高性能復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強等特點，被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。復(fù)合材料主要由增強體和基體材料組成，其中增強體結(jié)構(gòu)決定著復(fù)合材料的最終力學(xué)性能。隨著復(fù)合材料性能要求不斷提高，其增強體的結(jié)構(gòu)由單向纖維增強發(fā)展到二維織物、三維織物增強，顯著提高了復(fù)合材料的面內(nèi)和面外性能。

三維織物增強體是高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)增強的高級形式。相繼發(fā)展的三維編織和三維機織等技術(shù)，為高性能復(fù)合材料提供了多樣化的增強結(jié)構(gòu)形式和大范圍可調(diào)節(jié)的纖維取向分布，可以實現(xiàn)材料性能的裁剪設(shè)計和復(fù)雜構(gòu)件的近凈尺寸成型。與單向和二維織物結(jié)構(gòu)相比，三維織物增強體具有纖維連續(xù)、結(jié)構(gòu)整體、不分層等特點，顯著提高了復(fù)合材料沿厚度方向的強度，及其抗沖擊、耐疲勞等性能，是高性能復(fù)合材料發(fā)展的前沿方向。近年來，以三維織物為結(jié)構(gòu)增強體的高性能復(fù)合材料在航空、航天、交通、能源等高新技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片、固體火箭發(fā)動機喉襯和擴散段等。

三維織物增強體是采用三維編織、三維機織等工藝制成的整體織物。典型的三維編織結(jié)構(gòu)包含了 4 組空間傾斜交織的紗線，稱為三維四向編織結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中可以通過引入伸直的軸向紗線來提高織物的軸向性能，獲得三維五向、三維六向和三維七向編織結(jié)構(gòu)（圖 1）。典型的三維機織結(jié)構(gòu)有兩種，一種包含了 3 組空間相互垂直相交的紗線，稱為正交三向機織結(jié)構(gòu)；另一種包含了兩組分別沿經(jīng)向和緯向排列且層間聯(lián)鎖交織的紗線，稱之為層間聯(lián)鎖機織結(jié)構(gòu)，或經(jīng)紗貫穿織物整個厚度，稱之為貫穿聯(lián)鎖機織結(jié)構(gòu)。典型的層間聯(lián)鎖機織結(jié)構(gòu)中多層經(jīng)紗和緯紗之間的交織規(guī)律為類平紋結(jié)構(gòu)，經(jīng)紗彎曲會導(dǎo)致材料經(jīng)向性能降低，因此可通過引入伸直的襯經(jīng)紗，提高織物的經(jīng)向性能，同時也可以將交織規(guī)律設(shè)計為類斜紋、類緞紋等結(jié)構(gòu)提高材料的經(jīng)向性能。各類三維機織增強體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖 1三維編織增強體結(jié)構(gòu)

圖 2 三維機織增強體結(jié)構(gòu)

三維織物增強體的紗線交織結(jié)構(gòu)由其織造工藝決定，其紗線截面形態(tài)、空間分布路徑等均受到織造工藝參數(shù)的顯著影響。因此，一種由工藝驅(qū)動的三維織物增強體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法得到了迅速發(fā)展。在該結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中，假設(shè)高性能纖維絲束由虛擬纖維絲構(gòu)成，每根虛擬纖維絲代表若干根真實的纖維單絲，且體積相同。每根虛擬纖維假設(shè)為一根柔性鏈，由微小纖維單元構(gòu)成，每個纖維單元由桿單元和空心梁單元組合而成。如圖3（a）所示，虛擬纖維絲組成虛擬紗線，通過模擬織造工藝過程形成虛擬織物。圖3（b）給出了三維機織物成型過程仿真及其虛擬織物結(jié)構(gòu)與試樣織物結(jié)構(gòu)的對比情況。通過對織造工藝過程的數(shù)值仿真，獲得了三維機織物的虛擬結(jié)構(gòu)，與真實織物的CT掃描圖對比可知，虛擬織物結(jié)構(gòu)中紗線排列、紗線路徑和截面形態(tài)等均準確地再現(xiàn)了試樣織物的真實交織結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)實織物的數(shù)值化高保真模型。采用同樣方法獲得了三維編織物的數(shù)值化高保真模型，如圖3（c）所示。

圖3 工藝驅(qū)動的三維織物增強體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

來源：紡織導(dǎo)報