对角锁编织复合材料中扭转效应的系统研究

三维角交错 woven复合材料（3DAWCs）通过系统实验与数值模拟揭示织造参数对力学性能的调控机制，发现30 T/m纱线扭转密度可分别提升压缩和弯曲强度42.11%与32.45%，主要源于扭转抑制纤维断裂，同时高纬密度（>2根/cm）会弱化扭转效应。

　　

刘涛|王一军|王晓宇|朱瑞星|陈晓蒙|陈月|欧阳毅伟|董晶晶

西安工业大学纺织科学与工程学院，中国陕西省西安市710048

摘要

三维角锁编织复合材料（3DAWCs）具有较高的损伤容忍度、优异的层间剥离抵抗能力和良好的设计灵活性。本研究采用了一个系统的分析框架，将实验和数值模拟相结合。通过结合机械性能测试（经向压缩和三点弯曲）与多尺度有限元建模，系统地揭示了编织工艺参数（捻度和纬密）如何协同调节编织前后纱线的力学状态，从而控制3DAWCs的宏观力学性能。同时，对经纱的形态和纤维断裂率进行了表征，并将其应用于多尺度模型中。结果表明，捻度为30 T/m时，其力学性能最佳，与未加捻的样品相比，压缩强度和弯曲强度分别提高了42.11%和32.45%。一种新颖的多尺度建模策略表明，性能的提升主要源于捻度在编织过程中减少纤维断裂，从而保持了纤维的完整性。另一个关键发现是捻度与纬密之间存在强烈的耦合效应；当纬密超过2根/厘米时，由于结构约束的作用，捻度的益处显著减弱。本研究为高可靠性需求领域中3DAWCs的制造工艺提供了新的机理洞察和技术方法。

引言

三维角锁编织复合材料（3DAWCs）[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]是一类重要的纺织复合材料，广泛应用于航空航天、国防、军事工程和交通运输等安全关键领域。然而，在编织过程中，纤维容易起毛和断裂。此外，复合材料的力学性能常常因纤维间凝聚力弱和加工性不足而受到影响。值得注意的是，捻度是纺纱和编织中的关键技术，可以提高纱线和复合材料的整体质量，但过度的捻度可能导致复合材料力学性能下降。因此，作为控制3DAWCs力学行为的关键工艺参数，捻度水平受到了广泛的研究关注。

先前的研究表明，通过多尺度结构调控和界面优化[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]、预成型结构设计以及集成成型技术[21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]等方法，可以提升纱线和复合材料的性能。值得注意的是，关于捻度密度如何调节纺织复合材料力学性能的机制研究仍然较少。一些研究人员对此进行了初步探索。例如，Yu等人[33]系统研究了纱线捻度、层捻度与单纱捻度之比（捻度比）以及树脂浸渍率对材料性能的影响。然而，他们的研究主要验证了材料的优异拉伸强度，缺乏对其他关键性能（如抗冲击性、蠕变行为和环境老化抵抗性）的系统性表征和验证。Zhao等人[34]通过引入湿法捻纱系统，研究了捻度对纱线堆积密度、碳纳米管（CNT）排列和导电性的显著提升作用，但该研究主要针对单壁碳纳米管，尚未验证该技术对多壁碳纳米管或其他纳米纤维的适用性。Wang等人[35]利用Kolsky棒和高速成像技术研究了不同捻度密度下的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纱线的动态力学行为。然而，他们的研究未能阐明不同捻度水平（尤其是超高捻度）对纱线动态性能的微观机制。Yu等人[36]通过预捻方法改善了碳纤维增强聚合物复合材料的扭转性能，分析包括接触角测量、热重分析和定制扭转测试。但他们没有系统地揭示捻向（顺时针或逆时针）和捻度水平如何控制微观尺度上的宏观扭转行为。Fang等人[37]研究了经过丝线捻捻和染色改性的废丝/玻璃纤维增强带的弯曲和抗冲击性能。尽管如此，他们仍未阐明捻度水平如何影响复合材料性能的微观机制。Huang等人[38]设计了捻捻编织结构作为纤维形状锂离子电池的电流收集器，旨在提高能量密度。然而，他们未能揭示捻度水平（尤其是超高捻度）如何控制界面稳定性和束间应力传递的微观机制。Wang等人[39]制备了用于微工程应用的捻捻液晶弹性体纤维。尽管如此，他们仍未建立不同捻度水平下纤维微观结构演变与其宏观力学输出之间的定量结构-性能关系。尽管上述研究提供了宝贵的见解，但对捻度如何影响纺织结构复合材料力学性能的系统性理解仍然不足，特别是在多参数耦合下的潜在机制和定量建模方面。

同时，有限元方法（FEM）已成为揭示纤维变形与宏观力学性能之间关系的有力工具。一些学者[40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49]专注于纤维/基体界面和纱线内部的应力传递和损伤起始，并通过建立高保真度有限元模型阐明了力学性能的演变。其他研究人员[50], [51], [52], [53], [54], [55], [56], [57], [58]通过多尺度建模和均质化方法预测了纺织复合材料的宏观性能，有效降低了实验成本并缩短了开发周期。在生物医学陶瓷假体领域，有限元应力分析也被用于优化材料选择和降低故障风险[59]。对于非线性问题和复杂服役条件[60,61]，模拟通常考虑材料非线性（弹塑性）、几何非线性（大变形）和边界非线性（接触），并通过迭代算法获得解决方案。这使得能够更真实地描述复杂载荷（例如冲击和大变形）下的力学响应，并提高虚拟测试的准确性。然而，使用FEM研究纤维变形及其对3D纺织复合材料力学行为影响的研究仍然有限。因此，开发专门的数值框架以揭示捻度对3DAWCs力学性能的影响至关重要。

尽管针对捻度水平对3D纺织复合材料影响的研究仍然有限，但在理解复合材料的力学行为方面已取得实质性进展。例如，一些学者[62], [63], [64], [65], [66], [67], [68], [69], [70]通过精心控制的实验和参数优化，建立了加工、微观结构和力学性能之间的内在关系，为提高产品质量、减少缺陷和促进高效制造提供了实际指导。其他研究人员[71], [72], [73], [74], [75], [76]通过结合有限元建模、机器学习和多尺度模拟，实现了性能的准确预测和创新的结构设计。此外，一些研究[77,78]专注于极端环境下的力学演变和失效机制，这对于航空航天等高端应用至关重要。

本研究的主要目的是系统研究捻度和纬密对3DAWCs压缩性能和三点弯曲性能的影响。研究过程如下：第2节描述了具有不同捻度水平（0 T/m、15 T/m、30 T/m、45 T/m）和纬密的原型的设计和制备，以及对其基本力学性能的实验测试和分析。第3节建立了包含纤维螺旋结构的微观单向复合材料模型和3DAWCs的宏观有限元模型。结合实验结果，该节讨论了捻度密度对编织前后纱线行为的影响机制，并揭示了纬密增加如何减弱捻度的增强效果。最后，第4节总结了本研究的主要发现。

实验材料与方法

本节致力于制备、测试和表征具有不同规格的样品。2.1节详细介绍了材料选择的原因，并描述了具有不同捻度和纬密的三DAWCs的设计和制备过程。随后，2.2节详细阐述了这些复合材料的具体测试方案和相应的表征方法。

结果与讨论

本节研究了捻度和纬密对3DAWCs力学性能的影响及其潜在机制。基于力学测试数据，3.1节分析了这些参数对宏观力学性能的定量影响。3.2节利用多尺度模型揭示了编织前后纱线捻度的基本机制，并阐明了纬密如何调节捻度的有效性。

结论

本研究通过综合实验和有限元分析，系统研究了捻度水平和纬密对3DAWCs压缩性能和弯曲性能的影响。建立了多尺度建模框架，包括单向（UD）复合材料的微观模型和纱线螺旋结构的模型，以及宏观3DAWCs模型。这种方法实现了从编织过程中经纱损伤到……的耦合分析。

作者贡献声明

刘涛：概念化、方法论、撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。王一军：研究、验证、撰写——初稿、数据管理、软件、可视化。王晓宇：软件、数据管理。朱瑞星：数据管理。陈晓蒙：研究。陈月：资金获取。欧阳毅伟：监督。董晶晶：验证。