3D機(jī)織物拉伸強(qiáng)度理論研究現(xiàn)狀與發(fā)展

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387)

科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對新材料、新技術(shù)的需求不斷提高，使得三維(3D)機(jī)織物在紡織復(fù)合材料中的應(yīng)用越來越廣泛，在軍事、航天、交通運(yùn)輸、安全防護(hù)等方面有了越來越重要的地位。

1 3D機(jī)織物的拉伸強(qiáng)度

3D機(jī)織物按其紗線在織物中的組成形態(tài)可以劃分為多種結(jié)構(gòu)，但由于實(shí)際加工工藝以及應(yīng)用的限制，目前3D機(jī)織物主要是指3D機(jī)織角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的機(jī)織織物[1-2]。3D機(jī)織角聯(lián)鎖織物，也稱為3D機(jī)織角聯(lián)鎖預(yù)制件，作為紡織復(fù)合材料的增強(qiáng)體時，由于在材料領(lǐng)域與在紡織領(lǐng)域的分類觀點(diǎn)不一致，其名稱在紡織與材料學(xué)科這個交叉領(lǐng)域經(jīng)?；煊?。3D角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)通常是由經(jīng)紗系統(tǒng)、緯紗系統(tǒng)以及接結(jié)紗系統(tǒng)的紗線構(gòu)成重疊聯(lián)鎖狀的立體織物[3]，也經(jīng)常用到襯經(jīng)襯緯系統(tǒng)以滿足其織物的結(jié)構(gòu)要求。由于具有以上結(jié)構(gòu)，3D機(jī)織物與傳統(tǒng)二維織物之間有著很大區(qū)別，其拉伸最大載荷已不適合用二維織物的織物強(qiáng)力這一概念來準(zhǔn)確表達(dá)。強(qiáng)度作為復(fù)合材料領(lǐng)域的重要性能指標(biāo)之一，當(dāng)材料尺寸穩(wěn)定時，拉伸強(qiáng)度是指材料拉伸斷裂前

所承受的最大應(yīng)力[4]，可表示為：

式中：δτ——拉伸強(qiáng)度，MPa；

F——屈曲載荷，破壞載荷或者最大載荷,N；

b——試樣寬度，mm；

d——試樣厚度，mm。

由于3D機(jī)織物的厚度與寬度等參數(shù)測量值相對固定，此時織物最大拉伸應(yīng)力則是3D機(jī)織預(yù)制件拉伸強(qiáng)度的表現(xiàn)形式。3D機(jī)織預(yù)制件的拉伸強(qiáng)度對于其復(fù)合材料強(qiáng)度具有相當(dāng)重要的影響，所以對其拉伸性能的研究也越來越受到重視。

3D機(jī)織預(yù)制件作為復(fù)合材料增強(qiáng)體,由于其本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體的性能主要由3D機(jī)織預(yù)制件的結(jié)構(gòu)確定，所以越來越多學(xué)者考慮到3D機(jī)織預(yù)制件結(jié)構(gòu)變化給預(yù)制件拉伸強(qiáng)度帶來的影響。拉伸強(qiáng)度作為拉伸力學(xué)性能的極限問題，決定了材料的使用環(huán)境和最大載荷， 目前學(xué)術(shù)界對于3D紡織復(fù)合材料的力學(xué)性能研究主要集中在剛度理論研究方面[5-6]，對復(fù)合材料的強(qiáng)度研究相對較少，對紡織結(jié)構(gòu)預(yù)制件強(qiáng)度及其類似理論的研究目前還處于借用層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究階段[7-8]，并且3D機(jī)織預(yù)制件及其復(fù)合材料破壞機(jī)理的研究尚未形成一個公認(rèn)的完整體系[9]。

易洪雷通過總結(jié)大量3D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的研究指出：影響3D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的因素不僅是纖維和基體的性能，還與預(yù)制件的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[10]。對于其組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系的研究一度成為此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 織物結(jié)構(gòu)的研究

預(yù)制件強(qiáng)度在預(yù)制件形成復(fù)合材料后直接表現(xiàn)為復(fù)合材料的強(qiáng)度。當(dāng)使用環(huán)境、材料和基體種類確定時，3D機(jī)織預(yù)制件的強(qiáng)度取決于作為織物增強(qiáng)體的預(yù)制件的空間結(jié)構(gòu)與受力情況。纖維與紗線在織物中的體積含量和空間結(jié)構(gòu)等因素形成了織物不同的力學(xué)性能，因此準(zhǔn)確描述紗線和織物的狀態(tài)被認(rèn)為是研究織物力學(xué)性能和織物強(qiáng)度的重要出發(fā)點(diǎn)之一。相關(guān)學(xué)者對3D機(jī)織物空間結(jié)構(gòu)和纖維在織物中受力情況認(rèn)識的不斷深入，使得3D機(jī)織物力學(xué)性能研究取得了一些新的進(jìn)展。

2.1 基于紗線截面恒定的研究理論

在對3D機(jī)織預(yù)制件結(jié)構(gòu)的研究中，基于紗線截面恒定的假設(shè)，相繼出現(xiàn)了很多紗線以及織物的理論模型，并且以模型為基礎(chǔ)建立起了一系列對3D機(jī)織物性能進(jìn)行研究的理論。在研究相關(guān)理論的初期階段，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為紗線在織物中是圓形截面，并且紗線在織物中呈現(xiàn)正弦曲線形態(tài)交織[11]。隨著研究的深入，相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)上述觀點(diǎn)并不能反映3D機(jī)織物中紗線的真實(shí)形態(tài)，因此出現(xiàn)了一系列用來描述紗線截面的理論，如丁辛等[12]提出，在3D機(jī)織物中，經(jīng)紗是彎曲的，緯紗可以模擬為平直跑道形；楊連賀、燕瑛等[13-14]指出，在3D機(jī)織物中，經(jīng)紗是彎曲的，緯紗可以模擬為雙凸透鏡形；唐遜等[15]提出經(jīng)紗主體為跑道形，緯紗主體為梭形；鄭君等引進(jìn)Byun等[16]的研究成果提出，在3D機(jī)織物中，經(jīng)紗可以模擬為平直矩形，緯紗無交織時為平直雙凸透鏡形[17-18]。

燕瑛等[19]系統(tǒng)地研究了預(yù)制件幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)對紡織復(fù)合材料性能的影響，提出了優(yōu)化3D機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇， 并在理論上將纖維增強(qiáng)體和樹脂基體的力學(xué)強(qiáng)度用疊加的方法建立了3D機(jī)織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度預(yù)測模型，突破了國外一直以試驗(yàn)數(shù)據(jù)來評估紡織復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的方法，彌補(bǔ)了利用神經(jīng)元方法對織物拉伸性能進(jìn)行預(yù)測時各變量與結(jié)果之間無法解釋的不足。

鄭君等[20]認(rèn)為，3D機(jī)織復(fù)合材料拉伸斷裂失效的主要原因是經(jīng)緯紗的斷裂失效，基于經(jīng)紗矩形截面及緯紗雙凸透鏡截面假設(shè)，并結(jié)合表層經(jīng)紗與內(nèi)部經(jīng)紗密度的不同，以及相同機(jī)織結(jié)構(gòu)、不同厚度和不同纖維束截面的情況，建立了3D機(jī)織復(fù)合材料的彈性性能預(yù)測模型，并得到了與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合的預(yù)測結(jié)果。

2.2 基于紗線截面不規(guī)則變化的研究理論

隨著對3D機(jī)織物結(jié)構(gòu)研究的深入，越來越多的學(xué)者意識到，紗線在3D機(jī)織物中的受力情況非常復(fù)雜，其截面形狀不能用單一形狀來表征。楊彩云[21]采用拍攝3D機(jī)織復(fù)合材料截面照片的方法研究了實(shí)際3D機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)；楊連賀等[22]利用經(jīng)紗脈絡(luò)描述法解決了任意3D機(jī)織復(fù)合材料的動態(tài)結(jié)構(gòu)表征問題，提出了單胞分解法與亞胞向量概念,實(shí)現(xiàn)了3D結(jié)構(gòu)的二維化、數(shù)字化，使紗線束逐步逼近真實(shí)形態(tài)。隨后，他們基于經(jīng)典的雙凸模型，研究了3D機(jī)織復(fù)合材料紗線截面的變形規(guī)律,提出了“凹凸交變模型”,導(dǎo)出了截面變形函數(shù)[23]。研究結(jié)果表明,紗線束截面沿紗線長度方向按凹凸交變的規(guī)律呈周期性變化。這一研究理論修正了一直以來的恒定截面假設(shè),使截面研究有了新的進(jìn)展。楊連賀等[24]采用改進(jìn)的經(jīng)紗脈絡(luò)法表征3D機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并將單胞分解為亞胞晶陣，提出了屈曲形態(tài)碼概念，進(jìn)而以解析法建立了相關(guān)幾何模型；將所建模型與電鏡照片進(jìn)行對比，也獲得了較好的一致性。這些理論的提出，使得紗線在3D機(jī)織物及其復(fù)合材料中的數(shù)學(xué)和邏輯形態(tài)有了很好的表達(dá)，對于3D機(jī)織復(fù)合材料預(yù)制件的強(qiáng)度理論研究有著重要意義。

3 材料性能的研究

3D機(jī)織物的力學(xué)性能與纖維及紗線的性能密切相關(guān)[25]，并且兩者共同影響其復(fù)合形成的復(fù)合材料性能。形成3D機(jī)織物的紗線的拉伸力學(xué)曲線與織物的拉伸力學(xué)曲線有一定相關(guān)性，但到目前為止還沒有文獻(xiàn)明確指出兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在對3D機(jī)織復(fù)合材料破壞機(jī)理和強(qiáng)度特性的研究中，Cox的3D機(jī)織復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)[26]，以及Callus[27]、John[28]對于3D機(jī)織預(yù)制件的拉伸試驗(yàn)都指出，紡織復(fù)合材料及其預(yù)制件的彈性模量并不是一成不變的，這些試驗(yàn)的初始階段，拉伸曲線斜率不變，而從初始屈服點(diǎn)開始，材料出現(xiàn)拉伸斷裂，并且彈性模量也隨著應(yīng)變的增加而減小[29-30]?？梢?，經(jīng)過不同預(yù)處理的構(gòu)成材料也會對3D機(jī)織物的強(qiáng)度有一定影響。

4 材料使用環(huán)境的研究

3D機(jī)織物的拉伸試驗(yàn)條件一定條件下等價于使用環(huán)境，并且是使用環(huán)境的理想化形式，因此對于不同拉伸試驗(yàn)條件下織物表現(xiàn)出的力學(xué)性能的研究也是織物強(qiáng)度理論研究的一部分。李燕華等[31]在研究拉伸方式與織物強(qiáng)度時指出：在拉伸速度改變的情況下，隨著拉伸速度的提高，織物強(qiáng)度呈緩慢上升趨勢；在拉伸試驗(yàn)織物寬度改變的情況下，拉伸寬度越大，織物強(qiáng)度越大，但寬度與強(qiáng)度兩者之間不是簡單的正比關(guān)系；在拉伸試驗(yàn)織物長度改變的情況下，拉伸長度越大，由于強(qiáng)力弱環(huán)以及其他因素的影響，其斷裂強(qiáng)度呈下降趨勢，并驗(yàn)證了經(jīng)向拉伸強(qiáng)度大于緯向拉伸強(qiáng)度。這一理論也在一定程度上說明了3D機(jī)織預(yù)制件外形尺寸的變化會對其拉伸強(qiáng)度帶來一定的影響。

5 結(jié)論與展望

3D機(jī)織物作為復(fù)合材料增強(qiáng)體研究與開發(fā)的時間不過短短幾十年，但是科研人員在這一領(lǐng)域的研究取得了相當(dāng)好的成果，一系列相關(guān)理論的提出使得3D機(jī)織物在復(fù)合材料領(lǐng)域有了突破與進(jìn)一步的發(fā)展?，F(xiàn)有理論以及試驗(yàn)證明了3D機(jī)織技術(shù)已經(jīng)能夠織造出各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并能滿足大多數(shù)領(lǐng)域制品的需要。

3D機(jī)織物應(yīng)用于復(fù)合材料這一領(lǐng)域的初衷是以更輕的自身質(zhì)量提供更好的力學(xué)性能。但是從此觀點(diǎn)來看，作為增強(qiáng)體的3D機(jī)織物，其力學(xué)研究領(lǐng)域仍然存在著許多不足，如從纖維到預(yù)制件再到復(fù)合材料的力學(xué)性能關(guān)系尚未得到非常明確的驗(yàn)證，并且考慮到開發(fā)成本，需要有理論指導(dǎo)預(yù)制件開發(fā)者在滿足復(fù)合力學(xué)強(qiáng)度要求的情況下設(shè)計出質(zhì)量最輕的機(jī)織預(yù)制件等。另外現(xiàn)有3D機(jī)織預(yù)制件成型技術(shù)的自動化程度仍然不高，不能滿足短時間大批量的生產(chǎn)需求，也在一定程度上制約著3D機(jī)織物的發(fā)展和應(yīng)用。

3D機(jī)織復(fù)合材料及其預(yù)制件相關(guān)研究遺留的大部分問題，總結(jié)起來都可以看作強(qiáng)度理論研究問題。對于3D機(jī)織物強(qiáng)度理論研究的目的是探討各項(xiàng)工藝對織物強(qiáng)度的影響趨勢或者影響因子，這個目的也說明了3D機(jī)織物強(qiáng)度理論的研究有助于復(fù)合材料及其預(yù)制件的力學(xué)性能預(yù)測。如果這些問題能得到很好的解決，將使3D機(jī)織技術(shù)在各大領(lǐng)域能夠滿足更多的使用需求，并使3D機(jī)織技術(shù)從高端領(lǐng)域及軍用方面轉(zhuǎn)移到大眾領(lǐng)域和普及應(yīng)用，促進(jìn)材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

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