三维机织复合材料是运用先进的制造技术将不同性质的材料优化组合的高性能材料。力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。随着社会的发展和实际需求量的日益增大，复合材料更加多样化，各式材料不断被研发，而对于材料的研究热度一直未减。
1 三维机织复合材料
1.1 概念
三维机织复合材料结构复杂，内部纱线均匀排列，因为基体和纤维束的作用，有出色的稳定性、抗压性、应变性；可以一次性成型，成为复杂的预成型体，是提升装备性能不可缺少的战略性新兴材料。
1.2 影响力学性能的因素
1.2.1 几何形状
三维机织物成形操作简单，一些复杂的零件可以轻松成形。选择合适的几何形状，对于材料承受更大的载荷、拥有良好的力学性能有重要作用，复合材料整体性强，层间开裂问题可从根本上解决，材料的缺口敏感性可以有效减少，使材料更加稳固。同时，几何形状选择恰当，能大大增强材料的美观性，使设计轻巧灵便。
1.2.2 纤维体积含量
三维机织复合材料的力学性能与纤维体积含量密切相关。单胞模型内纬纱长度由内向外增加，结构件每层的纤维含量呈规律分布。纤维体积含量的多少，直接影响材料的抗冲击性能。材料剪切程度随着纤维体积分数增大而提高，但相应材料面内的性能随纤维体积分数增大而下降。若选用不当，力学性能的改变会导致整个材料的改变，产生整体效应，对生产生活带来极大的影响。
1.2.3 编织角的大小及纱线的横截面形状
编织角的大小与材料的力学性能成反比，泊松比较大是由于复合材料的编织角大所致。实际上纱线横截面是变化的，会受到外来压力而变形，特别是周围纱线的挤压。现今提出的假设也有Ph、J和I双凸透镜性界面假设，周光明等的椭圆形截面假设，唐逊等的跑道型截面假设，但是在具体的模拟实验中，尚未找到接近纱线的模型。毋庸置疑的是，复合材料力学性能一定与纱线横截面相关，并且起到至关重要的作用。
1.3 发展趋势
三维复合材料在当今生活扮演着重要角色，在使用三维复合材料时，把握材料的性能对于生产生活十分重要。但在现今的三维复合材料实验中，通常忽略纱线和纤维束的相互作用，这一问题还没有攻克。实验模型的准确性与完整性还需很长的时间去完成。纱线横截面假设多样，还没有一套相应准确的理论与实验模型配套，未来的实验需要突破这一难点。准确预测材料的刚度、强度，确定细观力学模型，更加精准地分析各个因素对复合材料的影响、失效模式和部位、材料的损坏及使用情况，需要研究突破。
2 三维正交机织复合材料
2.1 概念
三维正交机织复合材料作为三维复合材料的一个分支，同样具有比强度高、抗冲击损伤容限高等特点。在承载各种结构方面，起主要支撑作用。它由两两互相垂直的经纱、纬纱和Z纱3个系统纱线组成，有贯厚度连锁和层层连锁两类，广泛应用于航天航空领域。
2.2 力学性能
2.2.1 准静态力学性能
作为承载件，其拉伸、剪切、压缩、弯曲的能力一定要达到标准。在检验拉伸性能时，经纱方向的失效强度要低于纬纱方向，沿经纱方向的裂纹使纬纱和基体开裂，经纱断裂，纬纱方向的裂纹使经纱和基体开裂，纬纱断裂，当裂纹延伸到一定程度，Z纱开裂。在检验剪切和压缩性能时，Z纱对阻止材料的剪切分裂起良好的阻挡作用，面内和Z向压缩都是呈非线性特性。在检验拉伸疲劳性能时，纬向疲劳寿命要少于经向疲劳寿命，三维正交机织复合材料的抗疲劳性能由经纱性能的优劣直接决定。沿经纱方向发展，应力离加载位置越远，受力程度越小，弯曲变形程度越小。
2.2.2 动态力学性能
三维正交机织复合材料的面内强度因为Z向纤维的排列分布而提高，Z向纱提高了复合材料的穿透和抵抗力，但由于Z向纱受到结构的约束，局部分离更容易影响Z向纱的力学效应。同时，三维正交机织复合材料主要吸能机制以面内吸能为主，这也与Z向纱的力学性能有关。
2.3 发展趋势
三维正交机织复合材料的细观结构观察即纱线截面现今已趋于成熟阶段，但是没有一个准确的定论支撑。对于纱线截面形状的研究任重道远。有研究按照Z向纱实际形态，提出正弦曲线与直线相结合的Z向纱模型，很好地计算了纤维体积分数，但这些模型是简化后的产物，不能准确计算各个方向上的纤维体积分数。构建更为精确，贴近实际的模型，是今后研究中的一个重要研究点。
3 三维机织间隔复合材料
3.1 概念
作为新型的轻质夹层材料，这种材料具有三维复合材料高强度、抗击力强、耐压等特征。三维机织间隔织物上、下表层与中间的芯材密切联系交织，构成完整性强的结构件。
3.2 力学性能
3.2.1 压缩性能
以玻璃纤维为原料，设计了三种不同的三维机织间隔复合材料，在两个平行的织物平面结构之间构成一组垂向单纤维连接的三维纤维间隔复合材料，两组Z轴向倾斜单纤维连接的“X”型间隔复合材料，一组垂向机织物连接的三维织物间隔复合材料。因为结构不同，虽然压缩性能都较好，但是总体来说，三维织物间隔复合材料性能要好于“X”型间隔复合材料和三维纤维间隔复合材料。在受到挤压时，虽然夹芯层机织物内的树脂基体开裂，但纤维的紧密联系使纤维不会快速断开，经纱和纬纱交叉结合，上下两个平面为平纹组织，平纹机织物进行组合连接整个材料，本身材料的稳固使其压缩强度最大。而三维纤维间隔复合材料在受到平压载荷时，单根的垂向纤维的使得材料容易断裂，故压缩强度最差。
3.2.2 剪切性能
初期，材料剪切应力随着剪切载荷增加不断增大，三维纤维间隔复合材料上升速度最快。后期，当达到剪切峰值时，三者均出现裂纹，但三维织物间隔复合材料夹芯层只是出现倾斜，其余两者则出现断裂现象。最后，剪切载荷持续增强，材料遭到破坏，采用单根纤维的三维纤维间隔复合材料在剪切载荷影响下，因受力面的唯一性，狭小性更易破坏。“X”型间隔复合材料由于上下面板层的交叉，产生了一定的协同效应，一定程度上抗破坏能力有了进一步提升。采用机织物的三维织物间隔复合材料剪切应力-应变曲线斜率最小，仍因为材料的稳定性使得材料破坏的过程缓慢。
3.2.3 弯曲性能
三维机织间隔复合材料的弯曲性能基本都是相同的。初期，弯曲应力随着弯曲载荷增加而不断增大，到达峰值时，材料开始遭到破坏，随着载荷进一步增强，上下两面板开裂程度进一步加强，曲线应力呈现下降状态。无论是三维纤维间隔复合材料，“X”型间隔复合材料，还是三维织物间隔复合材料，材料的惯性距、夹芯层的间距和面板参数基本一致。综眼的距离决定夹芯层的高度，确定了上下两层经纱之间距离相同。织造时，同样采用5根纬纱，上下面板层都是同样的平纹组织，以玻璃纤维为原料，使得3种材料的弯曲强度基本一致。
3.3 发展趋势
对于三维机织间隔复合材料而言，其压缩、剪切、弯曲性能通过实验比较有更加清晰的了解。但对于这种材料的其他力学特性研究，其实还缺少许多实验支撑。各样的载荷作用研究对于深入了解三维机织间隔复合材料有重要意义。
4 2.5D纺织结构复合材料
4.1 概念
2.5D纺织结构复合材料以碳纤维为原料，经纱和纬纱相互缠绕，纤维束在有一定厚度前提下交织组合。虽然强度高、耐高温、耐低温、耐腐蚀、抗疲劳，但却属于脆性材料。但与普通三维纺织复合材料相比，其设计简单，避免了工序的烦琐与复杂，可设计性强，易成型。这些优点使其广泛应用于民用领域、军事领域等众多重要领域。
4.2 力学性能
4.2.1 拉伸性能
随着速度载荷的增加，材料逐渐出现微小的裂纹。持续增大，材料断裂，并发出响声，且有微小的白色碎屑出现。因以碳纤维为原料的缘故，材料具有断裂延伸率小，耐冲击差的特性。在观察3K、6K、12K原料拉伸能力实验中，发现纤维细度起着重要作用。3种不同细度碳纤维在经向拉伸时，12K的拉伸强度因为纤维缝隙均匀要强于3K和6K，随着纤维细度的增大，经向拉伸模量减小并呈现出线性关系。纬向拉伸呈现与经向拉伸相同的趋势。在初期，材料表现出弹性属性，易于塑性变形。后期，裂纹持续增大，脆性属性此时表现出来。
4.2.2 弯曲性能
采用三点弯曲法，使压力作用，拉伸作用分别作用于上表面和下表面。在实验过程中，上下表面出现裂纹和发白，伴有细小的小颗粒，虽然出现微微弯曲的现象，材料本身并没有全部断裂。其中，3K材料弯曲强度高于6K和12K，经纬向弯曲性能最佳。12K材料在纬向弯曲力学性能最差，但在经向弯曲性能上，要稍微好于6K材料。经、纬向弯曲载荷-挠度曲线与拉伸曲线相似，3K和6K经、纬向密度一致，但3K位移量高于6K，主要是因为碳纤维数量更多。虽然12K材料经、纬向位移量多于3K，6K，但是材料更加疏松，经纱屈曲要比其他两类材料低。总结得出，经纱的屈曲状况明显比纱线数量更能影响材料弯曲程度。
4.2.3 压缩性能
材料的纬向压缩性能与碳纤维强度并无明显关系，3种材料纬向压缩强度相差不明显，所以纬纱的纤维数与纤维细度对材料压缩能力的影响不会太大。经向压缩性能随着碳纤维强度增大而呈减少趋势，经纱上的纤维数量直接影响经向的压载承受能力。实验过程中，压缩强度最高的是3K，压缩强度最低的是12K，随着载荷增加，出现白色的树脂小颗粒，材料中间还出现了轻微的错位断裂现象。此外，织物交织点的多少会间接影响压缩性能，它因影响树脂和纤维的充盈程度而影响2.5D纺织结构复合材料的压缩性能。
4.3 发展趋势
2.5D纺织结构材料与二维纺织复合材料相比，劳动强度小，成本低，冲击性能好，现今的趋势也是由次重要件向主承件转变，发挥的作用不言而喻。其力学性能主要探讨了碳纤维强度对拉伸、弯曲、压缩性能的影响。对于该材料的力学性能虽然进行了具体的分析与论述，并得出了清晰的数据与结论，但是原料的覆盖面还是有些简单，原料的细度还需要更加精准，实验还需要进一步实际化、复杂化。从微观角度研究材料的宏观力学性能，将成为一个关键点。
5 结语
三维机织复合材料内部结构复杂，无论是三维正交机织复合材料、三维机织间隔复合材料，还是2.5D纺织结构复合材料，作为三维机织物的发展产物，在各个领域中均发挥了重要作用。虽然已经有诸多实验研究其力学性能，但作为新兴材料，对这类复合材料的认识还是尚浅。未来还需要不断更新原件、设备、模型，深入研究其力学性能。
参考文献
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（作者系山东永妥职业环境检测有限公司中级工程师）
