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(xiàn)）編織成一個(gè)整體，即為預(yù)成型結(jié)構(gòu)件（簡(jiǎn)稱(chēng)“預(yù)制體”），然后以預(yù)制體作為增強(qiáng)材料進(jìn)行樹(shù)脂浸漬固化而形成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。由于增強(qiáng)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(kuò)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(shí)際需要設(shè)計(jì)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(kāi)孔結(jié)構(gòu)的制造等，因而經(jīng)濟(jì)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(jì)性強(qiáng)，可通過(guò)改變編織方式、編織角、紗線(xiàn)密度等參數(shù)滿(mǎn)足某些特定的工程需求?；谝陨细鞣N優(yōu)勢(shì)，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(xì)觀模型的研究進(jìn)展

三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究始于20世紀(jì)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(jiǎn)單的等效理論的范疇。

20世紀(jì)90年代以后，數(shù)值仿真能力得到大大提高，人們開(kāi)始對(duì)三維編織復(fù)合材料的成型、編織程序、紗線(xiàn)在編織過(guò)程中的走向等進(jìn)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(zhǔn)確地分析了紗線(xiàn)相互作用和橫截面的變形情況，并對(duì)比了拓?fù)淠Ｐ秃蛿?shù)字化方法預(yù)測(cè)材料微結(jié)構(gòu)的差異，在此2種模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用體積平均法計(jì)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(xué)性能，用拓?fù)淠Ｐ陀?jì)算得來(lái)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(guó)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(kāi)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(shí)驗(yàn)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(xì)觀結(jié)構(gòu)角度對(duì)此模型進(jìn)行了驗(yàn)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(xué)分析模型，計(jì)算出其等效彈性參數(shù)，與實(shí)驗(yàn)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(jì)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(xì)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(jiǎn)單的單胞到復(fù)雜的多胞體模型的發(fā)展歷程，不斷改進(jìn)的理論使得細(xì)觀結(jié)構(gòu)的模擬更加貼近實(shí)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(xué)性能，人們開(kāi)始轉(zhuǎn)入復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及新編織工藝的開(kāi)發(fā)上。最近10年中，專(zhuān)門(mén)探討細(xì)觀幾何模型的文獻(xiàn)較少，國(guó)外開(kāi)始進(jìn)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(lèi)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(píng)估材料因編織參數(shù)變化而導(dǎo)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(gè)包含樹(shù)脂包裹纖維單一元素的層的組合。新模型的公式表達(dá)方法是先把胞體單元分成多層，再把每一層分層多個(gè)單一元素。新模型對(duì)于除Ez外的材料彈性剛度特性的預(yù)測(cè)都較之前的模型更加準(zhǔn)確，實(shí)際中，纖維和樹(shù)脂的波動(dòng)對(duì)此模型模擬的準(zhǔn)確性有著負(fù)面的影響。

二、宏觀力學(xué)性能的研究進(jìn)展

三維編織復(fù)合材料宏觀力學(xué)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(xiàn)都是力學(xué)性能的理論研究與測(cè)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(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究主要是在測(cè)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(duì)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(qiáng)度受軸向紗錯(cuò)排的影響非常明顯，而受偏軸紗錯(cuò)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(gè)方面的影響，即總的纖維體積分?jǐn)?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(gè)方向上的平直度和整齊性。Pazmino對(duì)3TEX公司制備的三維編織復(fù)合材料通過(guò)Micro-CT對(duì)浸漬質(zhì)量和材料內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察和評(píng)價(jià)，并且進(jìn)行了編織方向的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸強(qiáng)度和拉伸-拉伸疲勞試驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了500萬(wàn)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(xiàn)，通過(guò)對(duì)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(shí)，Pazmino分析了材料的剩余力學(xué)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(xiàn)、初始彈性模量曲線(xiàn)、極限抗拉強(qiáng)度曲線(xiàn)，在經(jīng)過(guò)500萬(wàn)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(qiáng)度曲線(xiàn)變化很小。

國(guó)內(nèi)到20世紀(jì)90年代末才開(kāi)始出現(xiàn)相關(guān)的研究報(bào)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(duì)三維多向編織復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)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(xiàn)均呈雙線(xiàn)性特點(diǎn)，加入軸向非編織纖維使得材料的拉伸強(qiáng)度、剛度和彎曲強(qiáng)度、剛度得到了提高。孫慧玉等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)比了受切割和未切割纖維對(duì)于試件側(cè)邊拉伸應(yīng)變的影響，同時(shí)對(duì)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(jìn)行了研究，得到一個(gè)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(gè)意義上說(shuō)，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(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，得到了影響編織復(fù)合材料力學(xué)性能的最重要因素是它的編織角的結(jié)論，認(rèn)為加入軸向纖維的五向編織材料的變形和失效模式會(huì)發(fā)生改變，其基體材料更趨向于脆性破壞；接著對(duì)三維四向編織復(fù)合材料進(jìn)行了壓縮測(cè)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(jī)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(gè)臨界值，當(dāng)編織角大于該臨界值時(shí)，三維編織復(fù)合材料的縱向壓縮破壞呈現(xiàn)非線(xiàn)性的塑性特征，而當(dāng)編織角小于該臨界值時(shí)，三維編織復(fù)合材料的縱向壓縮破壞呈現(xiàn)線(xiàn)性的脆性特征。

Fang[13]研究了紡線(xiàn)的扭曲變形對(duì)三維四向編織復(fù)合材料的影響，認(rèn)為加捻紗線(xiàn)的扭轉(zhuǎn)角對(duì)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(xiàn)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(qiáng)度都隨紗線(xiàn)扭轉(zhuǎn)角的增大而減小，在扭轉(zhuǎn)角小于9.5°時(shí)，45°編織角的材料單向拉伸強(qiáng)度較30°的下降快，而扭轉(zhuǎn)角大于9.5°時(shí)，下降速度相反。

Yu[14]利用雙尺度法對(duì)4步法三維編織復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，并得到了編織角與纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料拉伸、彎曲以及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的影響趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，雙尺度法的預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著編織角增大，拉伸和彎曲強(qiáng)度下降，并逐漸接近基體強(qiáng)度，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度先增大后減小，故最優(yōu)編織角選擇在扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的最大位置處，且當(dāng)編織角較?。?0°以下）時(shí)，其拉伸、彎曲強(qiáng)度隨纖維體積分?jǐn)?shù)增大而增大，當(dāng)編織角較大接近40°時(shí)，在某一最優(yōu)纖維體積分?jǐn)?shù)處，拉伸、彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大，在編織角小于48°時(shí)，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度隨著纖維體積分?jǐn)?shù)以及編織角的增大而增大，受纖維體積分?jǐn)?shù)的影響更為明顯。

Sun[15]為研究力學(xué)性能和頻率響應(yīng)之間的關(guān)系，用Z變換法討論了在準(zhǔn)靜態(tài)（MTS材料試驗(yàn)系統(tǒng)）和高應(yīng)變率狀態(tài)下（SHPB設(shè)備）三維機(jī)織復(fù)合材料的面內(nèi)和面外2個(gè)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(xué)性能對(duì)于材料的工程應(yīng)用有著重大的意義，但是由于實(shí)驗(yàn)室條件等方面的原因，這一方面的研究相對(duì)較少，而且研究的共性不大。

沈懷榮采用輕氣炮對(duì)三維整體編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行了高速對(duì)稱(chēng)碰撞實(shí)驗(yàn)和彈丸穿靶實(shí)驗(yàn)，雖然沒(méi)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(yàn)的方法。李典森等[16]研究了多個(gè)編織參數(shù)對(duì)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(shí)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(duì)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(yàn)中，編織角大的三維編織復(fù)合材料易損傷。此外，Li等[18]簡(jiǎn)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(diǎn)。為計(jì)算復(fù)合材料內(nèi)編織紗線(xiàn)的剩余長(zhǎng)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(yàn)表明，樣品寬度方向的切割對(duì)材料剛度、強(qiáng)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(jìn)行彎曲試驗(yàn)?zāi)Ａ拷档透?；?fù)合材料內(nèi)編織紗線(xiàn)的剩余長(zhǎng)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(jìn)行浸膠固化，直接形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，如樹(shù)脂傳遞模塑工藝（RTM）、樹(shù)脂膜滲透工藝（RFI）及真空輔助樹(shù)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(jī)骨架，機(jī)翼和機(jī)身蒙皮，飛機(jī)進(jìn)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(dá)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(jī)進(jìn)氣道的預(yù)制體，加強(qiáng)筋與進(jìn)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(dòng)性能，簡(jiǎn)化了裝配工序。直升機(jī)的起落架扭力臂和縱向推力桿已開(kāi)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片也已成功通過(guò)FOD試驗(yàn)，并將應(yīng)用于中國(guó)商飛C919等多個(gè)機(jī)型。在航天領(lǐng)域，高溫、燒蝕和高速?zèng)_刷的導(dǎo)彈頭錐、筒身，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)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(duì)于開(kāi)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(lèi)制件的整體性，減少二次加工量，并避免二次加工對(duì)復(fù)合材料零件的損傷。

四、結(jié)語(yǔ)

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(duì)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(xué)性能和耐久性等問(wèn)題，隨著技術(shù)的進(jìn)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(gè)熱門(mén)的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫慧玉.三維編織復(fù)合材料力學(xué)行為研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，28（1）：140-144.

[2] Sun Xuekun，Sun Changjie.Mechanical properties of three-dimensional braided composites[J].Composite Structures，2004，65：485-492.

[3 吳德隆，郝兆平.五向編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的分析模型[J].宇航學(xué)報(bào)，1993（3）：40-51.

[4] 韓其睿，李嘉祿，李學(xué)明.復(fù)合材料三維編織結(jié)構(gòu)的單元體模型[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1996，13（3）：76-79.

[5] 龐寶君，杜善義，韓杰才.三維四向編織復(fù)合材料細(xì)觀組織及分析模型[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1999，16（3）：135-139.

[6] Chen Dong，Chen Li，Sun Ying.Performance Analysis on Equivalent Elasticity of 3D 4-directional Braided Composites [J].Modern Applied Science，2007，1（4）：43-49.

[7] Lomov S V，Ivanov D S，Verpoest I，et al.Meso-FE modelling of textile composites：Road map，data flow and algorithms [J].Composites Science and Technology，2007，67：1870-1891.

[8] Bogdanovich A E.Advancementes in manufacturing and applications of 3-D woven preforms and composites [C].16TH International Conference On Composite Materials，2007.

[9] 李嘉祿，肖麗華，董孚允.立體多向編織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料性能的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1996，13（3）：71-75.

[10] 孫慧玉，吳長(zhǎng)春.紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1997，12（3）：335-340.

[11] 盧子興，馮志海，寇長(zhǎng)河，等.編織復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能的研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1999，16（3）：129-134.

[12] 盧子興，胡奇.三維編織復(fù)合材料壓縮力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2003，20（6）：67-72.

[13] Fang Guodong，Liang Jun，Wang Yu，et al.The effect of yarn distortion on the mechanical properties of 3D four-directional braided composites[J].Cmposites，2009，Part A（40）：343-350.

[14] Yu X G，Cui J Z.The prediction on mechanical properties of 4-step braided composites via two-scale method[J]. Composites Science and Technology，2007，67：471-480.

[15] Baozhong Sun，Bohong Gu.Frequency analysis of 3-d woven composite under static and impulsive compression[C]. 16TH International Conference On Composite Materials，2007.

[16] 李典森，李嘉祿，陳利，等.三維編織復(fù)合材料蠕變行為的試驗(yàn)[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2006，26（1）：76-80.

[17] 李嘉祿，楊紅娜，寇長(zhǎng)河.三維編織復(fù)合材料的疲勞性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2005，22（4）：172-176.

[18] Li Jialu，Jiao Yanan，Sun Ying，et al.Experimental investigation of cut-edge effect on mechanical properties of three-dimensional braided composites[J].Materials and Design，2007，28：2417-2424.