研究了樹脂基鍍鎳碳纖維3D復合材料的不同結(jié)構(gòu)，包括三維五向、正交三向結(jié)構(gòu)對3D復合材料拉伸性能和沖擊性能的影響。進行了兩種試件力學性能的測定，結(jié)果表明，三維五向3D復合材料和正交三向3D復合材料都能達到高的力學性能，在纖維體積含量相近的情況下，三維五向3D復合材料的拉伸強度和沖擊強度較正交三向3D復合材料高，拉伸強度可達920 MPa、沖擊強度達150 KJ／m2。通過對編織結(jié)構(gòu)的設計，可以設計3D復合材料的性能。
3D復合材料是一種先進的結(jié)構(gòu)復合材料。3D復合材料是首先將增強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）復合，從而制成復合材料制件，所以在3D復合材料制件中沒有“層”的問題，可以克服以往復合材料受力后容易分層的缺點，不但能大幅度地提高復合材料的強度和剛度，而且具有良好的抗損壞性與抗沖擊性。利用高強度纖維（如碳纖維，凱夫拉纖維等）制成的3D復合材料，重量僅為鋼材的20% -30%，而力學性能比鋼更為優(yōu)異，該種材料是當前先進材料的前沿研究領域之一。
3D織造技術在工藝上的突出特點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合材料零件的預制品。這是因為，一方面3D織物在編織過程中其基本結(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、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不同織物形狀的要求，實現(xiàn)直接整體編織。3D編織工藝的這些特點對復合材料的設計、制造及產(chǎn)品質(zhì)量都十分有利，從而使3D復合材料具有優(yōu)于其它復合材料的獨特風格。
本文研究了樹脂基鍍鎳碳纖維3D復合材料的不同結(jié)構(gòu)，包括三維五向、正交三向結(jié)構(gòu)對3D復合材料拉伸性能和沖擊性能的影響，通過對兩種試件拉伸性能和沖擊性能的測定，得出在相近的纖維體積含量下，三維五向3D復合材料和正交三向3D復合材料都能達到高的力學性能，且三維五向3D復合材料的拉伸強度和沖擊強度較正交三向3D復合材料的高。
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合材料。兩種3D復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復合材料編織體紗線交織結(jié)構(gòu)，圖2為兩種3D復合材料編織體結(jié)構(gòu)形態(tài)示意圖。復合材料試件制備流程見圖3。
2 力學性能的測定
2.1 試片的形狀與尺寸
試樣拉伸性能測定參考中國國家標準GB/T1447- 2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，試片的形狀為長方體，總長為250 mm，厚 測試試件實際外形尺寸為測量工作段內(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，取其算術平均值。
試樣沖擊強度測定根據(jù)GB /T1043. 1- 2008《塑料簡支梁沖擊性能測定》，試片的形狀為長方體，總長度為80 mm，厚度為4-5 mm，寬度為10 mm，跨距62 mm。
2.2試驗條件
為保證試件拉伸時鉗口處不首先破壞，在試件的兩端分別粘貼2 mm厚的加強片。拉伸試驗在微機控制電子萬能試驗機WDW-100上進行，加載速度為2 mm/min，環(huán)境溫度為18℃，相對濕度為18%。
沖擊試驗采用半自動沖擊試驗機JB -300B，環(huán)境溫度為18℃，相對濕度為18%。復合材料試件參數(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復合材料和正交三向3D復合材料兩種試件拉伸性能的測試結(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)類別不同所對應的拉伸強度有所不同。三維五向織體結(jié)構(gòu)和正交三向織體結(jié)構(gòu)的復合材料都能達到較高的拉伸強度，且三維五向織體結(jié)構(gòu)對應的拉伸強度稍高于正交三向織體結(jié)構(gòu)復合材料，達到920 MPa。通過纖維體結(jié)構(gòu)的改變可使三維增強復合材料的力學性能發(fā)生變化，這充分體現(xiàn)了3D增強復合材料在力學性能方面的可設計性。
三維五向增強復合材料和正交三向增強復合材料都能達到高的拉伸強度在于3D復合材料與傳統(tǒng)織物復合材料的最大區(qū)別是它除了X、Y，兩個方向紗線外，在X、Y，兩個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，形成了一個不分層的整體結(jié)構(gòu)，根本不存在“層”的問題，克服了傳統(tǒng)復合材料“分層”的缺點，從而大大提高了復合材料的材料的強度和剛度，使材料具有優(yōu)良的力學性能。采用三維編
織工藝制作的增強預制體層間連接強度遠遠優(yōu)于其它層合材料，纖維的方向、分布和含量均可設計和控制，可滿足多功能復合材料對不同力學性能的使用要求。
三維五向和正交三向編織預制件纖維的方向、分布和含量均可設計和控制，可滿足多功能復合材料的使用要求。由于三維五向編織結(jié)構(gòu)的整體成型性特點，該工藝可織造截錐形、啞鈴形、帶筋圓筒等特殊形狀實用預制體，目前該工藝已成功應用于導彈前體防熱套、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用于導彈端頭帽、天線窗、飛機剎車盤等產(chǎn)品的制造。
經(jīng)測試，三維五向3D復合材料的拉伸強度較正交三向3D復合材料的高，分析其原因為正交三向3D復合材料的一個特征是在較低的拉伸應力下就開始出現(xiàn)永久變形或稱“軟化”，軟化使不同種類復合材料剛度下降20% -50%。試驗中正交三向3D復合材料中的經(jīng)紗束可能會因Z向紗線存在而嚴重偏移、這種嚴重扭曲的纖維束在拉伸應變達到一個臨界值時開始塑性伸長，這時纖維束中的樹脂開始出現(xiàn)永久性的剪切變形。應力超過起始塑性伸長臨界應力后，正交三向3D復合材料中開始出現(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，斷裂的經(jīng)紗可能在機織工藝過程中就已經(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夾角，共有四種空間傾斜方向，有效地提高了復合材料的性能，同時試件在織物編織成型方向縱向），即0。方向加入了加強紗線，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，大幅度提高了材料在該方向的強度和模量，出現(xiàn)如試驗所得的一致結(jié)果。3.2 兩種試件的沖擊強度
表3給出了三維五向3D復合材料和正交三向3D復合材料沖擊強度的測試結(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，試件類別不同所對應的沖擊強度也有所不同。三維五向3D復合材料和正交三向3D復合材料的沖擊性能都能達到較高的強度，且三維五向的編織結(jié)構(gòu)對應的沖擊強度稍高于正交三向機織增強復合材料，達到150 kj/m²。由于兩種試件的3D結(jié)構(gòu)，使得兩種試件都能達到較高的沖擊強度，同時因為三維五向編織層的起伏，尤其是編織結(jié)構(gòu)0°方向的加強紗線，使得沖擊損傷在復合材料中很難傳播。從而三維五向編織復合材料較正交三向編織的復合材料顯示出更強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復合材料的力學性能具有可設計性，實際應用中可根據(jù)具體要求，通過對織物結(jié)構(gòu)進行設計，以滿足多功能復合材料對力學性能的要求。
（2）在相近的纖維體積含量下，三維五向3D復合材料和正交三向3D復合材料都具有較高的力學性能，且三維五向3D復合材料的拉伸、沖擊強度均高于正交三向3D復合材料。
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