基于Micro-CT技术的3D机织预制件细观结构分析

邵梦洁; 谢军波; 杨志; 焦伟; 郭珍珍; 陈利; 杜雪菲

doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20211102.001

基于Micro-CT技术的3D机织预制件细观结构分析

邵梦洁^{1, 2},
谢军波^{1, 2, ,},
杨志^{1, 2},
焦伟^{1, 2},
郭珍珍^{1, 2},
陈利^{1, 2},
杜雪菲³

1.
天津工业大学　复合材料研究院　纺织复合材料教育部重点试验室，天津 300387
2.
天津工业大学　纺织科学与工程学院，天津 300387
3.
航天材料及工艺研究所，北京 100076

基金项目: 国家自然科学基金青年基金(11802204)；天津市自然科学基金青年基金(18JCQNJC73000)；天津市教委科研计划项目(2018KJ195)；天津市高等学校创新团队项目(TD13-5043)

详细信息

通讯作者:
谢军波，博士，副研究员，硕士生导师，研究方向为复合材料力学、织物力学　E-mail: xiejunbo@tiangong.edu.cn

中图分类号: TB333
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出版历程
- 收稿日期: 2021-08-30
- 修回日期: 2021-10-10
- 录用日期: 2021-10-21
- 网络出版日期: 2021-11-02
- 刊出日期: 2022-08-30

Analysis of meso-structure of 3D woven preforms based on the micro-CT technology

SHAO Mengjie^{1, 2},
XIE Junbo^{1, 2, ,},
YANG Zhi^{1, 2},
JIAO Wei^{1, 2},
GUO Zhenzhen^{1, 2},
CHEN Li^{1, 2},
DU Xuefei³

1.
Ministry of Education Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials, Institute of Composite Materials, Tiangong University, Tianjin 300387, China
2.
School of Textile Science and Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China
3.
Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology, Beijing 100076, China

摘要

摘要: 基于微计算机断层扫描(Micro-CT)技术重构了纤维预制件的3D细观结构，提出了两个表征纤维预制件几何结构变形的量化指标，研究了纬纱密度和厚度对3D机织预制件细观结构的影响机制。结果表明：Micro-CT技术能够有效表征3D机织预制件内部纱线的截面形态和空间路径；当纬纱密度为2.0根/cm时，预制件试样均表现出明显的变形，不适合实际工程应用；随着纬纱密度的增加，纤维预制件的内部结构趋于稳定；10 mm试样的内部结构比5 mm试样更稳定，但表面纱线的横截面和路径仍然呈现较大的变形。
- 3D机织 /
- 预制件 /
- 纤维结构 /
- 细观变形 /
- Micro-CT技术
Abstract: The 3D meso-structures of the fiber preforms was reconstructed based on the micro-computed tomography (micro-CT) technology, two quantitative indexes were proposed to characterize the deformation of the fiber preforms' geometric structure. The influence mechanism of weft densities and thicknesses on the meso-structure of the 3D woven preform was studied. The results show that the micro-CT technology can be used to characterize the cross-section and spatial path of the yarns inside the 3D woven preform effectively. The preform samples with the weft density of 2.0 picks/cm show obvious deformation, and thus are not suitable for practical engineering application. With the increase of the weft density, the internal structure of the fiber preform tends to be stable. The internal structures of the 10 mm samples are more stable than that of the 5 mm samples, however, the cross section and path of the surface yarns still show large deformation.
- 3D woven /
- preform /
- fiber structure /
- meso-scale deformation /
- micro-CT technology

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3D机织复合材料是由3D机织预制件(或预制体)与基体材料(树脂、碳和陶瓷等)通过复合固化工艺制备而成的一种高性能材料。相比于传统的2D复合材料，3D机织复合材料在厚度方向上引入了连续增强纤维，改善了2D复合材料层间性能弱、抗冲击性能差的缺点。3D机织复合材料以其优异的力学性能，如比强度高、比模量高、抗冲击和耐疲劳等，在航空航天、军事及车辆工程等诸多领域得到广泛应用^[1]。

3D机织预制件的细观结构(如纤维的屈曲度、纱线空间路径和局部纤维体积含量等)决定了复合材料的力学性能。预制件在织造过程中容易发生细观结构变形，这些变形与纱线张力、经/纬纱密度和存储运输中的挤压等人为因素密切相关。经纱张力过大或过小，经/纬纱密度不适当，或者是人员操作不当引起过度挤压都会增大预制件的细观结构变形^[2-3]。纱线排布位置、几何路径和截面形态均会在纱线张力和相互挤压作用下发生变化，而且这些变形与结构参数密切相关。因此，准确解释特定因素对纤维结构的影响对优化预制件的织造工艺至关重要。

实现预制件纤维结构的准确几何重构是复合材料单胞建模、有效性能预测和渐进损伤分析的重要前提^[4]。人们通常采用切片观测^[5-8]的方法对复合材料的内部纤维结构进行分析，以此为基础生成单胞模型。传统的单胞模型往往将纱线截面简化为圆形、矩形或椭圆形等规则的几何形状^[9-10]，忽略纱线的接触挤压变形，因此很难真实地反映纤维结构的复杂几何特征。近年来，微计算机断层扫描(Micro-CT)^[11-12]技术在复合材料的微观结构表征和原位损伤分析方面得到越来越多的应用^[13-14]。Micro-CT技术是一种高分辨率的无损检测技术，能够实现结构的3D全息重构，基于Micro-CT重构图像可以直接生成具有高保真度的复合材料有限元分析模型^[15-18]。Fang等^[19]根据Micro-CT图像建立了3D编织复合材料的体素单元模型，并在纱线/基体界面位置进行了局部精细化网格划分处理，显著提高了计算精度。有学者还基于Micro-CT技术提出了在纱线尺度生成随机几何结构的方法^[20-22]，建模过程中考虑了纱线形态的统计性规律，包括纱线中心位置、截面面积和倾斜方向等。

Micro-CT技术在纺织复合材料领域的应用使预制件成形^[23-24]、树脂注射成型^[25-26]和细观力学建模方面^[27-28]的研究更加深入。到目前为止，人们开展了大量的工作来研究织造参数对复合材料力学性能的影响^[7，29-30]。然而，针对预制件纺织成形过程中的细观变形表征、变形机制分析及织造参数对变形的影响等问题仍缺乏系统的研究^[31]。

本文对3D机织预制件的单胞结构开展研究，制备了一系列试样，利用Micro-CT技术对其纤维结构进行了重构。提出了两个几何变异系数来定量化表征预制件纺织成形过程中单胞结构的几何变化。建立了织造参数与纤维结构变化之间的联系。本文的研究将对3D机织复合材料单胞结构稳定性分析和预制件成形工艺设计提供理论指导。

1. 试验材料及方法

1.1 原材料

样件均由南京玻璃纤维研究设计院有限公司提供，共制备了6种石英纤维3D机织预制件，按照厚度分为5 mm和10 mm两组，每组包括3种纬纱密度：2.0、2.5和3.0根/cm。图1为3D机织预制件的纤维结构。经纱采用3合股190 tex纱线，纬纱采用10合股190 tex纱线，法向纱采用单股190 tex。所有预制件的经纱/法向纱密度均为8.5 根/cm。上述参数均为初始设计值。事实上，由于织造过程中的几何变化，预制件的结构参数会与设计不同。表1为预制件下机时的实际结构参数。常见的层层角联锁机织结构仅包含经纱和纬纱，纬纱呈伸直状态，经纱呈屈曲状态，经纱与纬纱互相垂直，经纱不仅在平面内沿纵向排列，还沿厚度方向以一定深度与角度同纬纱交织。预制件结构引入了法向纱和衬纬纱。法向纱贯穿整个厚度，提高了预制件的抗分层能力。衬纬纱填充于两列纬纱之间，减小了经纱的屈曲程度，增加了纤维的平直度，有利于提高复合材料的经向力学性能。

图 1 3D机织预制件示意图 (a)、经纱路径 (b) 和法向纱路径 (c)

Figure 1. Schematic diagram of the 3D woven preform (a), warp yarn path (b) and binder yarn path (c)

1, 2, 3—Warp yarn direction, weft yarn direction and thickness direction of the preform

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表 1 3D机织预制件结构参数

Table 1. Structure parameters of the 3D woven preforms

Sample	Thickness/ mm	Weft yarn density/ (picks·cm⁻¹)	Fiber volume fraction/vol%
S-5-2.0	5.5	1.9	43.6
S-5-2.5	5.6	2.4	47.3
S-5-3.0	5.4	3.1	50.8
S-10-2.0	10.8	2.0	42.2
S-10-2.5	10.9	2.6	46.9
S-10-3.0	10.9	3.0	51.2

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1.2 Micro-CT测试

利用Micro-CT技术研究了三维机织预制件的内部结构，如图2所示，预制件试样尺寸为40 mm×60 mm，由北京迪士比科技有限公司生产的电动裁切机(GD-H690)切割得到。Micro-CT试验在德国Zeiss公司生产的卡尔蔡司Xradia 510(80 kV，7 W)Versa设备上进行。测试过程中X射线源发射一束锥束，穿过试样，然后被接收板吸收，Micro-CT图像的分辨率为25 μm。

图 2 微计算机断层扫描(Micro-CT)测试

Figure 2. Micro-computed tomography (Micro-CT) test

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2. 3D机织预制件细观几何结构

图3为不同参数预制件试样的Micro-CT图像。可以发现，预制件内部的真实纤维结构与初始设计结构(图1)相比存在显著的差异。一些纬纱(尤其是靠近试样表面的纬纱)的排布位置发生了变化，纬纱列不再是整齐的竖直排布；伴随着纬纱的错位，经纱和法向纱的路径也发生了扭曲；在纬纱和经纱(或法向纱)的交织点，纱线相互挤压，横截面发生变形，图4为真实结构截面与理想结构截面的对比。

图 3 3D机织预制件试样Micro-CT图像：((a)~(c)) 纬纱密度2.0、2.5和3.0根/cm的5 mm试样；((d)~(f)) 纬纱密度2.0、2.5和3.0根/cm的10 mm试样

Figure 3. Micro-CT images of 3D woven preform samples: ((a)-(c)) 5 mm thickness samples with the weft yarn densities of 2.0, 2.5 and 3.0 picks/cm; ((d)-(f)) 10 mm thickness samples with the weft yarn densities of 2.0, 2.5 and 3.0 picks/cm

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图 4 3D机织预制件真实结构截面 ((a), (b)) 与理想结构截面 ((c), (d)) 的对比

Figure 4. Comparison of real ((a), (b)) and ideal ((c), (d)) structural sections of 3D woven preform samples

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预制件的变形将对复合材料的力学性能产生显著影响。本文提出了两个几何变异系数(I_location和I_path)，量化表征预制件单胞结构的几何变形。

几何变异系数I_location描述纬纱位置的变化：

${{I}}_{\text{location}}\text=\frac{ \displaystyle \sum\limits_{{i}\text{=1}}^{{n}}{{l}}_{\text{weft}}^{{i}}}{{n}}$

(1)

其中： ${{l}}_{\text{weft}}^{{i}}$ 为纬纱列中第i根纱线到纬纱列中线的距离，如图5(a)所示，纱列的中线沿试样厚度方向，而且穿过最中间一层纬纱截面的形心；n为一列纬纱中纬纱的数量。本文对每个试样取3个Micro-CT切片进行测量，每个切片测量4列纬纱。

图 5 3D机织预制件纱线几何变异系数：(a) 纬纱；(b) 经纱；(c) 法向纱

Figure 5. Geometric variation indicators of the 3D woven preform samples: (a) Weft yarn; (b) Warp yarn; (c) Binder yarn

${{l}}_{\text{Weft}}^{{i}}$ —Distance between the i-th yarn and the middle line of the weft yarn column;

${{z}}_{\text{CT}}^{{i}}$ —Z-coordinate of the i-th point on the yarn path in the Micro-CT image;

${{z}}_{\text{T}}^{{i}}$ —Corresponding Z-coordinate of the i-th point on the TexGen yarn path

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目前，人们通常采用TexWise、TexGen、Solidworks等建模软件^[32]构造纺织复合材料的单胞模型。但实际上预制件内部的经纱/法向纱的路径是不规则的，与理想的单胞模型之间存在差异。为了量化描述经纱/法向纱空间路径的变形，在TexGen中生成纱线路径时，将纱线截面形状简化为椭圆形，截面尺寸(长轴和短轴)由各自试样的Micro-CT图像统计结果确定，每个纱线截面的统计样本为30个。本文根据试样的厚度、纬密和层密等参数通过TexGen软件生成经纱/法向纱路径，将一个屈曲周期内的经纱/法向纱实际路径与TexGen生成的路径进行对比，提出了另一个几何变异系数I_path：

$I_{\mathrm{path}}=\frac{\displaystyle\sum_{j=1}^{m}\left|z_{\mathrm{CT}}^{i}-z_{\text {TexGen }}^{i}\right|}{m}$

(2)

其中： ${{z}}_{\text{CT}}^{{i}}$ 为Micro-CT图像纱线路径上第i点的z坐标； ${{z}}_{\text{TexGen}}^{{i}}$ 为TexGen纱线路径上对应的z坐标；m为一个屈曲周期内纱线路径上选取的坐标个数，如图5(b)和图5(c)所示。利用ImageJ软件从Micro-CT图像中识别纱线路径，在一个屈曲周期内均匀选取20个点，即m=20。本文对每个试样选取3个Micro-CT切片进行测量，对于5 mm试样每个切片测量6根经纱(包含1个屈曲循环)、1根法向纱(包含2个屈曲循环)；对于10 mm试样每个切片测量10根经纱(包含1个屈曲循环)、1根法向纱(包含2个屈曲循环)。

3. 织造参数对3D机织预制件细观结构的影响

3.1 纬纱密度对3D机织预制件细观结构的影响

图6为5 mm试样的Micro-CT图像。在每个试样的Micro-CT扫描结果中选择3个切片，显示了单胞结构的奇数列、偶数列经纱和法向纱路径。在经纱的挤压作用下，处于表层和底层位置的纬纱由初始位置移动到与相邻纬纱列之间的空隙中。

图 6 5 mm 3D机织预制件纬纱试样Micro-CT图像：((a)~(c)) 2.0根/cm；((d)~(f)) 2.5根/cm；((g)~(i)) 3.0根/cm

Figure 6. Micro-CT images of the 3D woven preform weft yarn samples with 5 mm thickness: ((a)-(c)) 2.0 picks/cm; ((d)-(f)) 2.5 picks/cm; ((g)-(i)) 3.0 picks/cm

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当纬纱密度较低时(2.0根/cm)，相邻纬纱列的间距较大，经纱对纬纱的约束作用较小。在预制件织造成形过程中，法向纱贯穿纱线结构的整个厚度，对纬纱列有着较大的捆绑约束作用。纬纱列很容易在法向纱的捆绑力作用下发生变形，无法保持竖直成列的排布状态。可以发现，纬纱密度为2.0根/cm的预制件单胞结构不稳定，纬纱相互错位、呈“C”形排列。

随着纬纱密度的提高，相邻纬纱列间距逐渐减小、纬纱排布更加规则，单胞结构趋于稳定。随着纬纱密度的提高，5 mm试样的几何变异系数I_location平均值和离散范围显著下降，当纬纱密度由2.0根/cm增加到2.5根/cm和3.0根/cm时，I_location平均值由0.94降低到0.52和0.40，如图7(a)所示。伴随着纬纱位置的改变，经纱和法向纱的路径也会发生变化。5 mm试样的经纱均有明显变形，可以发现试样表层、内部和底层的经纱路径有显著区别。随着纬纱密度的提高，经纱的几何变异系数I_path平均值的下降幅度不是很明显，由2.0根/cm时的0.46降低到2.5 根/cm和3.0 根/cm时的0.41和0.40，但由于纬密2.0根/cm试样单胞结构不稳定，其经纱的I_path离散范围明显大于其他两个试样，如图7(b)所示。当纬纱密度较低时，法向纱的路径很不规则，随着纬纱列的失稳发生较大变形，不再关于屈曲路径循环周期的中心对称。随着纬纱密度的提高，预制件单胞结构变的紧密，法向纱的路径趋于规则，其几何变异系数I_path平均值逐渐降低，由2.0根/cm时的1.58降低到2.5根/cm和3.0根/cm时的1.27和1.25，如图7(c)所示。

图 7 纬纱密度对3D机织预制件几何变异系数的影响：((a)~(c)) 5 mm；((d)~(f)) 10 mm

Figure 7. Influence of weft yarn density on the geometric variation indicators of the 3D woven preform samples: ((a)-(c)) 5 mm; ((d)-(f)) 10 mm

I_path, I_location—Geometric variation indicators

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图8为10 mm试样的Micro-CT图像。与5 mm试样相类似，10 mm试样的单胞结构也发生了一定的变形。表层和底层的纬纱移动到了与相邻纬纱列之间的空隙中，低纬纱密度(2.0根/cm)试样的纬纱不再竖直成列，而是呈一定弧度排布；经纱路径有一定变形，试样表层、内部和底层的经纱路径有显著区别；法向纱路径发生变形，不再关于屈曲周期的中心对称。纬纱密度对10 mm试样的几何变异系数的影响规律与5 mm试样相同。随着纬纱密度的增加，预制件的单胞结构变得越来越稳定。纬纱几何变异系数I_location的离散范围和平均值都逐渐减小，当纬纱密度由2.0根/cm增加到2.5根/cm和3.0根/cm时，I_location平均值由1.58降低到0.45和0.32。经纱和法向纱的几何变异系数I_path平均值也随着纬纱密度的增加逐渐减小。经纱I_path平均值由2.0根/cm时的0.28降低到2.5根/cm和3.0根/cm时的0.23和0.21；法向纱I_path平均值由2.0根/cm时的0.83降低到2.5根/cm和3.0 根/cm时的0.65和0.57。

图 8 10 mm 3D机织预制件纬纱试样Micro-CT图像：((a)~(c)) 2.0根/cm；((d)~(f)) 2.5根/cm；((g)~(i)) 3.0根/cm

Figure 8. Micro-CT images of the 3D woven preform weft yarn samples with 10 mm thickness: ((a)-(c)) 2.0 picks/cm; ((d)-(f)) 2.5 picks/cm; ((g)-(i)) 3.0 picks/cm

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实际上，由于单胞结构不稳定，纬纱密度为2.0根/cm的3D机织预制件在实际应用中很少使用。本文为了探索纬纱密度对单胞结构的影响，制备了该参数的预制件样件。

3.2 厚度对3D机织预制件细观结构的影响

预制件的厚度对内部单胞结构的稳定性同样有着显著影响。图9为纬纱密度2.0根/cm、不同厚度试样的Micro-CT图像。由于纬纱密度较低，预制件纤维结构松散，纱线之间交织力较小，各个试样表现出明显的变形，单胞结构不稳定。试样表层和底层的纬纱容易发生错位，5 mm试样纬纱列的排布呈“C”形，10 mm试样纬纱列变形较小，呈弧线形排布。

图 9 纬纱密度2.0根/cm 3D机织预制件试样Micro-CT图像：((a)~(c)) 5 mm；((d)~(f)) 10 mm

Figure 9. Micro-CT images of 3D woven preform samples with the weft density of 2.0 picks/cm: ((a)-(c)) 5 mm; ((d)-(f)) 10 mm

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本文研究的3D机织预制件，经纱和纬纱形成层层角联锁结构，每一层纬纱都通过经纱与上、下相邻层的纬纱交联(表层、底层纬纱除外)，因此纬纱与经纱形成相互约束作用，构成一个整体结构。在相同的纬纱密度下，纬纱层数越多、经纬纱间的约束力越强，经纱和纬纱之间的错动、滑移越小。随着厚度的增加，纬纱密度为2.0根/cm试样的几何变异系数I_location的平均值逐渐下降，当厚度由5 mm增加到10 mm时，I_location平均值由0.94降低到0.83，如图10(a)所示。在纬纱发生位置变化的同时，经纱和法向纱的路径也会发生变化。5 mm试样和10 mm试样的经纱都发生了明显的变形，可以观察到试样表层、内部和底层的经纱路径有显著差异。5 mm试样与10 mm试样经纱的变形程度不同，随着厚度的增加，经纱的几何变异系数I_path平均值显著下降，由5 mm试样的0.46降低到10 mm试样的0.28，如图10(b)所示。

图 10 厚度对3D机织预制件纬纱几何变异系数的影响：((a)~(c)) 2.0根/cm；((d)~(f)) 2.5根/cm；((g)~(i)) 3.0根/cm

Figure 10. Influence of thickness on the geometric variation indicators of the 3D woven preform weft yarn samples: ((a)-(c)) 2.0 picks/cm; ((d)-(f)) 2.5 picks/cm; ((g)-(i)) 3.0 picks/cm

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当试样厚度不同时，法向纱的变形程度不同，5 mm试样呈“矮胖”形，10 mm试样呈“瘦高”形。法向纱路径都不关于屈曲循环的中心线对称，但10 mm试样的法向纱路径与TexGen构造的理想曲线更接近。法向纱的几何变异系数I_path平均值由5 mm试样的1.58降低到10 mm试样的0.87，如图10(c)所示。

图11和图12分别为纬纱密度2.5根/cm、3.0根/cm不同厚度试样的Micro-CT图像。厚度对2.5根/cm和3.0根/cm试样细观结构的影响规律相似，都是随着厚度的增加，经纱/纬纱相互约束力增强，预制件单胞结构更稳定。当纬纱密度为2.5根/cm时，随着厚度的增加，纬纱几何变异系数I_location的离散范围和平均值都在逐渐减小，当厚度由5 mm增加到10 mm时，I_location平均值由0.52降低到0.45。经纱和法向纱的几何变异系数I_path平均值也随着厚度的增加逐渐减小。经纱I_path平均值由5 mm时的0.41降低到10 mm时的0.23；法向纱I_path平均值由5 mm时的1.27降低到10 mm时的0.65。当纬纱密度为3.0根/cm时，纬纱几何变异系数I_location和经纱、法向纱的几何变异系数I_path平均值都随着厚度的增加逐渐降低。当厚度由5 mm增加到10 mm时，I_location平均值由0.40降低到0.32，经纱I_path平均值由0.40降低到0.21，法向纱I_path平均值由1.25降低到0.57。

图 11 纬纱密度2.5根/cm的3D机织预制件试样Micro-CT图像: ((a)~(c)) 5 mm; ((d)~(f)) 10 mm

Figure 11. Micro-CT images of 3D woven preform samples with the weft density of 2.5 picks/cm: ((a)-(c)) 5 mm; ((d)-(f)) 10 mm

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图 12 纬纱密度3.0根/cm 3D机织预制件试样Micro-CT图像：((a)~(c)) 5 mm；((d)~(f)) 10 mm

Figure 12. Micro-CT images of 3D woven preform samples with the weft density of 3.0 picks/cm: ((a)-(c)) 5 mm; ((d)-(f)) 10 mm

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4. 结论

基于微计算机断层扫描(Micro-CT)技术，研究了3D机织预制件的纬纱密度和厚度对纤维结构的影响。提出了两个几何变异系数(I_location和I_path)定量分析织造过程引起的预制件的细观结构变形。得出以下结论:

(1) 通过Micro-CT技术有效表征了3D机织预制件的内部细观结构，发现实际情况下各纱线系统的排布规律、截面形状和空间路径均与初始设计存在一定差异；

(2) 纬纱密度为2.0根/cm时，预制件试样表现出明显的变形，单胞结构不稳定，不适合实际工程应用；

(3) 在2.0到3.0根/cm的范围内，随着纬纱密度的增加，试样的单胞结构逐渐稳定，纬纱密度达到2.5根/cm后，几何变异系数的降低幅度变小，各纱线几何形态趋于规则；

(4) 当纬纱密度相同时，10 mm试样比5 mm试样的内部结构更加稳定。

图 1 3D机织预制件示意图 (a)、经纱路径 (b) 和法向纱路径 (c)

Figure 1. Schematic diagram of the 3D woven preform (a), warp yarn path (b) and binder yarn path (c)

1, 2, 3—Warp yarn direction, weft yarn direction and thickness direction of the preform

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图 2 微计算机断层扫描(Micro-CT)测试

Figure 2. Micro-computed tomography (Micro-CT) test

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图 3 3D机织预制件试样Micro-CT图像：((a)~(c)) 纬纱密度2.0、2.5和3.0根/cm的5 mm试样；((d)~(f)) 纬纱密度2.0、2.5和3.0根/cm的10 mm试样

Figure 3. Micro-CT images of 3D woven preform samples: ((a)-(c)) 5 mm thickness samples with the weft yarn densities of 2.0, 2.5 and 3.0 picks/cm; ((d)-(f)) 10 mm thickness samples with the weft yarn densities of 2.0, 2.5 and 3.0 picks/cm

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图 4 3D机织预制件真实结构截面 ((a), (b)) 与理想结构截面 ((c), (d)) 的对比

Figure 4. Comparison of real ((a), (b)) and ideal ((c), (d)) structural sections of 3D woven preform samples

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图 5 3D机织预制件纱线几何变异系数：(a) 纬纱；(b) 经纱；(c) 法向纱

Figure 5. Geometric variation indicators of the 3D woven preform samples: (a) Weft yarn; (b) Warp yarn; (c) Binder yarn

${{l}}_{\text{Weft}}^{{i}}$ —Distance between the i-th yarn and the middle line of the weft yarn column; ${{z}}_{\text{CT}}^{{i}}$ —Z-coordinate of the i-th point on the yarn path in the Micro-CT image; ${{z}}_{\text{T}}^{{i}}$ —Corresponding Z-coordinate of the i-th point on the TexGen yarn path

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图 6 5 mm 3D机织预制件纬纱试样Micro-CT图像：((a)~(c)) 2.0根/cm；((d)~(f)) 2.5根/cm；((g)~(i)) 3.0根/cm

Figure 6. Micro-CT images of the 3D woven preform weft yarn samples with 5 mm thickness: ((a)-(c)) 2.0 picks/cm; ((d)-(f)) 2.5 picks/cm; ((g)-(i)) 3.0 picks/cm

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图 7 纬纱密度对3D机织预制件几何变异系数的影响：((a)~(c)) 5 mm；((d)~(f)) 10 mm

Figure 7. Influence of weft yarn density on the geometric variation indicators of the 3D woven preform samples: ((a)-(c)) 5 mm; ((d)-(f)) 10 mm

I_path, I_location—Geometric variation indicators

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图 8 10 mm 3D机织预制件纬纱试样Micro-CT图像：((a)~(c)) 2.0根/cm；((d)~(f)) 2.5根/cm；((g)~(i)) 3.0根/cm

Figure 8. Micro-CT images of the 3D woven preform weft yarn samples with 10 mm thickness: ((a)-(c)) 2.0 picks/cm; ((d)-(f)) 2.5 picks/cm; ((g)-(i)) 3.0 picks/cm

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图 9 纬纱密度2.0根/cm 3D机织预制件试样Micro-CT图像：((a)~(c)) 5 mm；((d)~(f)) 10 mm

Figure 9. Micro-CT images of 3D woven preform samples with the weft density of 2.0 picks/cm: ((a)-(c)) 5 mm; ((d)-(f)) 10 mm

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图 10 厚度对3D机织预制件纬纱几何变异系数的影响：((a)~(c)) 2.0根/cm；((d)~(f)) 2.5根/cm；((g)~(i)) 3.0根/cm

Figure 10. Influence of thickness on the geometric variation indicators of the 3D woven preform weft yarn samples: ((a)-(c)) 2.0 picks/cm; ((d)-(f)) 2.5 picks/cm; ((g)-(i)) 3.0 picks/cm

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图 11 纬纱密度2.5根/cm的3D机织预制件试样Micro-CT图像: ((a)~(c)) 5 mm; ((d)~(f)) 10 mm

Figure 11. Micro-CT images of 3D woven preform samples with the weft density of 2.5 picks/cm: ((a)-(c)) 5 mm; ((d)-(f)) 10 mm

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图 12 纬纱密度3.0根/cm 3D机织预制件试样Micro-CT图像：((a)~(c)) 5 mm；((d)~(f)) 10 mm

Figure 12. Micro-CT images of 3D woven preform samples with the weft density of 3.0 picks/cm: ((a)-(c)) 5 mm; ((d)-(f)) 10 mm

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表 1 3D机织预制件结构参数

Table 1 Structure parameters of the 3D woven preforms

Sample Thickness/
mm Weft yarn density/
(picks·cm⁻¹) Fiber volume fraction/vol%

S-5-2.0 5.5 1.9 43.6
S-5-2.5 5.6 2.4 47.3
S-5-3.0 5.4 3.1 50.8
S-10-2.0 10.8 2.0 42.2
S-10-2.5 10.9 2.6 46.9
S-10-3.0 10.9 3.0 51.2

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1. 试验材料及方法
1.1 原材料
1.2 Micro-CT测试
2. 3D机织预制件细观几何结构
3. 织造参数对3D机织预制件细观结构的影响
3.1 纬纱密度对3D机织预制件细观结构的影响
3.2 厚度对3D机织预制件细观结构的影响
4. 结论

基于Micro-CT技术的3D机织预制件细观结构分析

通讯作者: 谢军波，博士，副研究员，硕士生导师，研究方向为复合材料力学、织物力学 E-mail: xiejunbo@tiangong.edu.cn

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