胡嘉彬 徐自立 余聯(lián)慶 劉海量

（湖北省數(shù)字化紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200）

三維編織碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及其應(yīng)用是近年研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-4]。運(yùn)用三維編織增強(qiáng)技術(shù)，將一定數(shù)量的碳纖維束分別從x、y、z軸編織成一個(gè)不分層的整體結(jié)構(gòu)——三維編織碳纖維增強(qiáng)體，再經(jīng)預(yù)處理后使之置于鋁合金熔體中壓力浸滲成型，可得到三維編織碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱為3D-CF/Al 復(fù)合材料）[3]。此類材料解決了單根碳纖維的排列控制問(wèn)題，克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料“分層”的固有缺點(diǎn)，同時(shí)纖維相互交織成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生一種網(wǎng)絡(luò)骨架式的耦合增強(qiáng)效應(yīng)，力學(xué)性能和某些物理性能可望得到極大提升，實(shí)現(xiàn)主承力結(jié)構(gòu)件和高功能制件的輕質(zhì)高強(qiáng)化的復(fù)合材料制造[5]。本文綜述了3D-CF/Al 復(fù)合材料宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的研究進(jìn)展，并提出了一種探尋其不同應(yīng)力狀態(tài)與編織結(jié)構(gòu)之間最優(yōu)力學(xué)協(xié)同關(guān)系的理論構(gòu)想，為該領(lǐng)域的研究提出新的方向。

1 3D-CF/Al 復(fù)合材料的力學(xué)性能

三維編織纖維作為材料增強(qiáng)體，廣泛用于增強(qiáng)高分子基的復(fù)合材料中。三維纖維增強(qiáng)金屬與增強(qiáng)樹(shù)脂相比，前者難度大得多。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型溫度一般不超過(guò)200 ℃，過(guò)程可控程度高，基體與纖維相容性好，一般不存在界面反應(yīng)問(wèn)題，甚至可不用施加壓力成型。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成型溫度必須超過(guò)金屬基的熔點(diǎn)，如鋁合金近750 ℃，成型結(jié)晶過(guò)程復(fù)雜，基體與纖維相容性差，一般需要施加壓力成型，關(guān)鍵是存在界面反應(yīng)造成結(jié)構(gòu)與性能惡化的問(wèn)題[6-10]。正因?yàn)槿绱耍沟眠B續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的發(fā)展受到制約。3DCF/Al 復(fù)合材料制備過(guò)程中需要解決纖維絲的團(tuán)聚問(wèn)題，使纖維絲之間能夠充分滲入基體金屬熔體，并使纖維絲有效分散，以便在受力過(guò)程中實(shí)現(xiàn)纖維與金屬基體的協(xié)同性應(yīng)力傳遞，提升復(fù)合材料的力學(xué)性能[11]。3D-CF/Al 復(fù)合材料中纖維絲的浸潤(rùn)分散性主要與制備工藝參數(shù)、碳纖維增強(qiáng)體的編織結(jié)構(gòu)有關(guān)[12]。

1.1 編織結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響

在制備工藝相同時(shí)，預(yù)制體編織結(jié)構(gòu)不同，制成的復(fù)合材料性能也不同。因此，研究不同碳纖維編織結(jié)構(gòu)對(duì)CF/Al 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響具有重要意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者董敬濤等[13]、胡銀生等[14]對(duì)淺交彎聯(lián)、淺交直聯(lián)和層聯(lián)3 種典型編織結(jié)構(gòu)的2.5D-CF/Al 復(fù)合材料分別進(jìn)行了經(jīng)向和緯向拉伸極限強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明織物結(jié)構(gòu)對(duì)2.5D-CF/Al 復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸性能有一定的影響，其中淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)的經(jīng)向拉伸強(qiáng)度可達(dá)到414.51 MPa；織物結(jié)構(gòu)對(duì)緯向拉伸強(qiáng)度影響不大。蘇里等[15]研究了經(jīng)/緯向碳纖維的比例對(duì)淺交彎聯(lián)2.5D-CF/Al 復(fù)合材料拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)/緯向纖維比為65%∶35%的淺交彎聯(lián)CF/Al復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最好。帥亮等[16]選用2.5D 淺交直聯(lián)、三維正交和三維五向3 種編織結(jié)構(gòu)（圖1）的CF/Al 復(fù)合材料進(jìn)行了壓縮力學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)織物結(jié)構(gòu)對(duì)CF/Al 復(fù)合材料的壓縮性能影響較大，其中2.5D 淺交直聯(lián)CF/Al 復(fù)合材料因其浸滲缺陷及其纖維排布方式問(wèn)題，壓縮強(qiáng)度最低，僅為99.8 MPa；三維正交CF/Al 復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度最高，達(dá)到417 MPa。馮景鵬等[17]對(duì)比分析了三維正交和三維五向CF/Al 復(fù)合材料在25 ℃、350 ℃、400 ℃時(shí)的剪切性能，發(fā)現(xiàn)三維正交CF/Al 復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度低于三維五向CF/Al 復(fù)合材料，特別是在室溫下，兩者剪切強(qiáng)度相差較大。蘭澤宇等[18]選用三維五向、三維正交、疊層穿刺和2.5D 淺交直聯(lián)4 種不同編織結(jié)構(gòu)的CF/Al 復(fù)合材料在350 ℃和400 ℃下進(jìn)行壓縮性能穩(wěn)定性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度由350 ℃升高到400 ℃時(shí)，2.5D 淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度下降幅度約為40.2%，高溫壓縮穩(wěn)定性較差；疊層穿刺結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度下降幅度約為4.0%，高溫壓縮穩(wěn)定性較好。賀辛亥等[19]研究了不同編織角（10°、20°和30°）的3D4-Cf/6061Al 復(fù)合材料的斷口形貌，發(fā)現(xiàn)隨著編織角增大，纖維在切向方向的分力增加、軸方向上應(yīng)力減小，纖維斷裂面的不平整度增加，纖維拔出現(xiàn)象增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著編織角的增大而變差。

圖1 3 種編織方式的細(xì)觀結(jié)構(gòu)[16]

上述研究表明，編織結(jié)構(gòu)對(duì)CF/Al 復(fù)合材料的力學(xué)性能影響主要集中在徑向拉伸、壓縮、剪切強(qiáng)度方面。其中，三維正交結(jié)構(gòu)由于各方向纖維束兩兩垂直，可以較好承受壓縮載荷；三維五向結(jié)構(gòu)中的軸向纖維束、與軸向纖維束有一定角度的4 種傾斜纖維束對(duì)承受剪切載荷發(fā)揮重要的承載作用。但對(duì)于在受載過(guò)程中，CF/Al 復(fù)合材料的界面損傷、斷裂失效機(jī)理和織物結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)等方面的細(xì)觀層面研究十分有限，有待深入開(kāi)展相關(guān)研究工作。

1.2 制備工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

1.2.1 制備工藝參數(shù)

3D-CF/Al 復(fù)合材料因碳纖維束中纖維絲之間團(tuán)聚緊密，與金屬熔體的潤(rùn)濕性很差以及兩者之間存在著嚴(yán)重的界面反應(yīng)，限制了金屬基復(fù)合材料的性能，使其制備、應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于樹(shù)脂基與陶瓷基復(fù)合材料。因此，為了合理控制界面反應(yīng)從而制備力學(xué)性能優(yōu)良的3D-CF/Al 復(fù)合材料，可以從制備工藝入手。

聶明明等[20]研究了纖維預(yù)熱溫度對(duì)3D-CF/Al復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著纖維預(yù)熱溫度越來(lái)越高，材料更致密，但界面會(huì)過(guò)度反應(yīng)生成大量Al4C3脆性相，降低纖維的增強(qiáng)作用，拉伸強(qiáng)度隨之降低，當(dāng)預(yù)熱溫度為500 ℃時(shí)，材料的平均拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高值777.8 MPa。從圖2 不同預(yù)熱溫度下的拉伸試樣斷裂后的斷口形貌可以觀察出，當(dāng)預(yù)熱溫度為600 ℃時(shí)，材料整體拉斷且沒(méi)有明顯纖維拔出現(xiàn)象，表明此時(shí)界面強(qiáng)結(jié)合。

圖2 不同預(yù)熱溫度下3D-CF/Al 復(fù)合材料的拉伸試樣斷口形貌[20]

寧志新等[21]的實(shí)驗(yàn)也表明，彎曲強(qiáng)度隨纖維預(yù)制體預(yù)熱溫度的升高先增加后減小，過(guò)高的預(yù)熱溫度將惡化界面結(jié)合，強(qiáng)度降低；針對(duì)浸滲溫度對(duì)3D5-CF6061Al 復(fù)合材料的彎曲性能影響進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)預(yù)熱溫度相同時(shí)，浸滲溫度上升會(huì)使復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著下降。王振軍等[22]同樣發(fā)現(xiàn)隨著纖維預(yù)制體預(yù)熱溫度的增加使界面產(chǎn)物Al4C3相增多，從而引起2.5D-CF/Al 復(fù)合材料經(jīng)/緯向拉伸力學(xué)性能下降。三維五向CF/Al 復(fù)合材料室溫拉伸強(qiáng)度隨預(yù)熱溫度的升高而先增加后減小，高溫拉伸強(qiáng)度隨預(yù)熱溫度的升高而提高[23]。胡銀生等[24]研究了浸滲保壓時(shí)間對(duì)3D-SiCF/Al 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：保壓時(shí)間對(duì)3D-SiCF/Al 復(fù)合材料微觀組織有很大的影響，保壓時(shí)間短的復(fù)合材料容易出現(xiàn)纖維束內(nèi)間隙、浸滲缺陷以及纖維團(tuán)聚現(xiàn)象；隨著保壓時(shí)間延長(zhǎng)，3D-SiCF/Al 復(fù)合材料的浸滲效果更好，纖維分布更加均勻；抗拉強(qiáng)度隨保壓時(shí)間的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這是由于過(guò)強(qiáng)的界面反應(yīng)導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能惡化。

通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囈部梢愿纳茝?fù)合材料的力學(xué)性能。劉燕武等[25]分析了角聯(lián)鎖3D-CF/Al 復(fù)合材料的熱殘余應(yīng)力分布及其對(duì)組元材料的影響，發(fā)現(xiàn)基體合金和碳纖維分別處于殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力狀態(tài)，殘余應(yīng)力的不均勻分布導(dǎo)致基體合金發(fā)生不同程度損傷。聶明明等[26]、姜小坤等[27]對(duì)3DCF/Al 復(fù)合材料進(jìn)行了液氮-196 ℃的深冷處理，隨著深冷處理時(shí)間延長(zhǎng)，其拉伸強(qiáng)度增加、基體殘余熱應(yīng)力降低，深冷處理36 h 后拉伸強(qiáng)度可達(dá)到最高620.09 MPa；深冷處理過(guò)程中因體積收縮效應(yīng)導(dǎo)致的孔隙閉合及殘余應(yīng)力降低是復(fù)合材料力學(xué)性能得以提高的原因。馮景鵬等[28]對(duì)比分析了3DCF/Al 復(fù)合材料分別在測(cè)試溫度為室溫25 ℃、350 ℃、400 ℃時(shí)的彎曲性能，隨著溫度的升高，基體合金軟化加深，導(dǎo)致徑向纖維束屈曲變形嚴(yán)重和脫粘現(xiàn)象，使復(fù)合材料無(wú)法承受彎曲載荷而失效，如圖3 所示。

圖3 三維正交CF/Al 復(fù)合材料彎曲試驗(yàn)后試樣破損處斷口形貌[28]

由上述研究可以發(fā)現(xiàn)，3D-CF/Al 復(fù)合材料的界面結(jié)合程度是影響其力學(xué)性能的決定因素。無(wú)論纖維預(yù)制體的預(yù)熱溫度，還是浸滲澆注溫度，過(guò)高的溫度都將促使界面狀態(tài)惡化。高溫下界面產(chǎn)物Al4C3脆性相的大量存在，使復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度都明顯下降。浸滲保壓時(shí)間的過(guò)度延長(zhǎng)，高溫熔體與纖維長(zhǎng)期接觸，也將促成Al4C3脆性相的生成。深冷處理有利于組織致密，同時(shí)降低制備過(guò)程中形成的殘余熱應(yīng)力，從而使材料的力學(xué)性能得到提升?？梢?jiàn)，制備工藝參數(shù)的控制和優(yōu)化是獲得優(yōu)良復(fù)合材料的關(guān)鍵。

1.2.2 碳纖維表面處理

碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是輕質(zhì)高強(qiáng)、有極大應(yīng)用前景的材料。到目前為止，由于鋁合金對(duì)碳纖維缺乏潤(rùn)濕性以及碳化鋁（Al4C3）形成等有害反應(yīng)，該應(yīng)用受到了阻礙。在碳纖維表面涂覆適當(dāng)?shù)耐繉?，可以改善碳纖維和熔融基體之間的潤(rùn)濕行為，使?jié)B透難度降低、界面性能得到優(yōu)化、復(fù)合材料斷裂韌度得到提高。

Abidin A Z[29]通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）對(duì)碳纖維的三維紡織預(yù)制棒涂有氮化鈦（TiN），如果與熔體的接觸時(shí)間不太長(zhǎng)，TiN 涂層的抗氧化性提供了良好的保護(hù)效果。張善偉等[30]基于溶膠凝膠法在碳纖維預(yù)制體表面形成Al2O3-SiO2-TiO2涂層，運(yùn)用SEM、XRD 等分析測(cè)試手段以及三點(diǎn)彎曲等試驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)涂層厚度對(duì)碳纖維的力學(xué)性能有明顯的影響，適當(dāng)涂層厚度的3D-Cf/SiC 復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度可達(dá)303 MPa，具有較高的力學(xué)性能。張俊佳等[7]采用化學(xué)鍍鎳編織碳纖維，對(duì)其進(jìn)行兩步預(yù)熱處理，發(fā)現(xiàn)空氣中加熱時(shí)生成的Ni3P 微晶為碳纖維提供了出色的潤(rùn)濕能力；澄清了浸入熔融基體過(guò)程中鎳涂層的行為：與Al 結(jié)合反應(yīng)，先產(chǎn)生固體Al3Ni2，再產(chǎn)生Al3Ni。其中，當(dāng)熔體溫度上升到800 ℃時(shí)，所有的鎳元素都以微小的Al3Ni 相的形式存在，這意味著已經(jīng)發(fā)生了充分的反應(yīng)和足夠的擴(kuò)散，因此，適當(dāng)?shù)臏囟葢?yīng)控制在800 ℃左右，以優(yōu)化鎳的分布和減少脆性相Al4C3的形成。在此基礎(chǔ)上，劉家明等[9]研究了一種優(yōu)化的化學(xué)鍍鎳工藝，通過(guò)使用Pd-膠體活化，涂層表面典型的島狀團(tuán)聚被顯著消除，提高了碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的界面附著力。國(guó)外學(xué)者Jafari R 等[31]提出利用冷噴涂技術(shù)制造功能性鋁基復(fù)合材料，使用液滴形狀分析儀分析靜態(tài)水滴接觸角從而測(cè)量涂層表面的潤(rùn)濕性，結(jié)果表明冷噴涂工藝使復(fù)合材料顯示出致密的結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)的疏水行為。

除了在碳纖維表面進(jìn)行金屬涂層，在碳纖維表面涂覆碳納米管（CNTs）可實(shí)現(xiàn)碳纖維-碳納米管（CF-CNTs）的雜化，這種多尺度增強(qiáng)復(fù)合材料在碳纖維和金屬基體之間形成納米過(guò)渡層，緩解了界面反應(yīng)損傷，又因摻雜CNTs 而引起的晶粒細(xì)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和載荷轉(zhuǎn)移等強(qiáng)化機(jī)制，提高了復(fù)合材料的強(qiáng)韌性[32-35]。從圖4 中可以看出CNTs/Al 的晶粒尺寸進(jìn)一步減小，表明CNTs 有細(xì)化晶粒的作用[34]。

圖4 CNTs/Al 復(fù)合材料的TEM 表征圖[34]

2 三維編織金屬基復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)建模與力學(xué)分析

三維纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料大多處于制備研究的過(guò)程中，有關(guān)其宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)分析幾乎鮮見(jiàn)報(bào)道。一般認(rèn)為，有限元分析是研究三維編織金屬基復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能等工程問(wèn)題最為經(jīng)濟(jì)有效的手段[36]。三維多向編織會(huì)使纖維束空間構(gòu)型更為復(fù)雜，學(xué)者們一般多采用對(duì)周期性單胞建模分析的方法來(lái)表征材料宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，其研究思想一般為：建立合適的細(xì)觀單胞模型、搭建組分材料本構(gòu)關(guān)系、施加載荷后分析細(xì)觀力學(xué)性能、結(jié)合均勻化原則預(yù)測(cè)出宏觀力學(xué)性能[37]。

Williams B[38]采用壓力浸滲鑄造工藝生產(chǎn)預(yù)制體并進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，基于多尺度微力學(xué)的有限元框架，建立了金屬基復(fù)合材料拉伸變形行為（包括漸進(jìn)損傷和破壞）的模型。王慶祥[39]基于統(tǒng)計(jì)的優(yōu)化生長(zhǎng)法，對(duì)連續(xù)增強(qiáng)SiC3D/Al 復(fù)合材料在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬并優(yōu)化，建立了復(fù)合材料三維有限元模型重構(gòu)平臺(tái)。王忠遠(yuǎn)等[40]針對(duì)真空壓力浸滲法制備的鋁基復(fù)合材料，建立了淺交直聯(lián)三維角聯(lián)鎖Cf/Al 復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，模擬計(jì)算了其經(jīng)向和緯向拉伸變形過(guò)程中的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與拉伸試驗(yàn)曲線對(duì)比結(jié)果吻合較好，發(fā)現(xiàn)經(jīng)紗的斷裂最終導(dǎo)致復(fù)合材料經(jīng)向拉伸失效，緯紗的軸向斷裂最終導(dǎo)致緯向拉伸失效。劉燕武等[25]同樣采用真空壓力浸滲法制備了三維角聯(lián)鎖機(jī)織結(jié)構(gòu)的CF/Al 復(fù)合材料，通過(guò)電鏡觀察其內(nèi)部纖維排布情況，在此基礎(chǔ)上利用CATIA軟件建立了經(jīng)紗和緯紗的機(jī)織結(jié)構(gòu)，再通過(guò)布爾運(yùn)算得到基體合金的幾何結(jié)構(gòu)模型，最終將二者進(jìn)行裝配獲得了該復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，如圖5 所示，該模型可以較好地分析和預(yù)測(cè)復(fù)合材料制備降溫過(guò)程中的熱收縮變形行為。

圖5 三維角聯(lián)鎖CF/Al 復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型[25]

沈高峰等[41]采用真空輔助壓力浸滲法制備疊層穿刺Cf/Al 復(fù)合材料，建立了該材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)幾何模型，在代表性單胞的邊界上施加張超等[42]提出的一般周期性邊界條件并采用體積平均法；該模型預(yù)測(cè)了其在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷作用下的經(jīng)向拉伸彈性模量、極限強(qiáng)度與斷裂應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)均勻化計(jì)算的宏觀應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)曲線總體上相符，且纖維拔出和基體斷裂導(dǎo)致的經(jīng)紗軸向斷裂是誘發(fā)復(fù)合材料最終失效的主要機(jī)制。劉豐華等[43]采用真空壓力浸滲法制備三維正交Cf/Al 復(fù)合材料，根據(jù)其內(nèi)部紗線截面形狀和結(jié)構(gòu)特征建立了考慮界面作用的細(xì)觀力學(xué)有限元模型。其中，運(yùn)用Ludwik 本構(gòu)模型表征基體塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：

式中：σ 和 ε分別為基體合金塑性流動(dòng)應(yīng)力與塑性應(yīng)變；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；σ0為屈服應(yīng)力；k為強(qiáng)度因子。采用von Mises 準(zhǔn)則判斷基體合金屈服行為，基體屈服后服從各向同性強(qiáng)化準(zhǔn)則。采用延性損傷準(zhǔn)則定義了塑性損傷演化因子表達(dá)式：

采用最大名義應(yīng)力準(zhǔn)則：

式中：tn、ts、tt分別為界面的法向和切向應(yīng)力分量；分別為相應(yīng)的界面極限強(qiáng)度。施加一般周期性邊界條件[36]后，研究了其在經(jīng)向拉伸載荷作用下的漸進(jìn)損傷與斷裂力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)纖維拔出導(dǎo)致經(jīng)紗軸向斷裂是這種復(fù)合材料失效的主要機(jī)制。

上述關(guān)于3D-CF/Al 復(fù)合材料細(xì)觀模型的構(gòu)建和力學(xué)機(jī)制分析，與實(shí)際情況的擬合度較高，為此類復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究展現(xiàn)了一個(gè)良好的開(kāi)端。但是，鋁基碳纖維復(fù)合材料中編織碳纖維通常采用由成百上千根纖維集束而成的纖維束，即使采用真空加壓浸滲法制備，鋁合金液也很難浸滲到每一根纖維周圍。這樣鋁合金基體呈現(xiàn)空間連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀，而纖維束內(nèi)單絲間存在微空隙，是一個(gè)剛性加局部介柔性混合體。在受拉時(shí)，金屬的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)生破壞，此時(shí)剛性變?yōu)榻嵝泽w。因此傳統(tǒng)純剛性體的力學(xué)理論原理受到挑戰(zhàn)，面臨許多問(wèn)題。由于三維復(fù)合材料本身的復(fù)雜性，模型體系的構(gòu)建須從簡(jiǎn)單假設(shè)逐步進(jìn)入到復(fù)雜的真實(shí)條件中進(jìn)行?，F(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的力學(xué)分析模型中，有的未考慮制備微觀缺陷和纖維/基體界面層影響，有的未考慮熱殘余應(yīng)力等因素，往往導(dǎo)致數(shù)值模擬取得的復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能與實(shí)測(cè)結(jié)果有所偏離。對(duì)于3D-CF/Al 復(fù)合材料在復(fù)雜載荷下力學(xué)行為的分析和數(shù)值模擬，還需要深入研究這種結(jié)構(gòu)在力學(xué)上能否穩(wěn)定以及如何界定復(fù)合材料的破斷和失效。

3 3D-CF/Al 復(fù)合材料宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)協(xié)同性

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三維編織復(fù)合材料研究基本停留在制備研究層面，針對(duì)已制備或可制備的復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的建立和力學(xué)分析。從現(xiàn)有材料上建立單胞模型到模擬受載最后結(jié)合周期均勻化理論對(duì)該材料宏觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，已取得了不同的程度的成果進(jìn)展。但是，所制備的材料適應(yīng)于何種應(yīng)力狀態(tài)存在盲目性，制備研究與材料的應(yīng)用脫節(jié)。復(fù)合材料在宏觀尺度下是近似均值的，但細(xì)觀尺度下是周期性非均質(zhì)的，不同于宏細(xì)觀都是均質(zhì)的傳統(tǒng)材料，3D-CF/Al 復(fù)合材料不同的細(xì)觀結(jié)構(gòu)有不同的力學(xué)響應(yīng)和損傷容限。筆者認(rèn)為，應(yīng)從宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)入手，解決三維編織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力載荷如何適配以達(dá)到最大損傷容限的問(wèn)題。增強(qiáng)體不同的三維編織結(jié)構(gòu)參數(shù)將適應(yīng)不同的應(yīng)力狀態(tài)。某種三維編織結(jié)構(gòu)可能更有利于承受拉伸載荷，而另一類結(jié)構(gòu)可能更利于承受彎曲載荷；同類編織結(jié)構(gòu)中纖維體積分?jǐn)?shù)不同、編織角不同，也可能會(huì)有不同的強(qiáng)化與損傷機(jī)制。不同的三維編織結(jié)構(gòu)，將對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力狀態(tài)，復(fù)合材料的力學(xué)性能，體現(xiàn)在宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)要達(dá)到有機(jī)統(tǒng)一、相長(zhǎng)協(xié)同，所謂力學(xué)協(xié)同性。編織適當(dāng)結(jié)構(gòu)的三維纖維增強(qiáng)體、采取優(yōu)化成型工藝方法，有望實(shí)現(xiàn)具備優(yōu)異性能的大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、較低成本的3D-CF/Al復(fù)合材料的凈成型制造。

4 結(jié)語(yǔ)

3D-CF/Al 復(fù)合材料綜合性能優(yōu)異，應(yīng)用前景廣闊，因而受到業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于增強(qiáng)體編織結(jié)構(gòu)對(duì)三維編織金屬基復(fù)合材料組織和性能的影響研究十分有限，而碳纖維編織方式是決定3D-CF/Al 復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素之一，因此研究不同預(yù)制體編織結(jié)構(gòu)對(duì)3D-CF/Al 復(fù)合材料組織和性能的影響具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)代分析方法，應(yīng)用筆者提出的力學(xué)協(xié)同性構(gòu)想，可以對(duì)預(yù)制體編織結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)3DCF/Al 復(fù)合材料力學(xué)性能的優(yōu)化?？梢灶A(yù)見(jiàn)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)3D-CF/Al 復(fù)合材料中的碳纖維與鋁基之間進(jìn)行構(gòu)型化復(fù)合設(shè)計(jì)，優(yōu)化編織結(jié)構(gòu)，達(dá)到力學(xué)協(xié)同，可望實(shí)現(xiàn)3D-CF/Al 復(fù)合材料的性能預(yù)測(cè)和數(shù)字化設(shè)計(jì)制造。