殷冬冬 車玉秋 李妍緣

摘 要：三維編織復(fù)合材料具有高的比模量、比強(qiáng)度、損傷容限、剪切強(qiáng)度、抗沖擊損傷、耐燒蝕和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。其良好的性能使得三維編織復(fù)合材料能夠滿足航空航天器、軍工產(chǎn)品、建筑材料和人造生物材料等的使用要求。

關(guān)鍵詞：三維編織；材料；紗線；性能；裝備

目前，紗線在空間中相互交織的三維編織技術(shù)在特定的領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。三維編織復(fù)合材料是由三維編織織物與基體復(fù)合而成的一種先進(jìn)的復(fù)合材料，它的綜合性能取決于三維編織材料和基體的性能。作為增強(qiáng)相的三維編織材料對(duì)復(fù)合材料整體性能起著決定性作用，而三維編織材料的加工技術(shù)是影響三維編織材料性能的重要因素。

三維編織材料的幾何形狀和內(nèi)部紗線的密度都具有良好的可設(shè)計(jì)性，通過改變相關(guān)的工藝條件可以編織出符合不同要求的織物，通過改變?nèi)S編織材料的纖維體積百分比，可以使得材料的綜合性能能夠適應(yīng)不同要求?，F(xiàn)有的三維編織方法主要包括二步法、四步法、多步法等。其中發(fā)明較早且研究較多的是四步法及以四步法為基礎(chǔ)的多向編織方法，現(xiàn)代工業(yè)急需性能更好的低成本加工方法，以滿足三維編織復(fù)合材料的推廣應(yīng)用以及高品質(zhì)要求，新三維編織材料加工工藝的開發(fā)研究顯得尤為重要。

新型三維編織材料的優(yōu)越性能使得它作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相，能夠提升復(fù)合材料的性能，使其應(yīng)用更加廣泛，因此對(duì)于新型三維編織材料的研究，將會(huì)為新型三維編織材料和編織工藝的工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，并且對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重大的意義。三維編織復(fù)合材料不僅在航天軍工，而且在汽車、自行車等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。三維編織材料是在二維編織的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它的出現(xiàn)很好地彌補(bǔ)了二維編織的不足。三維編織技術(shù)使得復(fù)合材料的靜態(tài)性能及力學(xué)性能得到很大的提升。三維編織織物通過基體復(fù)合成型形成三維編織復(fù)合材料，三維編織材料的優(yōu)良性能使得人們對(duì)它有著更高的期待。

三維編織技術(shù)出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)六十年代末期，發(fā)展于八十年代。其中，最主要的研究大都集中在二步法與四步法，四步法的發(fā)明要早于二步法。1982年，R.A.Florentine首先發(fā)明了“Magnaweave”編織方法即四步法編織工藝以及編織設(shè)備。1987年，Peter.Popper和Ronald.F.McConnell發(fā)明二步法編織工藝。隨著四步法和二步法的發(fā)明，大量相關(guān)的研究被展開?；谒牟椒ㄈS編織的多向編織工藝得以開發(fā)并成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，目前成功應(yīng)用的有三維五向、六向和七向編織工藝。美國于八十年代中期由NASA主導(dǎo)，聯(lián)合眾多科研院所致力于三維編織技術(shù)的研究與開發(fā)工作，并且取得了相應(yīng)的一些成果。以德國、英國為代表的歐洲國家也在盡力開發(fā)新的三維編織材料。在亞洲研究較早的是日本，在經(jīng)過系統(tǒng)的分析研究后也開發(fā)了一系列三維編織設(shè)備。世界上研究三維編織技術(shù)的國家有很多，但是研究成果作為國家的核心競爭力，都受到了嚴(yán)密的保護(hù)。

為了擁有獨(dú)立自主的先進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)于八十年代末也陸續(xù)有一些高等院校及科研院所開始了研究三維編織的相關(guān)工作。經(jīng)過許多科研工作者的不懈努力，我國現(xiàn)在的三維編織技術(shù)也在快速發(fā)展，發(fā)明了一些基于二步法和四步法編織工藝的裝備。比如，天津紡織工學(xué)院成功的設(shè)計(jì)并制造出了電腦控制的三維編織設(shè)備，該設(shè)備最大可實(shí)現(xiàn)四萬根編織紗線的編織。在三維編織技術(shù)及裝備的研究過程中，為了解決三維編織設(shè)備在織物形狀、截面大小等尺寸變化方面的限制，研制了更為靈活的編織設(shè)備，通過對(duì)編織機(jī)進(jìn)行單元化的設(shè)計(jì)，從而解決了異形織物的編織，大大的提高了三維編織設(shè)備的工作效率且降低了編織成本。上世紀(jì)末，天津工業(yè)大學(xué)研發(fā)了一種能夠編織大尺寸且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜織物的編織設(shè)備。

隨著三維編織復(fù)合材料的應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)三維編織材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究就顯得尤為集中，為了更好地了解三維編織復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能，三維編織材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究成為了一種趨勢，國外很多學(xué)者開始了對(duì)這種新興三維材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并建立了相應(yīng)的模型。Frank.Ko首次提出了“FGM”即三維編織復(fù)合材料單胞模型理論。Whitney和Chou詳細(xì)提出了“Micro—Cell”即微單元概念，并成功的將它應(yīng)用于編織材料的分析。Yang通過對(duì)1×1四步法編織的材料的研究，建立了“Fiber Inclination Model”。針對(duì)三維五向編織法編織的材料，Ko等通過使用分析軟件對(duì)該種復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了分析研究。針對(duì)編織紗之間的關(guān)系，Ma等建立了該種材料的細(xì)觀模型。針對(duì)于使用三維六向法編織的材料，通過實(shí)驗(yàn)的方法，Xu等得到了相關(guān)性能參數(shù)。

國內(nèi)的研究也同樣迅速，針對(duì)應(yīng)用較為廣泛的四步編織法，吳德隆建立了內(nèi)部、面部、角部三種可重復(fù)的單胞幾何模型。針對(duì)使用三維四向編織法編織的織物，劉振國不僅建立了“米”型的單元模型，而且對(duì)相關(guān)材料的性能參數(shù)進(jìn)行了有效地預(yù)測。針對(duì)使用三維七向法編織的復(fù)合材料，李典森深入研究了該種材料的整個(gè)編織過程和紗線交織情況，建立了該種材料的單胞模型并提出了模型理論公式。針對(duì)三維管狀編織材料，馬文鎖通過對(duì)其在實(shí)際狀態(tài)下梯度性能的變化的研究，提出了可變微單元模型，系統(tǒng)地分析了管狀織物的性能并解決了梯度變化問題。

2005年，馬文鎖通過研究晶體學(xué)中的對(duì)稱群理論，把該理論與編織材料中紗線的幾何位置關(guān)系聯(lián)系在一起，成功的把對(duì)稱群論應(yīng)用于編織幾何結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)和材料相關(guān)性能的研究。離散后的編織紗線段可以用空間點(diǎn)來代替，這樣便可用空間點(diǎn)群來代表編織材料的單胞結(jié)構(gòu)，那么將點(diǎn)群與空間群相結(jié)合即把編織材料的單胞一一放置于與編織幾何結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣?yán)铮绻@種單胞的組合使得編織紗線呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)，便可得到一種全新的結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬文鎖，張建中，蘇冰.基于可變微單元模型的三維編織復(fù)合材料管彈性性能預(yù)報(bào)[C].第六屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，武漢：2007：1001-9731.

[2]孫其永，李嘉祿，焦亞男，等.三維編織技術(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.

[3]易洪雷，丁辛.三維機(jī)織復(fù)合材料的彈性性能預(yù)報(bào)模型[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35（5）：569-577.