三維編織復(fù)合材料研究現(xiàn)狀及在航空航天中應(yīng)用

（北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191）

經(jīng)過近60年的發(fā)展，二維層合復(fù)合材料和三維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料都不同程度地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。層合復(fù)合材料發(fā)展較早、較成熟，配套設(shè)備齊全且成型效率高、質(zhì)量可控，適用于板、殼結(jié)構(gòu)，如蒙皮、翼肋和梁腹板等結(jié)構(gòu)的制造，見圖1。三維復(fù)合材料犧牲了部分面內(nèi)性能，但有效增強(qiáng)了層間性能，適合異型結(jié)構(gòu)件和具有高承載要求的連接結(jié)構(gòu)件的制造，如異型接頭、一體梁結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)桁等，見圖2。盡管層合復(fù)合材料發(fā)展相對(duì)成熟，但實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問題。一方面，在航空制造中，層合材料是由預(yù)浸料鋪層結(jié)合熱壓工藝制作，這一過程需要大量人工干預(yù)，且預(yù)浸料的保存和清潔不僅大大增加了材料的制作成本，還會(huì)消耗大量的能源[1]。另外，層合材料在制作異型結(jié)構(gòu)件過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)褶皺和纖維不連續(xù)，很難完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制作，因此膠接、共固化、機(jī)械連接等連接方式成為了決定結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的主要因素，材料本身力學(xué)性能的優(yōu)勢(shì)并沒有得到發(fā)揮[2-3]；另一方面，層合材料還存在一些力學(xué)限制，相比于傳統(tǒng)航空材料，層合材料雖然在材料比強(qiáng)度、比剛度方面有很大優(yōu)勢(shì)，但層間強(qiáng)度低、抗沖擊性能和耐疲勞性較差，阻礙了其在具有較高層間剪切應(yīng)力的厚壁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用；同時(shí)，層合材料受到?jīng)_擊載荷后會(huì)出現(xiàn)目測(cè)不可見的分層，造成了結(jié)構(gòu)安全隱患，雖然可以通過改善樹脂性能和無損檢測(cè)等方式消除這一隱患，但這又導(dǎo)致了成本的進(jìn)一步上升并伴隨有制造成型問題。

為克服上述層合材料的應(yīng)用限制，近30年來，部分學(xué)者關(guān)注三維復(fù)合材料的研究，試圖推動(dòng)復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展。目前，纖維紡織預(yù)成型是三維復(fù)合材料增強(qiáng)相空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)織造的主要方式。紡織預(yù)成型體是三維復(fù)合材料的骨架，在與基體復(fù)合前，利用紡織技術(shù)將增強(qiáng)纖維定位分布，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨后與基體復(fù)合得到三維復(fù)合材料。已有研究表明，采用三維織物增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料的沖擊損傷面積是二維織物層合復(fù)合材料的1/10[4]；三維編織復(fù)合材料的拉、壓、剪性能普遍高于典型多向?qū)雍习錥5]。

用于復(fù)合材料預(yù)成型體制備的三維紡織技術(shù)主要包括三維編織技術(shù)、三維機(jī)織技術(shù)、三維針織技術(shù)和縫紉技術(shù)。本文以三維編織為對(duì)象，著重闡述“三維編織是什么（What）”、“三維編織怎么設(shè)計(jì)（How）”、“為什么要用三維編織（Why）”及“三維編織用在哪里（Where）”這幾個(gè)問題，旨在為工程實(shí)際應(yīng)用提供一種新思路，探究復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域進(jìn)一步應(yīng)用的可能。而鑒于幾種紡織結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)及成型方式的相似性，本文提到的部分問題也可為其他幾種紡織復(fù)合材料的研究提供參考。

三維纖維預(yù)制體編織工藝及其對(duì)復(fù)合材料性能影響

20世紀(jì)80年代以來，三維編織技術(shù)及三維編織復(fù)合材料的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。由于這種編織形式可以編織幾乎任何種類的纖維，特別是隨著航空航天等高端技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系男枨?，誕生出了各種異型三維編織預(yù)型件及其與各種基體復(fù)合而成的三維編織復(fù)合材料。目前，三維編織預(yù)型件的纖維種類已發(fā)展到幾乎所有種類的高性能纖維，如碳纖、玻纖、石英、金屬、芳綸、碳化硅、氮化硅、UMPE，甚至光纖、壓電、磁性伸縮等功能材料。由三維編織預(yù)型件制成的三維編織復(fù)合材料的基體也包括樹脂、碳、陶瓷、金屬，甚至可生物吸收和降解的材料。隨著材料科學(xué)技術(shù)及工藝的進(jìn)一步發(fā)展，相信未來纖維和基體的選材還會(huì)進(jìn)一步豐富，所制成的三維編織復(fù)合材料的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。

1 編織工藝及設(shè)備

圖1 層合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件Fig.1 Typical aerospace structures of laminate composite

圖2 三維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件Fig.2 Structures of 3D composite

三維編織預(yù)型件的制作是三維編織復(fù)合材料制備的基礎(chǔ)，而且預(yù)型件的性能（也包括制作方法和工藝）從根本上決定了所制成的復(fù)合材料的性能。目前，按驅(qū)動(dòng)方式的不同，三維編織方式主要包括縱橫步進(jìn)法編織和旋轉(zhuǎn)法編織?？v橫步進(jìn)編織設(shè)備[6-7]包括二步法和四步法（見圖3（a）和（b）），主要是以氣動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)攜紗器錠子在編織臺(tái)面上橫縱交錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)紗束的空間交織，這種設(shè)備相對(duì)較小，能夠編織較大尺寸的預(yù)制件，但設(shè)備運(yùn)行速度低；旋轉(zhuǎn)法編織設(shè)備[8-9]（見圖3（c）），主要以電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪組運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)攜紗器錠子在編織臺(tái)面上交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這種設(shè)備相對(duì)較大，只適用于較小尺寸預(yù)制件的編織，但是驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快，能有效降低制件成本。

按照編織臺(tái)面區(qū)分，三維編織設(shè)備由包括矩型編織機(jī)和圓型編織機(jī)（圖4）。矩型編織臺(tái)面以矩型或矩型組合為主，如圖4（a）[10]、（c）所示，通過編織臺(tái)面模塊的組合可以織造工字型、T型、L型等截面形狀的預(yù)制件，但編織過程需要打緊工藝，這一工序需要人工完成；圓型編織（包括3D和2.5D等）如圖4（b）[10]、（d）、（e）所示，臺(tái)面以環(huán)型為主，通過編織行列數(shù)改變與不同心?？梢钥椩鞆?fù)雜編織結(jié)構(gòu)，這種編織機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但是設(shè)備自動(dòng)化程度高、編織過程無人工干預(yù)，能夠有效降低制件成本。

2 細(xì)觀結(jié)構(gòu)

圖3 編織機(jī)形式Fig.3 Braiding machine

被不同編織設(shè)備織造出的三維編織預(yù)制件，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)有所不同，而紗線編織取向與各方向參與編織的紗線比例的變化也影響最終預(yù)制件的細(xì)觀編織結(jié)構(gòu)。通過改變掛紗方式，三維四向、五向、六向、七向及更多向[11-12]的預(yù)型件，包括圓形和矩形都相繼得以實(shí)現(xiàn)。

以三維四步法為例，圖5展示了三維四向、五向、六向和七向預(yù)制件的細(xì)觀紗束交織結(jié)構(gòu)，其中五向又分為五向和全五向結(jié)構(gòu)。圖5中綠色紗束為編織紗，編織紗具有4個(gè)方向的取向，因此稱為三維四向，如圖5（a）所示；三維五向結(jié)構(gòu)增加了沿編織方向的軸向紗，如圖5（b）所示；三維六向結(jié)構(gòu)及三維七向結(jié)構(gòu)分別增加了垂直于編織方向的兩種取向的紗束，如圖5（c）、（d）所示。三維編織復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的細(xì)觀紗束結(jié)構(gòu)由編織方式和編織參數(shù)決定，這體現(xiàn)了三維編織復(fù)合材料豐富的可設(shè)計(jì)性。

3 力學(xué)性能

一般而言，復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能源于各組分材料的貢獻(xiàn)，想要提高某一個(gè)或幾個(gè)方向（方面）的性能，通常要提高該方向增強(qiáng)相的比例，但同時(shí)會(huì)犧牲其他方向（方面）的性能。層板復(fù)合材料的面內(nèi)性能較高，是以層間剪切和剝離性能差為代價(jià)的，三維復(fù)合材料為增強(qiáng)面外性能，使纖維結(jié)構(gòu)空間三維化，而這些纖維對(duì)面內(nèi)性能的貢獻(xiàn)就會(huì)相應(yīng)降低。三維四向、三維五向、三維六向和三維七向等纖維結(jié)構(gòu)為三維編織復(fù)合材料各方向材料性能的設(shè)計(jì)提供了可能。同時(shí)，對(duì)于這類復(fù)合材料而言，編織參數(shù)也直接影響材料的力學(xué)性能?？傮w上，編織角、花節(jié)高、纖維體積含量是影響材料性能的主要參數(shù)，已有研究結(jié)果顯示，材料的軸向剛度隨編織角的增加而下降，隨花節(jié)高和纖維體積含量的增加而提高，見表1[13-17]。

圖4 矩型編織機(jī)與圓型編織機(jī)Fig.4 Rectangular braiding & circular braiding

圖5 四步法細(xì)觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of 3D-braided composite

表1給出了三維編織復(fù)合材料的軸向基本力學(xué)性能。其中三維四向編織復(fù)合材料軸向剛度一般不超過100GPa（文獻(xiàn)[17]中數(shù)據(jù)為玻纖/環(huán)氧），低于二維層板主方向上剛度（一般可達(dá)到130GPa以上）；三維五向與三維全五向結(jié)構(gòu)，由于增加了軸向紗，相比于三維四向結(jié)構(gòu)，軸向剛度及強(qiáng)度有較大提高；三維全五向比三維五向進(jìn)一步增加了軸向紗比例，因此軸向拉伸剛度和拉伸強(qiáng)度都達(dá)到最高，但壓縮強(qiáng)度的提高并不明顯，除了纖維本身壓縮強(qiáng)度較低這一原因以外，還與其結(jié)構(gòu)中軸向紗直線度不高有關(guān)。三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能中的切邊問題，也是工程應(yīng)用中需要重要考慮的方面。復(fù)合材料后續(xù)加工和表面磨損是常見問題，早期的研究表明當(dāng)三維編織復(fù)合材料整體性受到破壞時(shí)，其力學(xué)性能會(huì)下降約40%～50%[18]。但近幾年的研究表明，通過增加軸向紗比例（全五向編織）的方法，三維編織復(fù)合材料切邊后剩余強(qiáng)度可以得到有效提高，下降約15%～25%[19]。

三維編織復(fù)合材料力學(xué)分析模型研究現(xiàn)狀

針對(duì)三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的理論研究涉及材料工藝、力學(xué)測(cè)試、材料力學(xué)、損傷斷裂力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、計(jì)算力學(xué)和有限元分析等多個(gè)方面。在過去20年中，針對(duì)不同編織材料（碳/環(huán)氧，碳/陶瓷，碳/碳，玻璃纖維/環(huán)氧）的三維矩型編織復(fù)合材料的力學(xué)分析模型已得到較好的發(fā)展，其主要可以分為兩大類。

1 早期簡(jiǎn)化分析模型

此類模型把材料看作空間多向紗束的組合體，如用于均勻化方法計(jì)算的FGM（fabric geometry model）模型，這類模型在材料剛度性能的預(yù)報(bào)方面已較為完善。Ko等[20]根據(jù)紗線在三維編織體中的走向，首先對(duì)三維編織體建立了簡(jiǎn)單的單胞模型，提出了單胞模型紗線方向角的概念。Miravette等[21]建立了紗線簡(jiǎn)化為細(xì)桿并在中心相交的模型；Yang等[22]提出了將各個(gè)方向的纖維束視為層板的纖維傾斜模型；Wu[23]根據(jù)纖維在預(yù)型件中不同位置的走向差異提出了三細(xì)胞模型；Jiang等[24]基于Miravette模型，經(jīng)過改進(jìn)形成螺旋線模型。這些均是早期的一些均勻化模型。而近幾年發(fā)展的Binary Model和Spring Model[25]（圖6（a）），將增強(qiáng)纖維簡(jiǎn)化為解析單元（桿、梁、彈簧等），這種半解析的分析模型能夠有效減少宏觀結(jié)構(gòu)有限元的計(jì)算代價(jià)。此類模型結(jié)合均勻化方法，已被用于材料剛度預(yù)報(bào)[25]、結(jié)構(gòu)屈曲分析[26]、結(jié)構(gòu)沖擊[27]等問題的研究。

2 有限元分析模型

這類模型分別考慮了復(fù)合材料的兩相或多相，成為后來用于有限元方法仿真計(jì)算的主流單胞幾何模型。它分別考慮復(fù)合材料兩相，并考慮了兩相界面上復(fù)雜的接觸問題，這樣建立的有限元模型能夠更逼真地反映材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，除了在剛度性能預(yù)報(bào)方面具有較高的精度，還在強(qiáng)度預(yù)測(cè)方面有較為理想的結(jié)果。劉振國等[28-29]較早提出了編織紗線的六邊形截面形狀假設(shè)，并將Miravette模型中的線狀無體積纖維發(fā)展成為具有一定體面接觸關(guān)系的實(shí)體，建立了“米”字型枝狀體胞模型，并應(yīng)用此模型分析了三維編織復(fù)合材料的剛度性能。Chen等[30]基于紗線編織過程，建立了三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀幾何分析模型。盧子興等[31]建立了考慮材料兩相接觸關(guān)系的單胞幾何模型，并結(jié)合有限元計(jì)算與試驗(yàn)研究，能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)材料剛度性能進(jìn)行預(yù)報(bào)。Fang等[32]基于紗束截面八角形假設(shè)，建立了單胞幾何模型，并對(duì)其單胞模型進(jìn)行了非線性漸進(jìn)損傷分析。張超等[33]利用有限元法進(jìn)行了三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的研究。李典森等[34]進(jìn)行了三維五向編織材料的編織過程分析，建立了材料有限元分析模型。劉振國等[35-37]建立了三維全五向及三維圓型單胞幾何模型，并進(jìn)行了模型有限元分析適用性的研究，得到了細(xì)觀單胞模型的應(yīng)力分布。Zhou[38]等針對(duì)三維編織復(fù)合材料沖擊問題，建立了考慮紗束截面的管型結(jié)構(gòu)整體模型，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)橫向沖擊載荷下的力學(xué)仿真結(jié)果（圖6（b））。Bogdanovich等[39]利用粒子法處理紗束間界面及兩相界面的問題，該方法試圖避免復(fù)雜的界面建模問題，提出了一種可行的計(jì)算方法，但以粒子法仿真界面力學(xué)行為的物理依據(jù)還有待進(jìn)一步研究。

表1 三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能

兩類力學(xué)分析方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，宏觀均勻化方法主要用于材料剛度預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)剛度問題分析，計(jì)算效率高，然而其將材料看作空間多向紗束的組合體，沒有考慮紗束界面的相互作用關(guān)系，無法得到材料細(xì)觀應(yīng)力分布；細(xì)觀有限元方法主要用于材料細(xì)觀力學(xué)分析，在考慮細(xì)觀材料分布的精細(xì)化模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行材料力學(xué)及傳熱分析，能夠得到較為精確的分析結(jié)果，但由于其涉及復(fù)雜的建模問題，且計(jì)算代價(jià)較高，很難應(yīng)用于結(jié)構(gòu)層面的宏觀力學(xué)分析。目前，三維編織復(fù)合材料多尺度力學(xué)分析所面臨的問題也主要集中在如何建立合理的分級(jí)計(jì)算模型、如何平衡二者的計(jì)算代價(jià)和計(jì)算精度這一問題上。

三維編織復(fù)合材料廣闊應(yīng)用前景

1 三維編織復(fù)合材料應(yīng)用

三維編織復(fù)合材料的應(yīng)用主要集中在航空航天領(lǐng)域，在替代傳統(tǒng)材料方面優(yōu)勢(shì)明顯突出。最主要的是抗分層、抗沖擊損傷，適合異型復(fù)雜截面制件的一次近凈形狀成型。在解決某些特殊問題時(shí)，三維編織技術(shù)始終發(fā)揮著不可替代的作用[40]。從實(shí)際應(yīng)用情況看，三維編織復(fù)合材料主要作為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料、功能材料及結(jié)構(gòu)+功能材料。

（1）耐高溫、耐磨損功能性結(jié)構(gòu)。三維編織復(fù)合材料源于航空航天領(lǐng)域?qū)-C復(fù)合材料的需求，1970年就已經(jīng)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件上得到了大量應(yīng)用。三維編織適用于多種功能纖維的織造成型，因此多作為功能+結(jié)構(gòu)材料，主要應(yīng)用包括：再入飛行器外層隔熱結(jié)構(gòu)（如導(dǎo)彈頭錐的碳/碳、碳/酚醛、碳/陶瓷等熱防護(hù)結(jié)構(gòu)），火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、燃燒室內(nèi)襯、調(diào)整片等高溫結(jié)構(gòu)；石英/樹脂、石英/石英導(dǎo)彈天線罩透波功能結(jié)構(gòu)；剎車片、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)、氣閥等高溫摩擦、磨損結(jié)構(gòu)[41-43]及特殊環(huán)境中的耐磨和潤(rùn)滑材料等。

圖6 三維圓型編織復(fù)合材料力學(xué)分析Fig.6 Mechanical analysis of 3D circular braided composite

（2）高性能、復(fù)雜受力連接結(jié)構(gòu)。隨著研究的深入，樹脂基三維編織復(fù)合材料也得到了廣泛應(yīng)用。三維編織結(jié)構(gòu)中纖維之間彼此互鎖，整體結(jié)構(gòu)中纖維連續(xù)無間斷且直線度較高，并且三維編織纖維結(jié)構(gòu)具有在整個(gè)結(jié)構(gòu)中均勻分布載荷的承載機(jī)制，因此更適用于制造具有復(fù)雜承載要求的結(jié)構(gòu)件，包括耳片接頭、多通管接頭、異型高載荷結(jié)構(gòu)件、高性能復(fù)合材料桿件、管件、一體化旋翼、螺旋槳、飛機(jī)直升機(jī)起落架、傳動(dòng)軸等[39,43-48]，還有可能用于槍炮身管、電磁軌道炮彈等。

（3）抗沖擊、抗疲勞結(jié)構(gòu)。三維編織預(yù)制件本身具有貫穿厚度方向的纖維，這一特點(diǎn)顯著提高了材料厚度方向性能，不存在材料分層問題[49]。在相同面密度條件下，與其他增強(qiáng)結(jié)構(gòu)相比，三維編織結(jié)構(gòu)具有極高的抗侵徹能力，高的損傷后剩余剛度、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性，能顯著提高抗彈傷能力、帶傷生存力和抗墜損能力。三維編織復(fù)合材料的這一特點(diǎn)使其在防彈裝甲、頭盔，武裝直升機(jī)旋翼、傳動(dòng)軸，航空發(fā)動(dòng)機(jī)包容性機(jī)匣、冷端風(fēng)扇葉片、定子葉片，月球、火星軟著陸系統(tǒng)等抗沖擊載荷結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用[43，50-51]。

（4）特殊結(jié)構(gòu)形式。目前，層合材料在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型時(shí)，容易出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，許多結(jié)構(gòu)形式無法一體成型，而編織材料具有很好的尺寸適應(yīng)性，能夠反復(fù)擴(kuò)張和收縮，以適應(yīng)不同的芯模（均勻橫截面形式、變截面形式、軸向大曲率彎曲形式等），就像緊身衣能很好貼合人體表面一樣。因此，一些特殊結(jié)構(gòu)形式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要編織成型工藝，包括大曲率機(jī)身框，先進(jìn)進(jìn)氣道，直升機(jī)旋翼、長(zhǎng)桁，型材填料，民機(jī)弦窗框等[41-43]。

（5）低成本結(jié)構(gòu)件。隨著編織技術(shù)和編織設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展，編織復(fù)合材料的生產(chǎn)效率大幅度提高，尤其對(duì)于管型編織結(jié)構(gòu)，因此將來在民用領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更加廣泛和多樣，包括各種高承載結(jié)構(gòu)接頭，自行車架及零部件，汽車傳動(dòng)軸、前后橋、吸能管、縱梁、彈簧等高動(dòng)載荷易受沖擊部件，生物組織工程支架、骨修復(fù)組織、人工韌帶，智能機(jī)械中的人工肌肉、輕質(zhì)高剛高強(qiáng)機(jī)械臂、高速壓輥、傳動(dòng)軸等。

2 應(yīng)用中存在的問題

雖然國內(nèi)外開展的關(guān)于三維編織復(fù)合材料工程應(yīng)用的研究項(xiàng)目及成果眾多，但其始終未能得到大范圍普及應(yīng)用。在航空航天應(yīng)用中，所有的部件及零件均需要通過測(cè)試和檢驗(yàn)程序，其中包括溫度限制、力學(xué)試驗(yàn)等環(huán)節(jié)。為了減輕結(jié)構(gòu)重量，這些測(cè)試幾乎都達(dá)到了材料的使用極限。然而，目前三維編織復(fù)合材料生產(chǎn)過程還很難滿足這樣的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）制件成本高，周期長(zhǎng)。由于目前技術(shù)水平的限制，三維編織機(jī)的開發(fā)成本相對(duì)較高，且難以適應(yīng)任意形狀預(yù)制件的自動(dòng)化制作，人工干預(yù)較多，導(dǎo)致人力成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。另一方面，由于成本高，使其需求總量減少，難以規(guī)?；?、工業(yè)化生產(chǎn)，這一原因也制約了相關(guān)技術(shù)的提升，導(dǎo)致成本居高不下。

（2）制件尺寸小，成型質(zhì)量離散性大。由于技術(shù)和成本等因素，目前的編織機(jī)絕大多數(shù)只能生產(chǎn)小尺寸、小截面預(yù)型件，僅有的少量自研自用的大型化編織設(shè)備，或成本極高，或自動(dòng)化程度很低，導(dǎo)致生產(chǎn)工期長(zhǎng)，工藝質(zhì)量難以控制。

（3）某些性能難以滿足工程需求。從性能上來看，目前的三維編織復(fù)合材料的各方向性能（除了層間性能以外）與常規(guī)的二維材料的面內(nèi)性能有差距，但可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，需加強(qiáng)工藝及性能研究。

（4）目前，國內(nèi)關(guān)于三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究主要是通過“等代設(shè)計(jì)”的方法進(jìn)行，即將現(xiàn)有金屬結(jié)構(gòu)件替換成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，而很多基于金屬材料或?qū)雍喜牧显O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式并不適于三維編織材料的成型與承載特點(diǎn)，導(dǎo)致三維編織結(jié)構(gòu)件尺寸難以滿足應(yīng)用需求，或者結(jié)構(gòu)性能得不到充分發(fā)揮。

結(jié)論

隨著三維編織復(fù)合材料應(yīng)用研究的逐漸深入，業(yè)界及有識(shí)之士逐漸認(rèn)識(shí)到了三維編織復(fù)合材料的優(yōu)越性和獨(dú)特性，這為該材料的推廣應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)，通過國家的扶持和各部門的不斷投入，材料的應(yīng)用范圍逐步加大。為了突破材料應(yīng)用中的相關(guān)挑戰(zhàn)與限制，編織工藝及自動(dòng)化編織設(shè)備、編織材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)和三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)是未來研究的重要方面。本文首先介紹了三維編織復(fù)合材料成型工藝及其力學(xué)性能；然后，概述了目前三維編織復(fù)合材料力學(xué)仿真方法的研究現(xiàn)狀及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，為工程設(shè)計(jì)人員提供參考；最后，論述了三維編織復(fù)合材料應(yīng)用所面對(duì)的問題，并討論了三維編織材料優(yōu)勢(shì)及其對(duì)結(jié)構(gòu)性能可能的改善和應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，為今后材料的應(yīng)用研究指明了方向。

[1]MOURITZ A P, BANNISTER M K, FALZON P J, et al. Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 1999, 30(12):1445-1461.

[2]REINHART T J. Engineered Materials Handbook: Composites, Volume I[M]. OHIO:ASM International, 1987: 479-495.

[3]VINSON J R, SIERAKOWSKI R L.The behavior of structures composed of composite materials[M]. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1987.

[4]陳利. 三維紡織技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2008(4): 45-47.CHEN Li. Applications of 3D textile technology in Aerospace[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2008(4):45-47.

[5]張迪, 鄭錫濤, 孫穎, 等. 三維編織與層合復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2015, 35(3): 89-96.ZHANG Di, ZHENG Xitao, SUN Ying,et al. Comparative investigation of mechanical properties between 3D braided and laminated composites[J]. Journal of Aeronautical Materials,2015, 35(3):89-96.

[6]BROOKSTEIN D, ROSE D, DENT R, et al. Apparatus for making a braid structure:US5501133[P]. 1996-03-26.

[7]BROWN R T. Braiding apparatus:US4753150[P]. 1988-06-28.

[8]BLUCK R M. High speed bias weaving and braiding: US3426804DA[P]. 1969-02-11.

[9]MCCONNELL R F, POPPER P. Complex shaped braided structures:US4719837[P]. 1988-01-19.

[10]TSUZUKI M, KIMBARA M,FUKUTA K, et al. Three-dimensional fabric woven by interlacing threads with rotor driven carriers: US5067525[P]. 1991-11-26.

[11]徐焜, 許希武, 汪海. 三維六向編織復(fù)合材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2005, 22(6): 144-149.XU Kun, XU Xiwu, WANG Hai.Experimental investigation of the mechanical properties of 3D 6-directional braided composites[J]. Acta Material Composite Sinica,2005, 22(6): 144-149.

[12]李典森, 盧子興, 盧文書. 三維七向編織復(fù)合材料彈性性能的理論預(yù)測(cè)[C]//郭玉明. 第十四屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 北京： 中國宇航出版社, 2006.LI Diansen, LU Zixing, LU Wenshu.Elastic property prediction of 3-dimensional 7-directional braided composite[C]//GUO Yuming. Proceedings of the 14th National Conference on Composite Materials. Beijing:China Aerospace Publishing House, 2006.

[13]黃雨霓. 三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能研究[D]. 北京: 北京航空航天大學(xué), 2012.HUANG Yuni. Mechanical properties of 3D braided composite[D]. Beijing: Beihang University, 2012.

[14]陳利, 梁子青, 馬振杰, 等. 三維五向編織復(fù)合材料縱向性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].材料工程，2005(8): 3-6.CHEN Li, LIANG Ziqing, MA Zhenjie, et al. Experimental investigation on longitudinal properties of 3-D 5-directional braided composites[J]. Journal of Materials Engineering,2005(8):3-6.

[15]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.LU Zixing, FENG Zhihai, KOU Changhe,et al. Studies on tensile properties of braided structural composite materials[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 1999, 16(3): 129-134.

[16]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.LU Zixing, HU Qi. Experimental investigation into the compressive mechanical properties of three dimensional braided composites[J]. Acta Material Composite Sinica,2003, 20(6): 67-72.

[17]楊朝坤. 三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 材料工程, 2002(7): 33-35,39.YANG Chaokun. Research of mechanical properties of 3D braided composite materials[J].Journal of Materials Engineering, 2002(7): 33-35,39.

[18]MACANDER A B, CRANE R M, CAMPONESCHI E T. Fabrication and mechanical properties of multidimensionally (XD) braided composite materials[C]//Composite materials: testing and design (7th conference).Philadelphia, 1986.

[19]WANG Y B, LIU Z G, LEI B, et al.Investigation on the bearing abilities of threedimensional full five-directional braided composites with cut-edge[J]. Applied Composite Materials, 2017, 24(4): 893-910.

[20]KO F K, HARTMAN D. Impact behavior on 2-D and 3-D glass/epoxy composites[J]. Sampe Journal, 1986, 22(4): 26-30.

[21]MIRAVETTE A. 3-D textile reinforcements in composite materials[M].Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 1999.

[22]YANG J M, MA C L, CHOU T W.Fiber inclination model of three-dimensional textile structural composites[J]. Journal of Composite Materials, 1986, 20(5): 472-484.

[23]WU D L. Three-cell model and 5D braided structural composites[J]. Composites Science and Technology, 1996, 56(3):225-233.

[24]JIANG L L, ZENG T, YAN S, et al. Theoretical prediction on the mechanical properties of 3D braided composites using a helix geometry model[J]. Composite Structures, 2013,100: 511-516.

[25]HWAN C L, TSAI K H, CHEN W L, et al. Predicting the elastic moduli of threedimensional (four-step) braided tubes using a spatial spring model[J]. Journal of Composite Materials, 2013, 47(8):991-1000.

[26]GIDEON R K, ZHOU H, WU X, et al. Finite element analysis of 3D circular braided composites tube damage based on three unit cell models under axial compression loading[J].International Journal of Damage Mechanics,2015, 25(4): 574-607.

[27]GUO Y F, LI J L. Ultrasonic on-line testing of the thickness of 3-D braided preforms[J].Journal of Textile Research, 2008(5):55-58.

[28]劉振國, 陸萌, 麥漢超, 等. 三維編織復(fù)合材料彈性模量數(shù)值預(yù)報(bào)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 26(2): 182-185.LIU Zhenguo, LU Meng, MAI Hanchao,et al. Numerical prediction of the elastic of 3-dimensional braided composite[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2000, 26(2): 182-185.

[29]劉振國, 盧子興, 陸萌, 等. 三維四向編織復(fù)合材料剪切性能的數(shù)值預(yù)報(bào)[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2000, 17(2): 66-69.LIU Zhenguo, LU Zixing, LU Meng, et al.Numerical prediction of the shear property of 3-dimentional 4-step braided composite[J]. Acta Material Composite Sinica, 2000, 17(2): 66-69.

[30]CHEN L, TAO X M, CHOY C L. On the microstructure of three-dimensional braided preforms[J]. Composites Science and Technology,1999, 59(3):391-404.

[31]盧子興, 劉振國. 三維紡織復(fù)合材料強(qiáng)度的數(shù)值預(yù)報(bào)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 28(5): 563-565.LU Zixing, LIU Zhenguo. Numerical prediction of the strength of 3D braided composites[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2002, 28(5): 563-565.

[32]FANG G D, LIANG J, WANG B L.Progressive damage and nonlinear analysis of 3D four-directional braided composites under unidirectional tension[J]. Composite Structures,2009, 89(1): 126-133.

[33]張超, 許希武, 許曉靜, 等. 三維多向編織復(fù)合材料宏細(xì)觀力學(xué)性能有限元分析研究進(jìn)展[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2015, 32(5):1241-1251.ZHANG Chao, XU Xiwu, XU Xiaojing, et al.Research progress in finite element analysis on macro-meso mechanical properties of 3D multidirectional braided composites[J]. Acta Material Composite Sinica, 2015, 32(5):1241-1251.

[34]李典森, 陳利, 李嘉祿, 等. 三維五向編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 22(6):7-11.LI Diansen, CHEN Li, LI Jialu, et al.Microstructure analysis of 3-dimensional 5-directional braided composites[J]. Journal of Tianjin Polytechnic University, 2003, 22(6):7-11.

[35]ZHANG F, LIU Z G, WU Z, et al. A new scheme and microstructural model for 3D full 5-directional braided composites[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2010, 23(1): 61-67.

[36]HU L, LIU Z G, WANG Y B, et al.Experiments and progressive damage analyses of three-dimensional full five-directional braided composites under three-point bending[J]. Polymer Composites, 2016, 37(8): 2478-2493.

[37]LIU Z G, WANG Y B, HU L, et al.Predicting the elastic module of 3D braided composite tubes[C]//Proceedings of the 2nd China International Congress on Composite Materials.Zhenjiang, 2015.

[38]ZHOU H L, ZHANG W, LIU Tao, et al. Finite element analyses on transverse impact behaviors of 3-D circular braided composite tubes with different braiding angles[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, 79:52-62.

[39]PICKETT A K, SIRTAUTAS J,ERBER A. Braiding simulation and prediction of mechanical properties[J]. Applied Composite Materials, 2009, 16(6): 345-364.

[40]BOGDANOVICH A, MUNGOLOV D. Recent advancements in manufacturing 3-D braided preforms and composites[C]//BANDYOPADHYAY S, GOWRIPALAN N,RIZKALLA S. Proceedings of ACUN-4 Composite Systems: Macrocomposites, Microcomposites,Nanocomposites. Sydney, 2002.

[41]BILISIK K. Three-dimensional braiding for composites: a review[J]. Textile Research Journal. 2013, 83(13): 1414-1436.

[42]BOISSE P. Advances in composites manufacturing and process design[M].Amsterdam: Elsevier, 2015.

[43]CHEN X. Advances in 3D Textiles[M]. Amsterdam: Elsevier, 2015.

[44]SHARP K, BOGDANOVICH A,BOYLE R, et al. Wind blade joints based on non-crimp 3D orthogonal woven Pi shaped preforms[J]. Composites Part A: Applied Science& Manufacturing, 2013, 49(3): 9-17.

[45]劉振國. 高性能復(fù)合材料管件制作工藝的比較及三維編織技術(shù)的應(yīng)用[J]. 材料工程, 2009(S2): 109-118.LIU Zhenguo. Comparison of high performance composite tubes and the applications of 3-d braiding technology[J]. Journal of Materials Engineering, 2009(S2): 109-118.

[46]鄭錫濤, 郭英男, 田薇, 等. 三維四向編織復(fù)合材料單耳片接頭強(qiáng)度估算[C]//郭玉明. 第十四屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 北京: 中國宇航出版社，2006.ZHENG Xitao, GuoYingnan, TIAN Wei,et al. Strength prediction for 3-dimentional 4-directional braided composite joint[C]//GUO Yuming. Proceedings of the 14th National Conference on Composite Materials. Beijing:China Aerospace Publishing House, 2006.

[47]鄭錫濤, 孫秦, 柴亞南, 等. 復(fù)合材料編織接頭承載能力的試驗(yàn)研究[J]. 航空學(xué)報(bào), 2007, 28(2): 348-351.ZHENG Xitao, SUN Qin, CHAI Ya’nan,et al. Failure load of load-bearing joints in three-dimensional braided composites[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2007, 28(2):348-351.

[48]劉振國, 林強(qiáng), 亞紀(jì)軒, 等. 三維全五向編織耳片接頭力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].航空學(xué)報(bào), 2016, 37(7): 2225-2233.LIU Zhenguo, LIN Qiang, YA Jixuan, et al.Experimental research on mechanical properties of the 3D full 5-directional braided composites lugs[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2016, 37(7): 2225-2233.

[49]FLANAGAN M P, ZIKRY M A,WALL J W, et al. Experimental investigation of high velocity impact and penetration failure modes in textile composites[J]. Journal of Composite Materials, 1999, 33(12): 1080-1103.

[50]TONG L Y, MOURITZ A P,BANNISTER M K. 3D fibre reinforced polymer composites[M]. Amsterdam: Elsevier, 2002.

[51]郭建輝. “月球軟著陸器用高性能三維編織復(fù)合材料研制”項(xiàng)目通過天津市科委驗(yàn)收[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 31(3):36.GUO Jianhui. Lunar soft high performance 3D braided composites research project land by the Tianjin municipal science and technology commission approval[J]. Journal of Tianjin Polytechnic University, 2012, 31(3): 36.