3D机织复合材料具有优异的抗分层、抗冲击、耐疲劳性能及复杂构件近净成型等优点，在航空航天、海洋船舶、军事、建筑、车辆工程和体育等领域得到了广泛应用^[1-2]。近年来，人们对大尺寸、复杂外形的3D机织复合材料提出了更多的应用需求^[3-4]。

预制体的纤维结构对复合材料的力学性能有着决定性的影响，在大尺寸、异形复合材料结构件的制备过程中，预制体往往发生复杂的外形转换，其中弯曲变形是一种常见的变形模式^[5-7]。研究表明，预制体的弯曲性能对变形过程中褶皱缺陷的形成、演化及最终形态有着决定性影响。弯曲性能是影响预制体适形性能和复合材料力学性能的重要因素^[8-10]。

实验是研究预制体力学性能的最直接手段。目前预制体弯曲性能的测试方法主要包括Peirce悬臂弯曲、Kawabata弯曲及三点弯曲^[11]。在Peirce悬臂弯曲测试中，预制体在自身重力作用下发生弯曲，并接触到特定倾角的斜面，通过测量悬臂长度计算弯曲刚度^[12-13]。Bilbao等^[14]设计了一种利用光学技术测量织物弯曲变形的悬臂梁实验方法，测试装置由两个模块组成：机械模块能够在自身质量下将样品置于悬臂结构中，也可以在样品的自由边缘添加质量，达到更大的曲率；光学模块可以拍摄弯曲试样的形状，通过图像处理计算试样的弯曲曲率。传统悬臂梁试验中预制体由于载荷分布不均有可能出现扭转现象。针对这一问题，Dangora等^[15]采用垂直悬臂梁法对预制体进行了弯曲测试，该方法将预制体竖直悬挂，通过绑在自由端的绳子施加载荷，使用数码相机记录试样的位移并计算弯曲曲率。悬臂弯曲试样容易制备、实验操作简单，但高厚度预制体很难在自身重力作用下发生较大的弯曲变形，需要额外施加一定的载荷，容易造成较大误差^[16]。Kawabata弯曲实验将试样夹持在特定的夹具中，通过旋转夹具实现试样的弯曲变形。Kawabata弯曲方法能够实现试样的往复弯曲-展平变形，获取试样的弯矩-曲率曲线，表征织物的非线性弯曲变形行为^[17]。Ropers等^[18]和Sachs等^[19]在Kawabata弯曲法的基础上开发了一种基于流变仪的测试方法，可以实现摆动式旋转加载，这种加载方式同样能够确保试样发生纯弯曲变形。目前的Kawabata弯曲实验往往适用于较小尺寸的试样，难以保障大尺寸、高厚度试样变形时曲率的均匀性。预制体的三点弯曲测试方法借鉴了复合材料的测试标准，该方法简单易操作，主要适用于具有较大厚度和弯曲刚度的预制体^[20]。Charmetant等^[21]、Liang等^[22]、Boisse等^[23]和Margossian等^[24]使用三点弯曲法对3D碳纤维层层角联锁预制体的弯曲行为进行了测试，通过光学图像记录弯曲变形前后预制体厚度的变化、计算试样的曲率。结果表明，由于纱线的抗拉刚度较大，预制体弯曲变形主要由横向剪切引起，原本与试样表面垂直的法线在变形之后不再与表面垂直。

目前的预制体弯曲实验主要关注试样的宏观力学响应，包括弯曲变形过程中的载荷、挠度和曲率等，对预制体内部各纱线系统的微细观变形机制仍然缺乏系统性的研究。本文采用三点弯曲实验研究了碳纤维3D机织预制体的弯曲行为。引入临界弯曲能量表征预制体的弯曲变形性能，通过Micro-CT技术观测试样弯曲变形前、后的内部纱线形态，分析预制体的弯曲变形机制，建立经纱密度和纬纱密度与弯曲性能的量化关系，为预制体工艺设计提供理论指导。

1.   试验材料及方法

1.1   原材料

按照3种经纱密度(5.0根/cm、8.0根/cm、10.0根/cm)和3种纬纱密度(2.5根/cm、3.0根/cm、3.5根/cm)制备了9件碳纤维3D机织预制体样件。所有样件的经纱和纬纱均由T800-24 K碳纤维纱线组成，预制体交织方式为一三斜纹层层角联锁结构，如图1所示。预制体内部纬纱呈伸直状态，经纱呈屈曲状态，经、纬纱互相垂直，经纱将纬纱捆绑连接起来。预制体试样的具体参数如表1所示，试样编号中的J表示经纱密度、W表示纬纱密度。例如“J5W2.5”表示该试样经纱密度5根/cm，纬纱密度2.5根/cm。试样设计厚度为5 mm，该厚度指的是该试样被压缩至纤维体积含量55vol%时的厚度，实际上织物在纺织成形后(未受压力的状态下)的实际厚度往往会略高于设计厚度。

图  1  3D机织预制体示意图：(a) 3D机织结构；(b) 经纱路径

Figure  1.  Schematic diagrams of 3D woven preform: (a) 3D woven structure; (b) Warp yarn path

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  3D机织预制体结构参数

Table  1.  Structure parameters of 3D woven preforms

Sample	Number of warp layer	Number of weft layer	Apparent thickness/mm	Weaving point density/cm−2
J5W2.5	7	8	6.31	21.88
J5W3.0	6	7	5.89	22.50
J5W3.5	6	7	6.19	26.25
J8W2.5	5	6	6.78	25.00
J8W3.0	5	6	6.60	30.00
J8W3.5	4	5	5.97	28.00
J10W2.5	4	5	6.71	25.00
J10W3.0	4	5	7.00	30.00
J10W3.5	4	5	6.73	35.00

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   三点弯曲测试

采用电动裁切机(GD-H690)对预制体进行裁剪。参考标准GB/T 33621—2017^[25](三维编织物及其树脂基复合材料弯曲性能试验方法)，在岛津实验机(AGS-J1KN)上开展预制体样件的三点弯测试。预制体样件的跨距与厚度之比为8∶1，样件尺寸为100 mm×30 mm×5 mm。将预制体试样放置在三点弯曲支座上，保证左右对称，通过支座上的标尺调节至适当跨距，设定压头加载速率5 mm/min，测试过程中记录载荷-挠度数据。

1.3   Micro-CT测试

为了研究预制体的弯曲变形机制，通过Micro-CT技术获得样件弯曲变形前、后的内部纤维结构。参考三点弯曲夹具的尺寸设计了一种弯曲控形工装，如图2所示。将预制体试样放入控形工装中，通过调节压头位置可以实现不同程度的弯曲变形，锁紧螺栓使弯曲变形得以“固定”。扫描测试时将预制体试样连同控形工装一起放入Micro-CT扫描设备的观测腔室中。本文采用卡尔蔡司Xradia 510 Versa设备开展Micro-CT测试，X射线源的起始能量设置为80 kV/7 W，曝光时间为1 s，图像分辨率为25 μm。

图  2  3D机织预制体Micro-CT扫描：((a)~(c)) 变形前；((d)~(f)) 变形后

Figure  2.  Micro-CT test of the 3D woven preform: ((a)-(c)) Before deformation; ((d)-(f)) After deformation

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   三点弯曲测试结果及分析

2.1   3D机织预制体宏观力学响应

三点弯曲实验过程中，预制体样件的弯曲变形如图3所示。随着弯曲挠度的增大，试样两端逐渐翘起，变形后的预制体试样呈“V”字形。当弯曲挠度达到10 mm左右时，试样与支座之间开始发生显著滑移。三点弯曲载荷下预制体试样的变形曲率并不均匀，靠近压头的位置曲率较大，两端位置曲率很小，几乎呈平直状态。

图  3  预制体三点弯曲测试：(a) 0 mm；(b) 2 mm；(c) 4 mm；(d) 6 mm；(e) 8 mm；(f) 10 mm

Figure  3.  Three-point bending test of the preform: (a) 0 mm; (b) 2 mm; (c) 4 mm; (d) 6 mm; (e) 8 mm; (f) 10 mm

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图4显示了不同结构参数的预制体弯曲载荷-挠度曲线。不同试样的载荷-挠度曲线变化趋势大致相同，曲线均表现出显著的非线性特征，当挠度达到10 mm左右时，弯曲载荷基本达到峰值，弯曲挠度继续增加时，弯曲载荷不再增加，随着试样与支座之间发生滑移，弯曲载荷逐渐下降，直到试样脱离支座。

图  4  3D机织预制体三点弯曲试样载荷-挠度曲线：((a)~(c)) 经纱密度5根/cm、8根/cm、10根/cm；((d)~(f)) 纬纱密度2.5根/cm、3.0根/cm、3.5根/cm

Figure  4.  Load-deflection curves of three-point bending samples of 3D woven preform: ((a)-(c)) Warp densities of 5 ends/cm, 8 ends/cm and 10 ends/cm; ((d)-(f)) Weft densities of 2.5 picks/cm, 3.0 picks/cm and 3.5 picks/cm

下载: 全尺寸图片 幻灯片

当试样经纱密度相同时，纬纱密度越大，弯曲载荷的峰值越大；同样地，当试样纬纱密度相同时，经纱密度越大，弯曲载荷的峰值也越大。这说明3D机织预制体的弯曲性能与试样内部的组织点密度(d_w，单位体积内组织点的数量)密切相关，组织点密度越大，试样越不容易发生弯曲变形。

2.2   3D机织预制体临界弯曲能量

织物预制体是一种柔性材料，当弯曲挠度超过某一临界弯曲挠度值d_c (d_c约为10 mm)时，试样与三点弯曲支座开始发生滑移，随着弯曲挠度的继续增加，试样逐渐脱离支座。因此，本文认为试样弯曲挠度小于d_c时为稳定弯曲状态。当弯曲挠度为d_c时，载荷值为F_c、载荷累积做功为E_c (对应图5曲线下方的面积)。将E_c定义为试样的临界弯曲能量，表征其抗弯曲性能。

图  5  3D机织预制体三点弯曲试样临界弯曲能量

Figure  5.  Critical bending energy of three-point bending sample of 3D woven preform

E_i—Bending energy under a certain bending deflection; F—Bending load; F_c—Critical bending load value; F_i—Bending load value under a certain bending deflection; d—Bending deflection; d_c—Critical bending deflection value; Δd—Unit bending deflection value

下载: 全尺寸图片 幻灯片

将曲线覆盖区域分为n个宽Δd的狭长矩形，第i个矩形的高度为F_i，则临界弯曲能量E_c可由下式计算：

预制体的弯曲性能与其组织点密度d_w有关，d_w由下式计算：

其中：${d}_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{p}}$为经纱密度；${d}_{\mathrm{w}\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{t}}$为纬纱密度；${n}_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{p}}$为经纱层数，N=4表示一根经纱上两个相邻组织点跨越的纬纱数量。不同预制体样件的组织点密度如表1中所示。图6给出了预制体临界弯曲能量E_c与组织点密度d_w的关联关系。结果显示，E_c随着d_w的增加而增大，二者大致呈线性关系。预制体组织点密度越大，纱线排布越紧密、彼此之间的相互约束力越强，因此弯曲变形时所需的临界弯曲能量越大。

图  6  组织点密度对3D机织预制体临界弯曲能量的影响

Figure  6.  Effect of weaving point density on critical bending energy of 3D woven preform

E_c—Critical bending energy

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   3D机织预制体经纱屈曲度变化

碳纤维3D机织预制体发生宏观弯曲变形后，其内部微细观结构也发生了显著变化。本文对典型结构的预制体试样(J5W3.0)开展了变形前、后的Micro-CT扫描测试。弯曲变形前，预制体内部的纱线排布比较规则：纬纱沿厚度方向排布成列，各纬纱列基本呈竖直状态；经纱与纬纱相互交织，一根经纱将上下相邻的两层纬纱连锁起来，各层经纱的路径基本一致。

弯曲变形后，经纱的屈曲形态会发生显著变化。引入经纱屈曲度${B}_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{p}}$来表征变形前后经纱屈曲形态的变化：

其中：${L}_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{p}}$为经纱实际长度(图7实线长度)；${L}_{\mathrm{b}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{e}}$为基准线长度(图7虚线长度)。弯曲变形前，${L}_{\mathrm{b}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{e}}$是纱线两端的直线间距。弯曲变形后，基准线随着试样变形为弧线，${L}_{\mathrm{b}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{e}}$为图7(b)所示的弧线长度，该弧线是连接上下两层纬纱各中心点的样条曲线。

图  7  3D机织预制体经纱屈曲度的定义：(a) 变形前；(b) 变形后

Figure  7.  Definition of buckling degree of warp yarn of 3D woven preform: (a) Before deformation; (b) After deformation

L_base—Baseline length

下载: 全尺寸图片 幻灯片

预制体弯曲变形前、后，其内部各层经纱的路径分别如图8(a)和图8(b)所示，其中L1~L6表示第1层~第6层经纱。弯曲变形后，预制体样件表层经纱受压、底层经纱受拉，因此不同位置处的经纱屈曲度发生了变化。预制体样件在变形前、后的经纱屈曲度如图8(c)所示。未变形前各层经纱长度基本相同，屈曲度均为0.025。弯曲变形后，底层经纱(L1~L2)在拉伸载荷下伸直，屈曲度降低；中间层经纱(L3~L4)的屈曲度与变形前相比变化不大；表层经纱(L5~L6)在压缩载荷下屈曲度进一步提高。由底层至表层，经纱的屈曲度明显增大，L6经纱的屈曲度比L1经纱提高了98.3%。

图  8  3D机织预制体：(a) 变形前经纱路径；(b) 变形后经纱路径；(c) 变形前后经纱屈曲度对比

Figure  8.  3D woven preform: (a) Warp yarn path before deformation; (b) Warp yarn path after deformation; (c) Comparison between buckling degree of warp yarns before and after deformation

L—Layer

下载: 全尺寸图片 幻灯片

弯曲变形会引起表层经纱的局部屈曲现象，如图9所示。这些位置的经纱没有其他纱线的约束，处于自由状态，受到纵向压缩时容易产生横向膨胀，即“负泊松”效应。L1经纱的局部屈曲使试样表面产生褶皱。试样内部的经纱在弯曲变形时的屈曲度较低，而且与周围纱线相接触，处于受约束状态，一般不会产生屈曲现象。

图  9  3D机织预制体表面经纱的局部屈曲

Figure  9.  Local buckling of the surface warp yarn of 3D woven preform

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4   3D机织预制体纬纱列偏转角度

弯曲变形前，纬纱列的排布呈竖直状态，穿过纬纱列的直线与试样表面大致垂直。弯曲变形后，纬纱列的排布仍然保持为直线，但不再与试样表面垂直。可见，高厚度的碳纤维3D机织预制体的弯曲行为不符合Kirchhoff薄板弯曲理论，预制体弯曲过程中发生了层间剪切变形，即纬纱和经纱之间发生了层间滑移。为了量化分析预制体试样的层间剪切变形，本文基于Micro-CT扫描图像统计了8列纬纱(C1~C8)的偏转角度，如图10(a)所示。其中，织物表面路径是沿着试样上表面轮廓线进行设定的，在压头附近，试样与压头紧密贴合，此处的轮廓线曲率与压头曲率一致。纬纱列偏转角度为预制体初始法向和纬纱列方向之间的夹角。初始法向为经过表层纬纱形心且垂直于织物表面路径的直线(图10(a)点虚线)；纬纱列方向为连接表层和底层纬纱形心的直线(图10(a)虚线)。统计结果如图10(b)所示：压头左右两侧纬纱列的偏转角度大致对称分布；靠近压头的纬纱列偏转角较小，远离压头的纬纱列偏转角较大；随着与压头距离的增大，纬纱列偏转角度表现出先增大后减小的趋势，最大偏转角度为26.85°。

图  10  3D机织预制体纬纱列偏转角：(a) 基于Micro-CT图像的测量；(b) 统计结果

Figure  10.  Weft row deflection angle of 3D woven preform: (a) Measurement based on Micro-CT image; (b) Statistical result

C—Column

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   结 论

研究了碳纤维3D机织预制体结构参数对其弯曲性能的影响，基于Micro-CT技术分析了弯曲变形前后预制体内部细观结构的变化，得出以下结论：

(1) 碳纤维3D机织预制体的弯曲载荷-挠度曲线表现出显著的非线性特征，经、纬密较大时，预制体结构紧密，不容易发生弯曲变形；

(2) 预制体样件在三点弯曲测试中挠度小于10 mm时为稳定弯曲变形，临界弯曲能量随着组织点密度的增加线性增大；

(3) 碳纤维3D机织预制体的弯曲变形由经纱屈曲度变化、局部压缩屈曲和经纬纱层间滑移等微细观变形构成；

(4) 预制体发生弯曲变形后，其内部的微细观变形并不均匀，不同位置的纤维结构差异较大，会导致最终复合材料力学性能的离散性。