第六节　纺织复合材料的性能特征

在进行二维和三维机织复合材料力学性能的分析和计算时，其理论基础为经典层合理论。

一、经典层合理论

层合板是由两层或两层以上的单向板黏合在一起而形成的整体受力结构元件。各单向板的材料、厚度和弹性主方向等可以互不相同。适当的改变这些参数，就可以设计出能有效地承受各种特定外载荷的结构元件。

经典层合理论采用弹性板壳理论中的直线法假设，其理论分析结果与实际测试结果能很好的吻合。

这里的单向板指的是单向纤维经复合而成的薄板状复合材料。在宏观上，它属于各向正交异性材料。单向板的正轴弹性特性，可以通过实验测定，也可由组分材料的性能通过计算而获得，这方面的理论已很成熟。单向板的偏轴特性，可通过应力转换公式而求得，通过经典层合理论计算出层合板的力学性能。

二、二维机织复合材料的力学性能

二维机织复合材料的力学性能的计算，可采用三种模型，分别是镶嵌模型、卷曲模型和桥式模型，这三种模型均用于研究复合材料的刚度性能。

经典层合理论是其分析基础，镶嵌模型用于粗略估计复合材料的弹性性能，将连续的复合材料理想化为相互独立的复合材料集合体的串联与并联，仅用于预测复合材料刚度的范围，适应面相对较小。

卷曲模型适用于平纹织物，在平纹机织复合材料中，纱线卷曲较为剧烈，而卷曲模型所模拟的卷曲情况与实际情况甚为吻合，该种方法用于平纹机织复合材料力学性能的预测时，获得了理想的预测效果。

桥式模型适用于缎纹织物。平纹织物在交织区周围不存在直纤维区，当无弯曲时，在平纹织物的载荷方向上，每根纱线面内刚度的分布是相等的，故没有桥的作用发生，每根纱线承受一样的面内力，因此，纤维卷曲模型能提供相当好的预测结果。

三、三维机织复合材料的力学性能

（一）概述

早期的纺织复合材料多数是平面织物经层合而形成的，虽工艺简单、便于制作，但外力超过其极限强度时，最先破坏的地方总是发生在层间界面，亦即层间强度低，因而其发展前景不甚乐观。解决这一问题的最好办法之一就是利用纺织技术织造三维织物，然后进行复合。三维织物具有良好的稳定性，其破坏容限和抗冲击能力均有了显著的提高，整体性和横向抗剪切性能大大改善。由于采用了纺织工艺的成型方法，在构造上具有对较复杂外形的适应性。

在三维机织复合材料构件中，纱线配置有多种方案，如角联锁、三向正交、波形正交配置等，其分析模型主要有层合板模型、能量法模型和平均法模型。

层合板理论是预测复合材料弹性性能的经典方法，把层合板理论应用到三维复合材料，只限于分析面内弹性特性，因为该理论是在板壳理论的基础上建立起来的。在能量法中，纱线伸长、弯曲和侧向压缩所产生的应变能量，在弹性性能的预测中均予以考虑；由于该方法考虑了纱线间的相互作用，所以比复合材料的特性曲线更适合于分析其性能。在平均法中，以合适的角度进行张量转换并进行刚度平均，可以得到纱线分布于空间的复合材料的刚度；该方法最突出的优点在于它可以处理厚截面试件，也可处理纱线结构复杂的部件。

三向正交结构中，纱线的配置共有三种情况：经纱、缝经纱和纬纱，其中经纱几乎处于伸直状态。复合时由于模具的压力，经纱进一步趋于平直，纬纱基本上是垂直的，与此相反，缝经纱则完全处于卷曲状态。

（二）假设

为研究方便，作如下假设。

（1）纤维与基体间存在着理想的黏结，以至在界面上不发生滑脱；整个复合材料结构单元除了纤维外均被树脂充满，无空隙。

（2）递增的载荷作用于材料上时，材料呈线性变形。

（3）经纱为直线，纬纱为直线，缝经纱呈折线。

（4）所有纱线截面均呈圆形。

（三）力学性能的计算

通过以上假设不难看出，三维正交机织复合材料可视为横向、纵向和两个斜向的层合板组合而成的集合体。传统的层合板理论在这里推广为倾斜层合板理论，利用这一方法可以预测三向正交机织复合材料的力学性能。其他结构的机织复合材料的弹性性能的预测方法与此类似，只是层合板的交叉方法与之有所不同。