研究了樹脂基鍍鎳碳纖維3D復(fù)合材料的不同結(jié)構(gòu)，包括三維五向、正交三向結(jié)構(gòu)對(duì)3D復(fù)合材料拉伸性能和沖擊性能的影響。進(jìn)行了兩種試件力學(xué)性能的測(cè)定，結(jié)果表明，三維五向3D復(fù)合材料和正交三向3D復(fù)合材料都能達(dá)到高的力學(xué)性能，在纖維體積含量相近的情況下，三維五向3D復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度較正交三向3D復(fù)合材料高，拉伸強(qiáng)度可達(dá)920 MPa、沖擊強(qiáng)度達(dá)150 KJ／m2。通過(guò)對(duì)編織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)3D復(fù)合材料的性能。
3D復(fù)合材料是一種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。3D復(fù)合材料是首先將增強(qiáng)纖維織造成三維整體織物，再和基體包括樹脂、碳、碳化硅、金屬等）復(fù)合，從而制成復(fù)合材料制件，所以在3D復(fù)合材料制件中沒有“層”的問(wèn)題，可以克服以往復(fù)合材料受力后容易分層的缺點(diǎn)，不但能大幅度地提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度，而且具有良好的抗損壞性與抗沖擊性。利用高強(qiáng)度纖維（如碳纖維，凱夫拉纖維等）制成的3D復(fù)合材料，重量?jī)H為鋼材的20% -30%，而力學(xué)性能比鋼更為優(yōu)異，該種材料是當(dāng)前先進(jìn)材料的前沿研究領(lǐng)域之一。
3D織造技術(shù)在工藝上的突出特點(diǎn)是具有編織異形整體織物的能力，即能夠按照零件的形狀和尺寸大小直接編織出復(fù)合材料零件的預(yù)制品。這是因?yàn)?，一方?D織物在編織過(guò)程中其基本結(jié)構(gòu)單元立方體能夠隨零件的形狀和尺寸的變化而改變長(zhǎng)、寬、高的比例；另一方面織造工藝極為靈活可以任意變化以適應(yīng)不同織物形狀的要求，實(shí)現(xiàn)直接整體編織。3D編織工藝的這些特點(diǎn)對(duì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制造及產(chǎn)品質(zhì)量都十分有利，從而使3D復(fù)合材料具有優(yōu)于其它復(fù)合材料的獨(dú)特風(fēng)格。
本文研究了樹脂基鍍鎳碳纖維3D復(fù)合材料的不同結(jié)構(gòu)，包括三維五向、正交三向結(jié)構(gòu)對(duì)3D復(fù)合材料拉伸性能和沖擊性能的影響，通過(guò)對(duì)兩種試件拉伸性能和沖擊性能的測(cè)定，得出在相近的纖維體積含量下，三維五向3D復(fù)合材料和正交三向3D復(fù)合材料都能達(dá)到高的力學(xué)性能，且三維五向3D復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度較正交三向3D復(fù)合材料的高。
1 材料制備
試件共分二類：三維五向結(jié)構(gòu)和正交三向結(jié)構(gòu)鍍鎳碳纖維樹脂基復(fù)合材料。兩種3D復(fù)合材料制件所用的纖維均為12 K的T300碳纖維。圖1為兩種3D復(fù)合材料編織體紗線交織結(jié)構(gòu)，圖2為兩種3D復(fù)合材料編織體結(jié)構(gòu)形態(tài)示意圖。復(fù)合材料試件制備流程見圖3。
2 力學(xué)性能的測(cè)定
2.1 試片的形狀與尺寸
試樣拉伸性能測(cè)定參考中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1447- 2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，試片的形狀為長(zhǎng)方體，總長(zhǎng)為250 mm，厚 測(cè)試試件實(shí)際外形尺寸為測(cè)量工作段內(nèi)任意三度4 mm，寬度25 mm，夾具間距離170 mm。所 處的寬度和厚度，取其算術(shù)平均值。
試樣沖擊強(qiáng)度測(cè)定根據(jù)GB /T1043. 1- 2008《塑料簡(jiǎn)支梁沖擊性能測(cè)定》，試片的形狀為長(zhǎng)方體，總長(zhǎng)度為80 mm，厚度為4-5 mm，寬度為10 mm，跨距62 mm。
2.2試驗(yàn)條件
為保證試件拉伸時(shí)鉗口處不首先破壞，在試件的兩端分別粘貼2 mm厚的加強(qiáng)片。拉伸試驗(yàn)在微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WDW-100上進(jìn)行，加載速度為2 mm/min，環(huán)境溫度為18℃，相對(duì)濕度為18%。
沖擊試驗(yàn)采用半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)JB -300B，環(huán)境溫度為18℃，相對(duì)濕度為18%。復(fù)合材料試件參數(shù)見表1。
3 結(jié)果與分析
3.1 兩種試件的拉伸性能
表2給出了三維五向3D復(fù)合材料和正交三向3D復(fù)合材料兩種試件拉伸性能的測(cè)試結(jié)果（平均值），圖4為兩種試件拉伸載荷一位移曲線。圖5給出了兩種試件拉伸破壞斷口形貌。
由表2可見在纖維體積含量基本相同的情況下，試件結(jié)構(gòu)類別不同所對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度有所不同。三維五向織體結(jié)構(gòu)和正交三向織體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料都能達(dá)到較高的拉伸強(qiáng)度，且三維五向織體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度稍高于正交三向織體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，達(dá)到920 MPa。通過(guò)纖維體結(jié)構(gòu)的改變可使三維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能發(fā)生變化，這充分體現(xiàn)了3D增強(qiáng)復(fù)合材料在力學(xué)性能方面的可設(shè)計(jì)性。
三維五向增強(qiáng)復(fù)合材料和正交三向增強(qiáng)復(fù)合材料都能達(dá)到高的拉伸強(qiáng)度在于3D復(fù)合材料與傳統(tǒng)織物復(fù)合材料的最大區(qū)別是它除了X、Y，兩個(gè)方向紗線外，在X、Y，兩個(gè)方向紗線的平面法線方向還有Z向紗線，是三維立體結(jié)構(gòu)。纖維不但在平面內(nèi)相互交織、交叉在一起，而且通過(guò)厚度方向，在三維空間中也相互交織、交叉在一起，形成了一個(gè)不分層的整體結(jié)構(gòu)，根本不存在“層”的問(wèn)題，克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料“分層”的缺點(diǎn)，從而大大提高了復(fù)合材料的材料的強(qiáng)度和剛度，使材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能。采用三維編
織工藝制作的增強(qiáng)預(yù)制體層間連接強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它層合材料，纖維的方向、分布和含量均可設(shè)計(jì)和控制，可滿足多功能復(fù)合材料對(duì)不同力學(xué)性能的使用要求。
三維五向和正交三向編織預(yù)制件纖維的方向、分布和含量均可設(shè)計(jì)和控制，可滿足多功能復(fù)合材料的使用要求。由于三維五向編織結(jié)構(gòu)的整體成型性特點(diǎn)，該工藝可織造截錐形、啞鈴形、帶筋圓筒等特殊形狀實(shí)用預(yù)制體，目前該工藝已成功應(yīng)用于導(dǎo)彈前體防熱套、艙段、方向舵、噴管、喉襯、尾翼以及衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件等產(chǎn)品的制造。采用正交三向工藝可織造板狀、圓筒狀、錐筒狀立體編織物，目前該工藝已成功應(yīng)用于導(dǎo)彈端頭帽、天線窗、飛機(jī)剎車盤等產(chǎn)品的制造。
經(jīng)測(cè)試，三維五向3D復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較正交三向3D復(fù)合材料的高，分析其原因?yàn)檎蝗?D復(fù)合材料的一個(gè)特征是在較低的拉伸應(yīng)力下就開始出現(xiàn)永久變形或稱“軟化”，軟化使不同種類復(fù)合材料剛度下降20% -50%。試驗(yàn)中正交三向3D復(fù)合材料中的經(jīng)紗束可能會(huì)因Z向紗線存在而嚴(yán)重偏移、這種嚴(yán)重扭曲的纖維束在拉伸應(yīng)變達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)開始塑性伸長(zhǎng)，這時(shí)纖維束中的樹脂開始出現(xiàn)永久性的剪切變形。應(yīng)力超過(guò)起始塑性伸長(zhǎng)臨界應(yīng)力后，正交三向3D復(fù)合材料中開始出現(xiàn)基體斷裂（拉伸斷裂和
分層斷裂），Z向紗線脫黏，某些材料中還有纖維束斷裂，纖維束拔出。拉伸破壞一般發(fā)生在經(jīng)紗斷裂時(shí)，斷裂的經(jīng)紗可能在機(jī)織工藝過(guò)程中就已經(jīng)出現(xiàn)損傷，性能已經(jīng)顯著下降。而三維五向編制結(jié)構(gòu)中編織紗線與編織成型方向有一個(gè)夾角，共有四種空間傾斜方向，有效地提高了復(fù)合材料的性能，同時(shí)試件在織物編織成型方向縱向），即0。方向加入了加強(qiáng)紗線，試件內(nèi)部沿0°方向的紗線比例增大，縱向紗線幾乎處于伸直狀態(tài)，試件在此方向的承載能力增強(qiáng)，大幅度提高了材料在該方向的強(qiáng)度和模量，出現(xiàn)如試驗(yàn)所得的一致結(jié)果。3.2 兩種試件的沖擊強(qiáng)度
表3給出了三維五向3D復(fù)合材料和正交三向3D復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果（平均值）。圖6為兩種結(jié)構(gòu)試件的沖擊破壞斷口形貌。
由表3可見，1在纖維體積含量基本相同的情況下，試件類別不同所對(duì)應(yīng)的沖擊強(qiáng)度也有所不同。三維五向3D復(fù)合材料和正交三向3D復(fù)合材料的沖擊性能都能達(dá)到較高的強(qiáng)度，且三維五向的編織結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的沖擊強(qiáng)度稍高于正交三向機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料，達(dá)到150 kj/m²。由于兩種試件的3D結(jié)構(gòu)，使得兩種試件都能達(dá)到較高的沖擊強(qiáng)度，同時(shí)因?yàn)槿S五向編織層的起伏，尤其是編織結(jié)構(gòu)0°方向的加強(qiáng)紗線，使得沖擊損傷在復(fù)合材料中很難傳播。從而三維五向編織復(fù)合材料較正交三向編織的復(fù)合材料顯示出更強(qiáng)的沖擊損傷抑制能力，有效提高了材料的性能。
4結(jié)論
（1）3D復(fù)合材料的力學(xué)性能具有可設(shè)計(jì)性，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體要求，通過(guò)對(duì)織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足多功能復(fù)合材料對(duì)力學(xué)性能的要求。
（2）在相近的纖維體積含量下，三維五向3D復(fù)合材料和正交三向3D復(fù)合材料都具有較高的力學(xué)性能，且三維五向3D復(fù)合材料的拉伸、沖擊強(qiáng)度均高于正交三向3D復(fù)合材料。
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