摘要：文章綜述了三維編織復合材料（Three-dimensional woven composites；3DWCs）在多種影響因素下的力學性能和損傷機理。首先介紹了三維編織復合材料的分類，然后詳細討論了預制件結構、加載方式、纖維混合、復合材料尺寸、界面和溫度環境等因素對三維編織復合材料力學性能和損傷機理的影響。最后回顧了近年來包含制造缺陷的三維編織復合材料數值模型的研究進展，并總結了三維編織復合材料力學性能研究的不足之處，展望了三維編織復合材料未來的發展方向。

一.引言

隨著3D編織技術的不斷發展和機械自動化的進步，3D編織復合材料（3DWCs）因其獨特的優勢，如復雜部件的完整近凈形制造和高抗損傷能力，在軍事、航空航天、汽車、風能和民用基礎設施等領域得到了廣泛應用。然而，三維編織復合材料在不同影響因素下表現出顯著的力學性能差異，這給選擇合適的應用場景帶來了挑戰。

近年來，三維編織復合材料的性能分析和建模取得了顯著進展，主要研究內容包括力學性能和損傷機理、數值建模以及混合纖維的應用。然而，三維編織復合材料的力學性能研究仍面臨挑戰，例如缺乏逆向設計研究、混合纖維設計的復雜性、測試標準與實際應用的差異、數值模型的計算效率以及更先進的制造技術需求。

圖1 3D機織物結構及其主要類型，從纖維材料到應用領域。

近日，《Composite Structures》期刊發表了一篇由河南科技大學和洛陽龍門實驗室智能制造基礎研究中心的研究團隊完成的有關三維編織復合材料的力學性能和損傷機制的研究成果。該文章對三維編織復合材料在不同影響因素下的力學性能和損傷機理進行了全面綜述，并介紹了包含缺陷的三維編織復合材料數值模型的研究進展。該研究對于選擇三維編織復合材料的不同工程應用場景、完善現有的力學性能數據庫以及推動三維編織復合材料的性能優化具有重要意義。論文標題為“A comprehensive review on mechanical properties and damage mechanisms of 3DWCs under various influencing factors”。

二．3D 編織布的分類

3D 編織布可以根據編織技術、紗線交錯機制和制造方法進行分類。根據交織機制和扎結深度，可以將 3D 編織結構分為三維全貫穿正交 (3DTO)、三維層間正交(3DLO)、三維全貫穿角交織（3DTA） 和三維層間角交織（3DLA） 四種類型。這些織物可以在傳統和改進的織機上或 3D 織機上編織。通過改變經緯紗層數、扎結紗數量、紗線傾角和角交錯織物中的填充紗插入，可以獲得各種 3D 編織結構。

圖 2  實驗測試方法：(a) 拉伸測試; (b) 壓縮測試;(c)剪切測試; (d) 三點彎曲測試 ; (e) 橫向沖擊測試

三． 3D編織復合材料力學性能和損傷機制

1.預制件

（1）織物結構：三維全貫穿正交 (3DTO)結構在平面性能方面表現最佳，而 三維全貫穿角交織（3DTA）和三維層間角交織（3DLA） 結構在厚度方向上的性能較差。三維全貫穿正交 (3DTO)結構的復合材料在拉伸和壓縮測試中表現出優異的平面性能，而在厚度方向上也優于三維層間角交織（3DLA） 結構。此外，三維全貫穿正交 (3DTO)結構的復合材料在沖擊載荷下具有更高的抗損傷能力。

（2）紗線密度：紗線密度直接影響預制件的成型性和復合材料的力學性能，較高的紗線密度通常可以提高復合材料的強度和剛度。扎結紗可以增強 3D 角交錯復合材料的抗損傷能力，但其平面性能會受到影響。填充紗可以有效地提高 3D 角交錯復合材料的抗彎強度和模量。

（3）剪切預變形：剪切預變形會影響 3D編織預制件的形狀，進而影響其復合材料的力學性能和損傷機制。剪切預變形會導致緯紗在壓縮載荷下更容易發生平面旋轉，從而降低復合材料的承載能力。剪切預變形也會改變 3D 角交錯復合材料的損傷模式，從纖維縱向斷裂轉變為纖維和基體耦合失效。

圖3  3D 織物對 3D 織物損傷機制的影響：(a) 樣品表面的應變圖; (b) 不同增強系統 3D 織物的損傷模式; (c)三種不同填充紗含量 3D 角度交織復合材料的破壞形態; (d) 3D 織物層間載荷下 Z-綁定紗的損傷過程; (e) 具有剪切預變形的樣品的破壞形態

2.加載模式

（1）加載方向：3D編織復合材料在不同加載方向下的力學性能存在顯著差異。軸向和偏軸加載下，3D編織復合材料的平面性能優于厚度方向。不同的偏軸角度會導致3D編織復合材料的損傷模式發生變化。3D編織復合材料在厚度方向上的力學性能較低，且界面強度是影響其抗拉伸和抗剪切性能的主要因素。

（2）加載類型：與單軸實驗相比，雙軸和多軸實驗數據更適用于復雜應力狀態。3D編織復合材料在雙軸拉伸載荷下會經歷縱向纖維斷裂、橫向纖維開裂和基體失效等損傷模式。3D編織復合材料在雙軸壓縮載荷下的失效機制取決于加載比。多軸加載會產生各種損傷機制，這些機制可以看作是每個單軸加載產生的單個損傷機制的組合。

（3）應變率：復合材料的強度和彈性模量隨著加載率的增加而增加。3D編織復合材料的應變率敏感性因織物結構和加載方向而異。通常，平面方向的應變率敏感性高于厚度方向。

圖4  3D 織物在不同加載模式和應變率下的損傷機制：(a) 低速沖擊載荷; (b) 層間拉伸載荷;  (c) 雙軸拉伸載荷; (d) 拉伸-扭轉載荷; (e) 沖擊載荷; (f) 不同應變率

3.混合 3D 編織復合材料 (H3DWCs)

（1）混合紗線材料：3D編織復合材料通常由具有優異力學性能的高剛度纖維和具有優異抗沖擊性能的韌性好纖維組成。碳纖維/玻璃纖維、碳纖維/玄武巖纖維和碳纖維/凱夫拉纖維等混合組合已被廣泛研究。混合纖維可以改善 3D編織復合材料的抗沖擊性能和損傷容限性。

（2）混合方法：3D編織復合材料的混合方法包括層間、層內、混合、選擇放置和超混合等。不同的混合方法會導致3D編織復合材料的損傷演化模式發生變化。層間混合通常具有最佳的力學性能和抗沖擊性能。

圖 5 不同混合紗材料和混合方法對 H3D 織物損傷機制的影響：(a) 五種不同 H3D 織物在拉伸載荷下; (b) 單次和多次低速沖擊試樣; (c) 不同承載面的低速沖擊; (d) 不同混合紗材料的沖擊測試; (e) 損傷紗的 SEM 形貌; (f) H3D 織物經向和緯向彎曲損傷的形態 

4.復合材料尺寸

復合材料的尺寸效應因加載模式而異。單軸纖維層壓復合材料的拉伸強度隨著試樣尺寸的增加而降低，而模量保持不變。3D編織復合材料的尺寸效應可能與其缺陷分布、纖維體積含量和纖維結構有關。尺寸效應的規律在不同預制件結構和加載模式下并不完全相同。

5.界面

界面是纖維和聚合物基體之間的共同邊界。界面脫粘是3D編織復合材料中常見的損傷模式，且界面性能對3D編織復合材料的力學性能有顯著影響。界面強度和斷裂韌性會影響3D編織復合材料的抗拉伸和抗壓性能。

6.環境溫度

3D編織復合材料在服役過程中會暴露于各種溫度環境中。環境溫度對 3D編織復合材料的力學性能有顯著影響，可能導致老化效應。樹脂基體和界面在高溫和低溫下的行為不同。通過合理混合不同類型的纖維，可以顯著提高復合材料的耐熱性。

圖6 3D 織物在不同環境溫度下的損傷機制：(a) 室溫和高溫下層間剪切損傷的 SEM 圖像 ; (b) 液氮溫度下彎曲斷裂的 SEM 圖像; (c) 3D 角度交織織物的軸向和橫向應變分布 

四.含缺陷 3D 編織復合材料的數值模型

1.空洞缺陷

（1）建模方法：主要采用兩種方法：隨機元素選擇和直接建模。隨機元素選擇通過降低隨機選擇單元的剛度來模擬空洞缺陷，而直接建模則通過創建空洞的幾何形狀來模擬其特征。

（2）影響：空洞缺陷的尺寸、位置和體積分數會對3D編織復合材料的力學性能產生顯著影響，尤其是在壓縮方向和織物結構中。空洞會導致應力集中和損傷模式的改變。

(3）數值模型

微觀模型：能夠精確描述纖維、基體和界面的微觀結構，但計算成本高，且依賴于精確的材料微觀細節。

多尺度模型：結合微觀和宏觀尺度，能夠在保持精度的情況下降低計算成本。

2. 纖維缺陷

（1）建模方法

微觀模型：通過在模型中輸入實際測量的纖維錯位數據來模擬微觀纖維錯位。

數字元素模型：利用數字元素鏈跟蹤方法重建紗線幾何形狀，并考慮紗線內部纖維體積分數的不均勻性。

多尺度模型：將紗線內部纖維排列和編織結構定義為微觀和宏觀代表體積單元，并通過應力放大因子將宏觀應力傳遞到微觀應力。

（2）影響

纖維錯位會導致壓縮性能下降，并改變損傷模式和損傷發展過程。

（3）數值模型

微觀模型：能夠精確描述微觀纖維錯位的影響，但計算成本高。

數字元素模型：能夠模擬紗線內部纖維體積分數的不均勻性，但模型計算成本高。

多尺度模型：能夠有效地模擬纖維強度分布的影響，但需要解決不同尺度之間的參數傳遞和一致性問題。

3. 殘余應力

（1）建模方法：主要采用微觀力學方法和多尺度方法。微觀力學方法包括自洽理論、廣義自洽理論和 Mori-Tanaka 方法，而多尺度方法則結合了微觀力學方法和有限元方法。

（2）影響：殘余應力會導致尺寸變化、分層和基體開裂。

（3）數值模型

微觀力學模型：能夠描述不同材料之間的熱膨脹系數/剛度的匹配問題，但難以應用于復雜的微觀結構。

多尺度模型：能夠有效地模擬殘余應力的形成和發展，但需要解決不同尺度之間的參數傳遞和一致性問題。

圖7  有限元建模(a) 微觀結構組件的最大主應力分布; (b) 不同沖擊方向沿壓縮方向的應力-應變曲線;(c) 多尺度遞歸微觀力學方法的示意圖; (d) 紗線重建過程 

五.小結

該研究全面分析了3D編織復合材料在各種影響因素下的力學性能和損傷機制，包括預制件架構、加載模式、紗線混合、復合材料尺寸、界面和溫度環境。并回顧了包含制造缺陷的3D編織復合材料數值模型的研究進展。這項研究為不同工程應用選擇3D編織復合材料提供指導，完善了現有的力學性能數據庫，并推動了3D編織復合材料的發展。

原始文獻：

Xu, Y., Ma, W., Wang, X., Ma, Z., Huang, Z., & Man, R. (2025). A comprehensive review on mechanical properties and damage mechanisms of 3DWCs under various influencing factors. Composite Structures, 351, 118523.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118523