xué)基金面上項目（52075498）；浙江理工大學(xué)科研啟動基金（11152932612007）

作者簡介： 武維莉（1990-），女，安徽宿州人，講師，博士，主要從事復(fù)合材料方面的研究。