《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Seamless 3D woven sandwich composites for enhanced structural integrity: Mechanical and thermal performance analysis
编辑推荐：
本研究提出一种新型无缝3D编织夹层复合材料，通过创新织造机制消除传统层压结构的分层和界面结合问题，实验和模拟显示无缝结构在机械强度（消除分层）和热管理（连续纤维路径提升散热）方面优于层压结构，为航空航天轻质高强材料提供新方案。
杨贤俊|姜京模|金道永|杨智勋|李秀熙|金世荣|余永烈
韩国首尔国立大学材料科学与工程系（MSE）及先进材料研究所（RIAM），首尔08826
摘要
本研究开发了一种无缝3D编织夹层复合材料，旨在克服传统层压结构中的缺陷，如分层和层间结合力弱等问题。通过采用新型编织技术，制备了三种结构类型——单层无缝结构、双层无缝结构和多层层压结构，并进行了对比分析。利用平面压缩试验和有限元模拟评估了基于环氧树脂的聚合物复合材料的力学性能。结果表明，无缝结构有效消除了层间脱粘现象，具有更优的结构完整性和比层压结构更高的比刚度。在热性能评估中，对采用相同无缝结构的碳化硅陶瓷基复合材料（SiC CMCs）进行了直接火焰暴露测试。结果表明，无缝结构通过连续的贯穿纤维路径实现了高效的热量散发，有效降低了局部过热现象。这种无缝3D编织设计提升了材料的机械和热性能，为轻量化、多功能航空航天部件的应用提供了潜力。
引言
近年来，三维（3D）编织夹层复合材料因其出色的强度重量比、优异的损伤容忍度和高度可定制的结构而受到越来越多的关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这些特性使其特别适用于航空航天、汽车、海洋和土木工程领域，这些领域对轻质且坚固的材料需求较高[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。与传统依赖粘合剂连接的层压复合材料不同，3D编织夹层结构通过纤维的贯穿交织增强了界面强度和抗分层能力。此外，其设计灵活性使其能够集成多种功能，如热防护[12]、[13]、[14]以及用于提高抗冲击性的能量吸收[15]、[16]、[17]。
尽管具有这些优势，但一些技术挑战仍限制了3D编织夹层材料的广泛应用[8]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。主要挑战在于制造复杂性：在复杂的3D预制件中实现精确的纤维排列和一致的结构非常困难，这往往会导致结构性能的波动[23]、[24]。另一个关键问题是面层与芯层之间的界面问题：层间结合不足或连续性不佳可能导致载荷传递效率低下、分层以及过早的结构失效。已经探索了许多策略来缓解这些问题，包括表面改性、界面工程和替代粘合技术[25]。然而，这些方法通常需要二次加工或粘合剂层，这会增加界面强度的弱化、增加重量，并使制造过程更加复杂。更根本的问题是，传统的空心夹层结构通常需要在预制件制造后单独插入间隔层或进行组装步骤，这进一步增加了工艺复杂性、制造成本以及出现局部纤维损伤或错位等缺陷的风险[26]、[27]、[28]。为了克服这些限制，人们越来越关注开发无缝3D编织夹层复合材料，即在编织过程中直接集成面层和芯层，从而无需后续粘合步骤，并实现贯穿厚度的连续纤维路径。
设计师需要根据应用需求调整纤维结构并选择合适的材料，同时考虑制造成本。3D编织夹层复合材料的进步旨在通过提高制造效率、材料性能和扩展应用领域来应对这些挑战[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。该领域的研究有助于明确这些复合材料在不同载荷条件和环境下的行为，这对于设计改进和长期耐用性至关重要。尽管取得了进展，但要实现既能简化制造过程又能确保贯穿厚度连续性的无缝结构仍是一个技术难题。
在本研究中，我们提出了一种新的3D编织技术，能够制造出具有连续贯穿厚度纤维连接的全集成夹层预制件，并在编织过程中原位形成空心通道，无需额外的后处理步骤。利用这种技术，制备了基于聚合物和碳化硅（SiC）的复合材料，以研究无缝结构对结构和热性能的影响，特别是对于碳化硅陶瓷基复合材料（SiC CMCs），因为在热防护系统中（TPS）减少局部热集中至关重要[35]，并且所提出的编织工艺能够快速制造并针对性地调整面层-芯层连接区域，从而促进热量散发。本研究结合实验表征和有限元（FE）分析，全面了解了工艺诱导的纤维连续性对载荷传递、层间稳定性和3D编织夹层复合材料热传导的影响。这项工作旨在为下一代夹层结构建立一种设计和制造框架，结合机械强度、热功能和制造效率，从而扩展3D编织复合材料在先进工程系统中的应用潜力。
本文的其余部分结构如下：第2节描述了用于生产无缝夹层预制件的新型编织技术；第3节详细介绍了实验程序，包括预制件制造、复合材料制备和表征方法；第4节展示了结构表征、力学测试、有限元模拟和热测试的结果；第5节总结了科学见解、设计意义和未来研究建议。
节选内容
用于无缝3D编织夹层结构的新编织技术
基于我们之前的工作[36]，我们介绍了一种新的编织方法，该方法使用沿经向（长度方向）排列的粘合纱线来制造集成式的3D编织夹层结构。编织过程中使用了两种类型的粘合纱线：一种用于将每层面层内的纤维固定在一起，另一种（称为芯层粘合纱线）用于连接上下层面层。这些贯穿厚度的芯层粘合纱线在连接两面层方面起着关键作用
无缝3D编织夹层预制件的设计与制造
我们设计并制造了三种3D编织夹层预制件——单层无缝结构、双层无缝结构和层压结构，以评估它们的性能。关键设计参数包括整体样品尺寸、纤维结构（粘合纱线布局和编织图案）以及空心芯层的几何形状。为了研究芯层几何形状的影响，每种结构都制备了两种不同通道尺寸的样品（小通道和大通道）。这两种通道配置如图所示
3D编织夹层复合材料的结构比较
三种类型的3D编织夹层复合材料——单层无缝结构、双层无缝结构和层压结构——均成功制备出了预期的几何形状。尽管它们的内部结构不同，但通过调整芯层通道尺寸（图6a–f），确保了外部尺寸的一致性，从而确保机械性能的差异仅由结构设计引起，而非样品尺寸。整体几何形状如图S5所示。
图6a、b展示了层压样品
结论
本研究介绍了一种新型的3D编织方法，用于制造无缝集成的夹层复合材料，并展示了其在机械和热性能方面的优势，优于传统的层压结构。无缝结构有效消除了层间分层现象，确保了在压缩和弯曲条件下的优异结构完整性和稳定性。有限元分析证实，贯穿厚度的纤维连续性提高了承载能力和刚度，而层压结构则不然
作者贡献声明
杨贤俊：撰写初稿、可视化处理、方法论设计、概念构思。姜京模：撰写初稿、可视化处理、方法论设计、数据分析。金道永：研究指导、数据分析。杨智勋：数据分析。李秀熙：研究指导。金世荣：研究指导。余永烈：撰写审核与编辑、项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了韩国国防技术研究与发展院（KRIT）的资助，该机构由韩国政府（DAPA，国防采购计划管理局）资助（项目编号：KRIT-CT-23-039，高超音速隔热轻质燃烧室结构开发）。此外，本研究还得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）资助（项目编号：NRF-2023R1A2C2006014、RS-2024-00455314）。
