纺织复合材料设计
2022年8月8日 星期一

       纺织复合材料是以纺织物作为预成型体、包埋于基体材料形成的纤维增强复合材料。相比于正在新兴出现的纳米材料，纺织复合材料作为一种传统工程材料，是目前和将来相当长时期内真正能在结构工程技术领域得到广泛应用的材料。高性能纤维如碳纤维等的不断涌现，使纤维复合材料制造成本逐渐减低，复合材料在工程结构中得到广泛应用。
       纺织复合材料设计主要包括：（1）正向设计：包括选择纤维和基体材料、确定预成型体结构、复合材料固化成型、复合材料性质表征和成本核算；（2）逆向设计：包括复合材料性质指标和成本预算、确定复合材料增强相种类、设计复合材料性质、选择固化方案、选用合适的纤维和基体。

图1 材料设计基本路径

       图1是材料设计路径：材料加工成型后，材料微观结构随之基本确定；材料微观结构与材料性质密切相关；采用分析和建模方法，由材料性质将能预测材料在外场（如：力场、温湿度场、电磁场等）作用下的响应；材料的响应将决定最终性能和用途。性能和用途可以不断优化，进行材料加工成型的再升级。整个闭环流程将使材料在最简化（如：用料最省、质量最轻等）前提下得以符合工程要求。纺织复合材料设计也遵循这一路径，使纺织复合材料性质得到优化。
       纺织复合材料设计的主要难点是：纺织复合材料结构的多尺度性和性质的离散性。金属材料能在工程中广泛使用的重要原因之一就是性质的相对稳定性，而纺织复合材料性质的离散性使得其在工程设计中很难被普遍认同。以拉伸强度为例，平行纤维束作为最简单的纺织结构，拉伸强度通常以强度Weibull分布理论描述；由平行纤维束形成的单向复合材料拉伸强度则要复杂许多：涉及弱环理论、纤维/基体应力传递剪滞模型、界面失效模式等等一系列复杂描述理论和现象；由单向复合材料以一定取向组合形成层合板，将产生分层、渐次损伤模式。如果扩展至二维纺织结构甚至三维纺织结构，在考虑预成型体织造过程中带来的纤维束随机损伤和固化成型过程中的基体不完美粘结现象，将使纺织结构复合材料性质表征和设计异常复杂。
       当复合材料界的传奇Stephen W. Tsai（蔡为伦）和H. Thomas Hahn于1980年勾画出如图2所示的纤维层合复合材料力学性质设计框图时，代表着纤维复合材料工程设计界已经迎来一个成熟的时代。

图2 层合复合材料力学性质设计框图^[1]

       我们希望构建具有复杂几何结构纺织复合材料设计框图，推动纺织复合材料设计达到新高度。

参考文献：
1 Stephen W. Tsai, H. Thomas Hahn. Introduction to composite materials. Technomic Publishing Company, Inc., Lancaster, Pennsylvania, USA, 1980