三維編織復合材料的力學性能研究進展

楊瑩 臧金環

（中汽信息科技（天津）有限公司，天津 300300）

0 引言

傳統層合復合材料存在層間強度低、不耐沖擊和易分層的缺陷。三維編織復合材料不僅具備傳統層合復合材料的各項優點，還因其一體成型的制備工藝而具備輕質量輕、強度高，抗沖擊、抗老化的優異性能，可以滿足航空航天、建筑、汽車等領域對材料抵抗多向應力的迫切需求。近年來，隨著編織工藝日益成熟和自動化水平不斷提升，三維編織復合材料已成為制造業高新技術領域主承力復雜異型構件設計及制備的理想候選材料[1-3]，已有一些采用三維編織復合材料制造的關鍵部件投入生產應用，例如發動機風扇葉片、異形梁、車頂板。

目前，三維四向、五向編織復合材料已得到國內外學者的廣泛關注。為了綜合提高三維編織復合材料在面內面外各方向的力學性能，對于新型編織復合材料結構（如三維六向、七向編織復合材料）的開發工作正在進行。三維編織復合材料在實際應用中往往要受到來自各個方向的載荷，并且常處于惡劣的溫度條件下，因此有必要研究該材料在不同結構和復雜工況下的力學性能及失效機理。

本文首先闡述三維編織復合材料在汽車行業的應用現狀，分析其應用前景。其次總結不同結構的三維編織復合材料在拉伸、壓縮、彎曲、沖擊、疲勞試驗條件下的力學性能和失效機理，最后設計并制備三維七向編織復合材料，對其力學性能進行初步研究，對三維編織復合材料在汽車上的應用進行展望。

1 三維編織復合材料在汽車上的應用

現階段的碳纖維復合材料在多個汽車配件方面具備比較成熟的應用方案。作為占據整車質量高達40%以上的主體部件，車身不僅起到支撐整體結構的作用，還要保證行駛的安全性。目前，德國寶馬公司所研發的Z-9 及Z-22 系列車型中選用了多種碳纖維復合材料制成的車身結構件；德國大眾汽車公司“2 L車”CC1 研究項目中，用于車身的碳纖維復合材料比例高達45%；通用汽車公司采用碳纖維復合材料制成的Chevrolet CorvetteZ06 紀念版轎車的發動機罩蓋，質量僅為9.3 kg；福特和保時捷的發動機罩也全部采用了碳纖維復合材料。

隨著國家碳排放政策實施，新能源汽車逐漸成為汽車銷售市場上的主力。新能源汽車輕量化主要分為2 個方向：（1）減輕整車質量；（2）優化儲能裝置。

蔚來公司生產的ES6 除了采用碳纖維后地板總成、碳纖維座椅板總成、碳纖維后地板橫梁總成3大部件之外，其電池包上殼體也采用了碳纖維材料，大幅度減輕整車質量。采用碳纖維材料有利于新能源汽車輕量化，進而有效延長續駛里程。

根據近年來環境政策以及“碳達峰、碳中和”目標的要求，汽車輕量化已經成為影響汽車廠商生存的重要因素，因此，碳纖維增強復合材料也越來越受到汽車廠商的重視。實現碳纖維復合材料在汽車各部位中的廣泛應用，可以更好地滿足汽車的輕量化需求，并在新能源汽車領域取得進一步發展[4-6]。

2 力學性能研究現狀

2.1 靜態力學性能

近年來，國內外學者在三維編織復合材料的靜態力學性能研究方面做了大量的工作，例如Fang 等[7]通過微機損傷模型與有限元細觀力學模型研究了三維四向編織復合材料的單軸壓縮性能，在模擬中考慮了纖維初始錯位角和編織紗的縱向剪切非線性，提供了具有2 個不同編織角的復合材料破壞形式，發現編織角度小的復合材料的壓縮性能對纖維初始缺陷敏感。

Han 等[8]分析了三維六向編織復合材料在室溫、高溫和液氮溫度下的力學性能和失效情況，驗證了溫度對材料的彎曲性能有重要影響，發現彎曲性能隨著溫度的升高而降低，并且在-196 °C 時的彎曲性能顯著增強。此外，三維六向編織復合材料的彎曲性能高于四向和五向編織復合材料，這是因為橫向紗可以有效地抑制負載傳播。

李澤江等[9]設計制造了三維六向編織復合材料T型接頭，針對不同的編織角（20°、30°、40°）及不同的紗線束細度的拉脫性能進行試驗研究。試驗結果表明，在拉脫載荷作用下，編織角對三維六向編織T 型接頭的拉脫性能影響很大，編織角從20°變為40°時，拉脫載荷提高53%；而紗線束細度對三維六向編織T 型接頭的拉脫性能影響較小。

盧子興等[10-11]進行了三維四向、五向編織材料的拉伸試驗，獲得了試驗材料的主要拉伸性能參數和破壞規律，并且通過壓縮試驗，研究了三維四向編織復合材料的抗壓力學性能。結果表明，橫向壓縮的破壞機理與縱向壓縮明顯不同，并且縱向壓縮模量更大。編織角是影響壓縮破壞機理的重要因素，當編織角大于某個角度，材料的應力應變曲線趨于非線性，延性增加，更多地表現為塑性失效特征。

陳利等[12]探究了三維五向編織復合材料的縱向拉伸和壓縮試驗，認為該材料在破壞前基本呈線彈性，縱向拉、壓破壞具有脆性特征，拉伸模量和壓縮模量接近，而抗拉強度遠大于壓縮強度，并且提高第五向紗線的比例，可以增強材料的縱向性能。

Li 等[13]在5 種不同溫度條件下對三維編織復合材料進行了3點彎曲試驗。結果表明：室溫下，該復合材料具有最高的拉伸強度和拉伸模量，同時隨著纖維的斷裂而損傷，表現出脆性斷裂特征。但在較高的溫度下，復合材料發生軟化現象，可塑性增強，其損傷來源主要是基體微裂紋和纖維與基體脫粘。

Zhang 等[14]提出了一種熱機耦合本構模型，用于計算三維編織復合材料在高溫環境下的應力和溫度分布，并推導出一個絕熱溫升方程，用有限元方法對沖擊損傷進行數值模擬。

Zhu 等[15]通過試驗研究了三維六向編織碳纖維和環氧復合材料的面內壓縮性能，并且建立了漸進損傷模型來預測材料的力學性能和定量解釋其破壞行為。

Han 等[16]成功制備了三維六向編織碳纖維和環氧復合材料，分析了溫度和編織角對該材料的面外壓縮性能和失效模式的影響。

2.2 動態力學性能

孫夢堯等[17]以三維五向編織復合材料為研究對象，使用落錘沖擊儀對20°和40°編織試樣開展了沖擊能量為100 J 的低速沖擊試驗。在此基礎上，利用Micro-CT 對內部損傷區域進行了圖像采集，并建立了基于閾值的整體損傷自動提取方法。結果表明，損傷沿著沖擊中心向四周拓展并呈現對稱性，主要損傷分布依次是纖維損傷、基體損傷和界面脫粘。同時，20°編織試樣比40°編織試樣損傷更為嚴重，且沿著軸紗方向，兩種編織角試樣的損傷擴展值更大。

Li等[18]研究了不同編織角度的三維六向編織復合材料的高應變率沖擊效應和破壞行為，驗證了三維六向編織復合材料具有典型的應變率敏感性。隨著應變速率的增大，材料的強度和模量均增大，破壞應變減小。隨著編織角度的增大，復合材料的損傷和斷裂明顯減小，材料在高應變率條件下的脆性破壞減少。

胡美琪等[19]采用試驗測試、計算機斷層掃描技術和有限元分析方法，研究不同編織結構參數的三維碳纖維增強環氧樹脂編織復合材料梁在不同溫度和沖擊速度下的橫向沖擊損傷性質，揭示多次沖擊加載下的熱力耦合損傷機理，發現溫度、加載速度和編織結構對多次沖擊損傷的影響規律。同時建立了完整的復合材料熱力耦合沖擊加載破壞研究方法，可應用于其他纖維增強聚合物復合材料沖擊加載破壞性能研究，也可以應用于不同溫度環境中紡織復合材料工程結構抗沖擊損傷設計。

Li 等[20]采用霍普金森壓桿技術，在350～600 s-1高應變率下對三維五向碳纖維和酚醛編織復合材料單軸壓縮應力應變響應進行了試驗研究。

Tan 等[21]采用分裂式霍普金森壓力棒研究了三維編織復合材料的動態壓縮響應，并且建立了中尺度有限元模型來表征其壓縮行為。結果表明，在動態加載條件下，三維編織復合材料的破壞應力和抗壓剛度在縱向最高，其次是面外厚度方向，而在橫向上最弱。

Lyu 等[22]建立了基于真實結構特征的三維編織復合材料的全尺寸細觀結構模型，探討了在不同應變率時該材料的面內橫向動態沖擊性能和失效模式，結果表明，復合材料的應力波分布有四個周期，且應力波周期逐漸減小。隨著沖擊速度的增加，所有數值均增大。

2.3 疲勞性能

張明等[23]基于有限元軟件ABAQUS，通過編寫用戶子程序UMAT，建立了可以詳細表征材料在靜力和疲勞載荷下各個組分損傷演化過程的有限元模型。在三維五向編織復合材料有限元模型中引入界面和缺陷，模擬三維五向編織復合材料疲勞失效過程，分析材料疲勞失效模式，預測疲勞壽命。

Li 等[24]制備了三維六向編織復合材料，研究其拉伸疲勞性能，分析了三維五向編織復合材料在壓縮疲勞下的疲勞行為和破壞機理。此外，小編織角復合材料在縱向和橫向上都具有較高的疲勞壽命，材料在縱向荷載作用下的抗疲勞能力優于橫向荷載下的抗疲勞能力。

余海燕等[25]對碳纖維復合材料層合板進行了25～50 ℃加速水浴吸濕試驗以及吸濕后單向拉伸和3 點彎曲試驗，研究了吸濕率、拉伸強度和彎曲強度隨吸濕時間、水浴溫度的變化規律，討論了層合板的失效機理。擬合試驗數據建立了層合板的剩余強度模型，并基于環境當量系數對層合板的濕熱老化壽命進行預測。

3 三維七向編織復合材料的力學性能

國內外學者對于三維編織復合材料的研究大多集中于對三維四向和五向編織材料靜態力學性能的研究。近年來，對三維六向編織材料的研究逐漸增多，而未見關于三維七向編織復合材料靜動態力學性能及其失效機理的研究相關文獻。因此，有必要進一步探索編織結構與復合材料的關系，制備并研究三維七向編織復合材料的力學性能，考慮溫度、編織參數和加載方向對其性能的影響，為該材料的應用建立數據庫。

3.1 三維七向編織復合材料的設計與制備

本文選用東麗公司生產的碳纖維作為編織紗線，采用三維七向編織工藝編織的織物，該織物具備兩個大小不同編織角。通過真空輔助樹脂傳遞模塑成形工藝，將環氧樹脂與該編織預制件復合固化成形，獲得三維七向編織復合材料。

3.2 試驗進程

根據ASTM標準D3410—87，在高溫電子試驗機上分別在不同溫度(25～180 ℃)進行高溫壓縮試驗[26-27]。在每個溫度水平上至少測試3 個樣品，以獲得試驗結果的平均值。

3.3 試驗結果與討論

溫度是影響三維七向編織復合材料壓縮性能的重要因素。如圖1所示，在面外壓縮條件下，隨著溫度的升高，樣品的強度逐漸下降，這說明面外壓縮性能逐漸減弱，同時，模量隨著溫度上升也呈現下降趨勢。這是由于溫度上升使得樹脂內部分子運動劇烈，纖維與基體之間的熱膨脹系數差增大，纖維與基體之間的應力減小，性能下降。

圖1 材料在面外方向上的壓縮強度及模量

除此之外，編織角較大的材料壓縮性能優于編織角較小的材料。因此，平面外壓縮性能隨編織角的增大而增大。這是由于第七向纖維束和編織纖維束在平面外承擔了大部分的負荷。編織角越大，纖維分量在面外方向上越大，承載能力越高；編織角越大，纖維內部結構越致密，復合材料越難斷裂。

如圖2 所示，在25 ℃時，材料產生45°的裂紋。在90 ℃時，材料發生變形，并且四角剝落。在180 ℃高溫時，樹脂在高溫下發生軟化現象、基體嚴重開裂、界面出現脫粘，材料性能顯著下降。這主要是因為環氧樹脂基體在其玻璃化轉變溫度附近發生軟化現象，使得材料在高溫下承載不了這樣的壓縮載荷，從而通過基體碎裂來消耗壓縮帶來的能量。

圖2 在25 ℃、90 ℃和180 ℃時材料面外觀破壞情況

圖3為材料在不同溫度下，通過掃描電鏡觀察到的微觀破壞照片。在25 ℃常溫條件下，纖維剪切斷裂拉出，但是基體與纖維的界面附著力仍然很強。在90 ℃條件下，基體呈現塑性破碎。在180 ℃高溫條件下，樹脂發生熔化，塑性基體在剪切中斷裂，基體嚴重損壞并發生分層。對于面外壓縮，以碳纖維為主要承載對象，復合材料表現出較高的力學性能，但隨著溫度的升高，由于基體的性能退化，其壓縮性能有所下降。

圖3 在25 ℃、90 ℃和180 ℃時材料面外微觀破壞情況

因此，在面外壓縮時，軸向紗線和六向、七向紗線垂直于壓縮方向都受到正壓力作用，編織紗線受到壓縮應力和剪切應力的耦合作用，由于材料內部的交叉網絡結構，纖維承載了主要的壓力。軸向纖維和六向、七向纖維發生屈曲和撕裂，編織纖維發生剪切斷裂并拔出，基體產生裂紋，纖維完全斷裂后，材料被壓實，最終完全失效。在室溫下，材料出現45°剪切斷裂，邊緣纖維束向外擴張，對于大編織角的材料，剪切斷裂和扭轉現象更為明顯。隨著溫度的升高，基體的軟化和塑化作用使樹脂與纖維的結合能力減弱，基體從纖維束上脫落，界面發生嚴重的脫粘，導致材料失效。

4 總結與展望

三維編織復合材料作為主要承載構件，通常要承受多方向載荷，例如發動機殼體經常受到復雜的多向載荷。本文從力學試驗、仿真模擬、理論分析3個方面概述了現階段三維編織復合材料的力學性能和失效模式研究進展，分析了三維結構、溫度和加載方式對材料失效形式的影響。進一步研究了三維七向編織復合材料在常溫和高溫條件下的壓縮性能，探索了編織角對該材料的壓縮性能影響，從宏觀和微觀角度觀察了材料的失效模式和破壞形貌，分析并揭示其失效機理，為三維七向編織復合材料的廣泛應用建立數據庫。

本文根據以上分析，可以得出結論：

三維編織復合材料的力學性能受溫度影響較大，隨著溫度上升到一定高度，材料的強度下降，模量減小，溫度升高，三維編織復合材料的失效模式發生變化，由常溫下的纖維斷裂、基體開裂轉變為基體熔融、纖維剪切斷裂。同理，溫度過低也會降低材料的強度和模量，使其在低溫環境下發生脆性開裂。除此之外，編織角和載荷方向對復合材料的力學性能也存在一定影響。

三維編織結構由其常見的三維四向逐步發展到已有初步研究的三維七向結構，隨著結構愈加復雜，材料的受力情況更加多變。未來應進一步研究有限元模型，模擬疲勞環境下拉壓彎剪的受力情況，結合理論分析預測材料力學特征，從理論角度對材料的力學性能進行解析，以不同結構的材料來匹配合適的應用場景。