3D机织物拉伸强度理论研究现状与发展

(天津工业大学纺织学院，天津，300387)

科学技术的迅速发展，对新材料、新技术的需求不断提高，使得三维(3D)机织物在纺织复合材料中的应用越来越广泛，在军事、航天、交通运输、安全防护等方面有了越来越重要的地位。

1 3D机织物的拉伸强度

3D机织物按其纱线在织物中的组成形态可以划分为多种结构，但由于实际加工工艺以及应用的限制，目前3D机织物主要是指3D机织角联锁结构的机织织物[1-2]。3D机织角联锁织物，也称为3D机织角联锁预制件，作为纺织复合材料的增强体时，由于在材料领域与在纺织领域的分类观点不一致，其名称在纺织与材料学科这个交叉领域经常混用。3D角联锁结构通常是由经纱系统、纬纱系统以及接结纱系统的纱线构成重叠联锁状的立体织物[3]，也经常用到衬经衬纬系统以满足其织物的结构要求。由于具有以上结构，3D机织物与传统二维织物之间有着很大区别，其拉伸最大载荷已不适合用二维织物的织物强力这一概念来准确表达。强度作为复合材料领域的重要性能指标之一，当材料尺寸稳定时，拉伸强度是指材料拉伸断裂前

所承受的最大应力[4]，可表示为：

式中：δτ——拉伸强度，MPa；

F——屈曲载荷，破坏载荷或者最大载荷,N；

b——试样宽度，mm；

d——试样厚度，mm。

由于3D机织物的厚度与宽度等参数测量值相对固定，此时织物最大拉伸应力则是3D机织预制件拉伸强度的表现形式。3D机织预制件的拉伸强度对于其复合材料强度具有相当重要的影响，所以对其拉伸性能的研究也越来越受到重视。

3D机织预制件作为复合材料增强体,由于其本质上是结构体，结构体的性能主要由3D机织预制件的结构确定，所以越来越多学者考虑到3D机织预制件结构变化给预制件拉伸强度带来的影响。拉伸强度作为拉伸力学性能的极限问题，决定了材料的使用环境和最大载荷， 目前学术界对于3D纺织复合材料的力学性能研究主要集中在刚度理论研究方面[5-6]，对复合材料的强度研究相对较少，对纺织结构预制件强度及其类似理论的研究目前还处于借用层合结构复合材料的研究阶段[7-8]，并且3D机织预制件及其复合材料破坏机理的研究尚未形成一个公认的完整体系[9]。

易洪雷通过总结大量3D机织复合材料力学性能的研究指出：影响3D机织复合材料力学性能的因素不仅是纤维和基体的性能，还与预制件的组织结构密切相关[10]。对于其组织结构与力学性能关系的研究一度成为此领域的研究热点。

2 织物结构的研究

预制件强度在预制件形成复合材料后直接表现为复合材料的强度。当使用环境、材料和基体种类确定时，3D机织预制件的强度取决于作为织物增强体的预制件的空间结构与受力情况。纤维与纱线在织物中的体积含量和空间结构等因素形成了织物不同的力学性能，因此准确描述纱线和织物的状态被认为是研究织物力学性能和织物强度的重要出发点之一。相关学者对3D机织物空间结构和纤维在织物中受力情况认识的不断深入，使得3D机织物力学性能研究取得了一些新的进展。

2.1 基于纱线截面恒定的研究理论

在对3D机织预制件结构的研究中，基于纱线截面恒定的假设，相继出现了很多纱线以及织物的理论模型，并且以模型为基础建立起了一系列对3D机织物性能进行研究的理论。在研究相关理论的初期阶段，学术界普遍认为纱线在织物中是圆形截面，并且纱线在织物中呈现正弦曲线形态交织[11]。随着研究的深入，相关学者发现上述观点并不能反映3D机织物中纱线的真实形态，因此出现了一系列用来描述纱线截面的理论，如丁辛等[12]提出，在3D机织物中，经纱是弯曲的，纬纱可以模拟为平直跑道形；杨连贺、燕瑛等[13-14]指出，在3D机织物中，经纱是弯曲的，纬纱可以模拟为双凸透镜形；唐逊等[15]提出经纱主体为跑道形，纬纱主体为梭形；郑君等引进Byun等[16]的研究成果提出，在3D机织物中，经纱可以模拟为平直矩形，纬纱无交织时为平直双凸透镜形[17-18]。

燕瑛等[19]系统地研究了预制件几何结构和参数对纺织复合材料性能的影响，提出了优化3D机织复合材料力学性能的结构参数选择， 并在理论上将纤维增强体和树脂基体的力学强度用叠加的方法建立了3D机织复合材料的拉伸强度预测模型，突破了国外一直以试验数据来评估纺织复合材料力学强度的方法，弥补了利用神经元方法对织物拉伸性能进行预测时各变量与结果之间无法解释的不足。

郑君等[20]认为，3D机织复合材料拉伸断裂失效的主要原因是经纬纱的断裂失效，基于经纱矩形截面及纬纱双凸透镜截面假设，并结合表层经纱与内部经纱密度的不同，以及相同机织结构、不同厚度和不同纤维束截面的情况，建立了3D机织复合材料的弹性性能预测模型，并得到了与试验数据较为吻合的预测结果。

2.2 基于纱线截面不规则变化的研究理论

随着对3D机织物结构研究的深入，越来越多的学者意识到，纱线在3D机织物中的受力情况非常复杂，其截面形状不能用单一形状来表征。杨彩云[21]采用拍摄3D机织复合材料截面照片的方法研究了实际3D机织复合材料的细观结构；杨连贺等[22]利用经纱脉络描述法解决了任意3D机织复合材料的动态结构表征问题，提出了单胞分解法与亚胞向量概念,实现了3D结构的二维化、数字化，使纱线束逐步逼近真实形态。随后，他们基于经典的双凸模型，研究了3D机织复合材料纱线截面的变形规律,提出了“凹凸交变模型”,导出了截面变形函数[23]。研究结果表明,纱线束截面沿纱线长度方向按凹凸交变的规律呈周期性变化。这一研究理论修正了一直以来的恒定截面假设,使截面研究有了新的进展。杨连贺等[24]采用改进的经纱脉络法表征3D机织复合材料结构，并将单胞分解为亚胞晶阵，提出了屈曲形态码概念，进而以解析法建立了相关几何模型；将所建模型与电镜照片进行对比，也获得了较好的一致性。这些理论的提出，使得纱线在3D机织物及其复合材料中的数学和逻辑形态有了很好的表达，对于3D机织复合材料预制件的强度理论研究有着重要意义。

3 材料性能的研究

3D机织物的力学性能与纤维及纱线的性能密切相关[25]，并且两者共同影响其复合形成的复合材料性能。形成3D机织物的纱线的拉伸力学曲线与织物的拉伸力学曲线有一定相关性，但到目前为止还没有文献明确指出两者之间的数学关系。在对3D机织复合材料破坏机理和强度特性的研究中，Cox的3D机织复合材料拉伸试验[26]，以及Callus[27]、John[28]对于3D机织预制件的拉伸试验都指出，纺织复合材料及其预制件的弹性模量并不是一成不变的，这些试验的初始阶段，拉伸曲线斜率不变，而从初始屈服点开始，材料出现拉伸断裂，并且弹性模量也随着应变的增加而减小[29-30]。可见，经过不同预处理的构成材料也会对3D机织物的强度有一定影响。

4 材料使用环境的研究

3D机织物的拉伸试验条件一定条件下等价于使用环境，并且是使用环境的理想化形式，因此对于不同拉伸试验条件下织物表现出的力学性能的研究也是织物强度理论研究的一部分。李燕华等[31]在研究拉伸方式与织物强度时指出：在拉伸速度改变的情况下，随着拉伸速度的提高，织物强度呈缓慢上升趋势；在拉伸试验织物宽度改变的情况下，拉伸宽度越大，织物强度越大，但宽度与强度两者之间不是简单的正比关系；在拉伸试验织物长度改变的情况下，拉伸长度越大，由于强力弱环以及其他因素的影响，其断裂强度呈下降趋势，并验证了经向拉伸强度大于纬向拉伸强度。这一理论也在一定程度上说明了3D机织预制件外形尺寸的变化会对其拉伸强度带来一定的影响。

5 结论与展望

3D机织物作为复合材料增强体研究与开发的时间不过短短几十年，但是科研人员在这一领域的研究取得了相当好的成果，一系列相关理论的提出使得3D机织物在复合材料领域有了突破与进一步的发展。现有理论以及试验证明了3D机织技术已经能够织造出各种复杂的结构，并能满足大多数领域制品的需要。

3D机织物应用于复合材料这一领域的初衷是以更轻的自身质量提供更好的力学性能。但是从此观点来看，作为增强体的3D机织物，其力学研究领域仍然存在着许多不足，如从纤维到预制件再到复合材料的力学性能关系尚未得到非常明确的验证，并且考虑到开发成本，需要有理论指导预制件开发者在满足复合力学强度要求的情况下设计出质量最轻的机织预制件等。另外现有3D机织预制件成型技术的自动化程度仍然不高，不能满足短时间大批量的生产需求，也在一定程度上制约着3D机织物的发展和应用。

3D机织复合材料及其预制件相关研究遗留的大部分问题，总结起来都可以看作强度理论研究问题。对于3D机织物强度理论研究的目的是探讨各项工艺对织物强度的影响趋势或者影响因子，这个目的也说明了3D机织物强度理论的研究有助于复合材料及其预制件的力学性能预测。如果这些问题能得到很好的解决，将使3D机织技术在各大领域能够满足更多的使用需求，并使3D机织技术从高端领域及军用方面转移到大众领域和普及应用，促进材料科学的进一步发展。

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