熊自明， 劉 欣， 張中威， 馬 超， 代曉青

(1.陸軍工程大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室，江蘇 南京210007；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094；3.武漢紡織大學(xué)，湖北 武漢 430200)

三維立體編織物及其復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來的一種高性能復(fù)合材料.它采用三維編織技術(shù)，將碳纖維、石英纖維、碳化硅纖維和玻璃纖維等高性能纖維，利用編織設(shè)備進(jìn)行整體三維編織，使得這些高性能纖維在空間相互交織，形成立體織物,其結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的可設(shè)計性，尤其是在異形結(jié)構(gòu)件的制備方面具有突出的優(yōu)勢，可以定制增強(qiáng)體的形狀，而且制成的材料渾然一體,不存在二次加工對纖維本體造成的損傷,因此這種材料不僅具備傳統(tǒng)復(fù)合材料高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點,還具有高損傷容限和斷裂韌性以及耐沖擊、不分層、抗開裂和耐疲勞等特點.因為這些突出的優(yōu)點加上成本優(yōu)勢,三維編織復(fù)合材料在國防軍工等尖端領(lǐng)域受到很大的關(guān)注.

1 國內(nèi)外三維立體編織物發(fā)展情況

1.1 國內(nèi)的研究進(jìn)展

眾所周知，國內(nèi)最先開展三維立體編織技術(shù)及其復(fù)合材料研究工作的是天津工業(yè)大學(xué)等單位.從20世紀(jì)80年代開始，天津工業(yè)大學(xué)(原天津紡織工學(xué)院)等單位[1]獨立自主地開發(fā)出多種三維編織技術(shù)，經(jīng)過30余年的艱苦奮斗和不懈努力，研制出適合于工程應(yīng)用的三維編織裝備，主要有計算機(jī)控制的大型編織設(shè)備、多臺組合式三維編織設(shè)備，解決了織造不同織物結(jié)構(gòu)和不同形狀制件的關(guān)鍵裝備問題；開發(fā)出多種異形結(jié)構(gòu)的預(yù)制件(如工型梁、T型梁等)的三維編織技術(shù)，解決了織造不同形狀、尺寸、織物結(jié)構(gòu)的規(guī)則異形三維編織物的關(guān)鍵問題，有些產(chǎn)品已經(jīng)成為我國國防軍工領(lǐng)域的定型產(chǎn)品；開發(fā)出三維編織計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，實現(xiàn)了三維編織工藝設(shè)計和編織過程仿真；研制出適合多種樹脂的三維編織復(fù)合材料恒壓高溫復(fù)合固化設(shè)備，并且探索出不同壓力和溫度下，多種樹脂對不同結(jié)構(gòu)和形狀三維織物的滲透規(guī)律與固化工藝.

國內(nèi)對立體編織物及復(fù)合材料的抗沖擊力學(xué)性能及防護(hù)性能研究較多的是東華大學(xué)顧伯洪，他和他的學(xué)生在有關(guān)立體編織復(fù)合材料沖擊、侵徹等方面做了許多工作.顧伯洪等[2-4]通過試驗對比發(fā)現(xiàn)立體編織復(fù)合材料的沖擊損傷容限水平較層合復(fù)合材料高.基于纖維傾斜模型建立了立體編織復(fù)合材料準(zhǔn)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型.將立體編織復(fù)合材料等效為4個傾斜層合板，對其中一個板進(jìn)行有限元分析求得彈道沖擊性能，然后根據(jù)能量守恒定律得到立體編織復(fù)合材料整體彈道沖擊性能.后來顧伯洪等又在此基礎(chǔ)上建立了精細(xì)化準(zhǔn)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型.根據(jù)立體編織復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)和紗線直徑構(gòu)建具有真實細(xì)觀結(jié)構(gòu)單向板.通過對兩種模型加速度曲線比較可知精細(xì)化模型更準(zhǔn)確反映了彈體在立體編織復(fù)合材料中的沖擊過程.

練軍[5]則在三維編織復(fù)合材料真實的幾何結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立了細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了三維編織復(fù)合材料的彈道沖擊性能.張巖等[6]采用有限元方法模擬立體編織復(fù)合材料動態(tài)響應(yīng)特征，采用頻域分析方法剖析時域內(nèi)沖擊應(yīng)力波特征，發(fā)現(xiàn)立體編織復(fù)合材料在較低沖擊速度下以樹脂開裂為主，在較高速度下以纖維束斷裂為主.唐予遠(yuǎn)等[7]測試了四步法三維玻璃纖維,環(huán)氧編織復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率載荷下的單向拉伸性能，運(yùn)用間接分離式霍普金森桿拉桿(SHTB桿)測試了應(yīng)變率在800～2 100 s-1范圍內(nèi)單軸向上的拉伸性能,同時對材料在準(zhǔn)靜態(tài)下的力學(xué)性能也進(jìn)行了測試,并與高應(yīng)變率下的力學(xué)性能做比較.結(jié)果表明:四步法三維玻璃纖維/環(huán)氧編織復(fù)合材料是應(yīng)變率敏感材料;隨著應(yīng)變率的增加,其拉伸模量和最大應(yīng)力都增加,而相應(yīng)最大應(yīng)力的應(yīng)變則減小.馮志梅等[8]測試了立體編織復(fù)合材料在爆炸試驗中的聚能沖擊特性.立體編織復(fù)合材料在小藥量狀態(tài)下仍然破壞，破壞模式以纖維斷裂、纖維與樹脂基體脫粘、纖維和樹脂燒損為主.

1.2 國外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1985年由美國宇航局(NASA)提出先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)(ACT)發(fā)展計劃[9]，該計劃目的是突破先進(jìn)紡織復(fù)合材料的制造和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，提高在抗沖擊試驗和斷裂阻抗實驗中復(fù)合材料的損傷容限，并且進(jìn)一步降低材料的制作成本.研制開發(fā)多種預(yù)成型技術(shù)(如三維編織技術(shù)、縫合技術(shù)等)，以及低成本復(fù)合成型工藝(如樹脂傳遞模塑工藝(RTM)等)是該計劃的重要內(nèi)容之一.

除NASA以外，美國的許多其他公司和高校也開展了三維異形整體編織復(fù)合材料的研究工作，包括三維編織機(jī)和三維織造工藝的開發(fā)、織物內(nèi)部纖維幾何結(jié)構(gòu)的探索、三維立體編織復(fù)合材料的性能和應(yīng)用研究.美國的大西洋公司耗資1 000多萬美元制造大型三維編織機(jī)，直接為美國航天航空部門編織三維編織物，并為一些西方國家服務(wù).同時美國北卡羅來納州立大學(xué)于1989年成功研制了一種全自動續(xù)喂紗的四步法編織機(jī).

在歐洲，由德國奔馳公司和亞琛大學(xué)聯(lián)合致力于開發(fā)新一代三維編織機(jī)；英、法兩國也有發(fā)展先進(jìn)紡織復(fù)合材料的計劃；日本發(fā)展先進(jìn)紡織復(fù)合材料始于20世紀(jì)80年代初期，在紡織復(fù)合材料領(lǐng)域做了系統(tǒng)的研究工作；俄羅斯、澳大利亞、韓國和印度等國在先進(jìn)紡織復(fù)合材料領(lǐng)域也開展了大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究.但都受到各國政府的嚴(yán)格保護(hù).

同樣國外也有相當(dāng)一部分人研究三維編織物的抗沖擊性能.Jenq等[10-12]以速度200～1 100 m/s沖擊10塊不同的復(fù)合材料板，結(jié)果表明通過四步編織法而得到的三維編織復(fù)合材料具有最大的抗侵徹性能，與其他編織法制備的材料相比，該復(fù)合材料最能保證結(jié)構(gòu)的完整性，從而驗證編織工藝的差異對材料的抗沖擊性能具有很大的影響的觀點.并且，他們對比了相同的沖擊作用下，三維編織復(fù)合材料與層合材料的損傷情況，發(fā)現(xiàn)與層合材料相比，三維編織復(fù)合材料沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的抗剪切能力.Flanagan等[13]研究了不同纖維種類、不同紡織結(jié)構(gòu)的立體復(fù)合材料在沖擊速度為200～1 100 m/s的情況下的動態(tài)破壞性能.發(fā)現(xiàn)在面密度相同的情況下，高強(qiáng)聚乙烯纖維立體編織復(fù)合材料具有最高的侵徹抵抗力和結(jié)構(gòu)完整性，與層合復(fù)合材料相比，立體編織復(fù)合材料不出現(xiàn)分層現(xiàn)象.同時,在彈速從低速向高速變化時，纖維的破壞由拉伸破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)化.Duan等[14-16]則用數(shù)值模擬的方法，探討了摩擦效應(yīng)對三維編織復(fù)合材料沖擊性能的影響.

2 常見三維編織工藝及其優(yōu)缺點

隨著三維編織技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，多種編織工藝相繼問世，最常見的工藝是四步法、二步法以及日漸發(fā)展的多層聯(lián)鎖編織工藝[17-20].

2.1 四步編織法

四步法編織也稱為行列式編織，可以編織出不同截面的結(jié)構(gòu)，主要有板狀、管狀、柱體等.編織的基本工藝是編織紗線以行和列的方式排列成一個矩陣，每一根編織紗線由一個攜紗器單獨控制，攜紗器沿行和列做交替運(yùn)動，形成具有一定尺寸和形狀的整體預(yù)成型體.如圖1所示，描述了以6行4列為例的四步法工作原理.第一步，所有行線軸做水平運(yùn)動，其中相鄰行朝相反方向，如圖1(b)箭頭所示.第二步，所有的列線軸做垂直運(yùn)動，其中相鄰列朝相反方向，如圖1(c)箭頭所示.第三步和第四步的移動分別與第一步和第二步相反.第三步相同行的運(yùn)動方向相反(圖1(d))，即所有的行回到第一步狀態(tài).第四步，所有列移回到第二步狀態(tài)，只是單個線軸的位置發(fā)生變化(圖1(e)).至此一個編織循環(huán)完成，編織機(jī)又回到循環(huán)位置，重復(fù)以上步驟即可實現(xiàn)四步法編織.

2.2 二步編織法

該方法采用兩組基本紗線，一組是固定不動的紗線(實心圓點),另一組是編織紗線(空心圓點).固定不動的紗線與三維編織物的成型方向(軸向)在結(jié)構(gòu)中基本成一直線，并按其主體編織物的橫截面形狀分布.而編織紗線以一定的方式從固定不動的紗線之間穿行，且每次都需穿過固定紗組成的橫截面.這種編織設(shè)備完成一個機(jī)器循環(huán)需要移動編織紗兩次,因而被稱為二步法.

2.3 多層聯(lián)鎖編織工藝

多層聯(lián)鎖編織是一種獨特的生產(chǎn)三維編織物的方法，主要結(jié)構(gòu)特點是鄰近薄層之間相互連接.生產(chǎn)多層聯(lián)鎖編織物用的典型機(jī)械裝置是相對旋轉(zhuǎn)的四位置角齒輪組成的網(wǎng)格，每當(dāng)奇數(shù)列時，編織機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)就橫穿相鄰的兩個薄層，不同于四步法和二步法的來自織物一側(cè)薄層外表面的紗線到達(dá)織物另一側(cè)薄層的外表面，而是把兩薄層的內(nèi)側(cè)面連接起來.

2.4 三種編織工藝的優(yōu)缺點

四步法編織工藝制成的編織物整體結(jié)構(gòu)好，在整個編織過程中，可以通過改變攜紗器的排列形狀和增減編織紗線的數(shù)量，靈活編織出各種形狀的預(yù)制體，但由于四步法需要復(fù)雜的機(jī)械裝置來實現(xiàn)紗線的運(yùn)動，效率不夠高，并且在編織過程中，所有的紗線的織梭要變換位置，因而織出來的成品難以保證外形；二步法編織工藝中，軸向紗線不動，編織紗圍繞著軸向紗線運(yùn)動，因此二步法需要的編織運(yùn)動最少，結(jié)構(gòu)制造最簡單，易于實現(xiàn)自動化，而且該工藝比較適合纖維高度密實的異形預(yù)制件的制備，但其執(zhí)行機(jī)構(gòu)以間斷的離散方式運(yùn)動.而相比于不連續(xù)的四步法和二步法，多層聯(lián)鎖編織工藝可以平穩(wěn)連續(xù)工作；缺點在于不易實現(xiàn)自動化生產(chǎn).

3 三維立體編織物在工程防護(hù)上的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

目前工程防護(hù)中常見的土木材料的裝配式防護(hù)工事存在體積和重量大、構(gòu)筑時間長、目標(biāo)固定且機(jī)動性能差等問題.采用傳統(tǒng)裝甲防彈復(fù)合材料的防護(hù)器材則存在結(jié)構(gòu)材料復(fù)合度低、軟硬防護(hù)功能單一、攜行難度大等問題.與上述材料相比，三維立體編織復(fù)合材料不但具有重量輕、強(qiáng)度高、耐疲勞等傳統(tǒng)復(fù)合材料所固有的特點，并且具備高柔性、不分層、整體設(shè)計性強(qiáng)、可編織性好的優(yōu)點.在野營設(shè)施機(jī)動部署、野戰(zhàn)陣地快速構(gòu)筑、防護(hù)工程加固改造等方面應(yīng)用時，具有軟硬防護(hù)性能兼?zhèn)洹嵤┎渴鹂焖?、環(huán)境結(jié)合能力與結(jié)構(gòu)復(fù)合能力好、功能擴(kuò)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)勢.

同時，隨著科技的進(jìn)步和軍事思想的發(fā)展，三維立體編織復(fù)合材料也不斷應(yīng)用在軍事的防護(hù)領(lǐng)域，從單兵作戰(zhàn)防護(hù)服的研究擴(kuò)展到了防護(hù)工程抗侵徹復(fù)合材料以及艦船、機(jī)場、碼頭、島礁、陣地、地下工程、內(nèi)部設(shè)施的快速防護(hù)與修補(bǔ)材料等，并逐漸展現(xiàn)出輕質(zhì)、柔韌、高強(qiáng)的力學(xué)特點，如“宙斯盾”防御體系中，每艘DDG“伯克”級驅(qū)逐艦就使用了約70噸對位芳綸Kevlar作發(fā)動機(jī)殼，為戰(zhàn)斗指揮提供彈道防護(hù).

美國、俄羅斯和歐盟等國家和地區(qū)已經(jīng)把立體紡織復(fù)合材料軍事防護(hù)裝備和器件作為未來戰(zhàn)爭的必需品和發(fā)展方向，集中了強(qiáng)大的人力和物力進(jìn)行研究和開發(fā)，將其視為未來5～10年軍方優(yōu)先開發(fā)項目.2015年3月18日，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布開啟美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)中“革命性纖維與織物制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)”(RFT-IMI)，2016年4月1日美國國防部宣布成立美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)中的第八家制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)“革命性纖維與織物制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)”，提供數(shù)十億美元的研發(fā)資金，開發(fā)面向未來的纖維和織物，助力美國立體紡織品制造業(yè)的加速創(chuàng)新.該機(jī)構(gòu)由國防部牽頭組建，麻省理工學(xué)院(MIT)負(fù)責(zé)管理，包括了89家工業(yè)界和學(xué)術(shù)界機(jī)構(gòu)，重點打造未來戰(zhàn)場上基于作戰(zhàn)人員生存和關(guān)鍵裝備的軍事設(shè)施防護(hù)基礎(chǔ)材料.俄軍事工業(yè)委員會科技委在2012年4月中旬審議通過了《俄羅斯先進(jìn)材料和工藝技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略2030》的基礎(chǔ)上，于2014年發(fā)布了《2030年前材料與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略》計劃的細(xì)節(jié).將從2014年起獲得單獨撥款，未來5年的總撥款量大約500億盧布(約17.3億美元).該戰(zhàn)略提出了18個主要的發(fā)展方向，包括智能材料、金屬間化合物、納米材料及涂層、單晶高溫合金、含鈮復(fù)合材料等，其中所研制的材料中大約20%將服務(wù)于現(xiàn)代化的軍事防御工事及其防護(hù)材料.由此可見，立體編織技術(shù)及其材料設(shè)計，是軍事發(fā)達(dá)國家競相重點投入的研究方向.

4 結(jié)論

通過上述討論可以看出，三維立體編織物由于纖維在空間相互交織，材料呈現(xiàn)整體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于此點，三維立體編織物及其復(fù)合材料克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料分層問題，同時還具有很強(qiáng)的整體設(shè)計性.三維立體編織物不用復(fù)合樹脂即可成為整體材料，相比纖維增強(qiáng)復(fù)合材料而言，三維立體編織物更加具備柔、輕、強(qiáng)的特點.作為一種先進(jìn)復(fù)合材料，三維立體編織復(fù)合材料在軍事防護(hù)領(lǐng)域的研究仍然處于實驗室研究階段，但發(fā)展極其迅速，已經(jīng)得到了全世界學(xué)者的廣泛關(guān)注，歐美強(qiáng)國更直接將其作為“軟裝甲”.未來三維編織物將重點研究如下三個方面：

(1) 高纖維體積含量三維編織物的制備.現(xiàn)有三維編制技術(shù)難以使纖維的體積含量超過60%，從而使其抗侵徹性能無法最大化發(fā)揮.高體積含量三維編織物對設(shè)備的要求較高，特別是紗線的張力和密度控制.因此，急需開展三維編織機(jī)的創(chuàng)新研究，以此推動高體積含量三維編織物的開發(fā).

(2) 超尺寸三維編織物的織造.現(xiàn)有三維編織機(jī)和編織技術(shù)能夠生產(chǎn)大尺寸管狀預(yù)制件，難以加工大尺寸的立體完整結(jié)構(gòu)件，這主要是因為三維編織過程中的垂直紗和包纏紗的數(shù)量及其匹配問題.目前，我國尚缺乏真正規(guī)?；a(chǎn)的超尺寸三維編織機(jī)的設(shè)計、加工和制造技術(shù)，也急需超尺寸三維編織工藝參數(shù)與技術(shù)的發(fā)展與突破.

(3) 三維編織物的準(zhǔn)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型的建立.三維編織物的紗線系統(tǒng)復(fù)雜，紗線形態(tài)結(jié)構(gòu)和走位煩瑣，建立更加準(zhǔn)確和完善的三維編織物準(zhǔn)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型是快速發(fā)展三維編織物的重要條件，為三維編織物的抗侵徹研究和功能防護(hù)研究提供基礎(chǔ)理論和參數(shù)支撐.