- 文献综述（或调研报告）：
随着社会发展，环境保护问题日渐受到人们的重视。自2009年11月26日起，我国向全世界宣布了控制温室气体排放的行动目标，到2020年单位国内生产总值（GDP）二氧化碳排放比2005年下降40%至45%。为响应国家节能减排的号召，使用新型材料和加工工艺是目前主要方案，相比于传统的金属材料及工艺，轻量化的新型材料具有性能优异、比重轻、耐高温、环保等一系列的优点。
碳/碳编织复合材料作为新型材料，其强度随着温度的升高，不仅不降低反而増大，因此是一种很好的耐髙温的材料。由于碳原子的表面只存在4个原子，其化学稳定性相对较好，并且相比于单一材料，其在实际应用中力学性能更为优异，具有比重轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好、摩擦性好等性能，在航空航天领域，通过使用编织复合材料替代传统金属结构材料来减少飞机机身重量，新型波音787整体使用的复合材料超过机身总重量的50%，相较于使用传统金属结构材料的B767可以减少17%的油耗[1-5]，在航天领域中因为碳/碳编织复合材料突出的抗烧蚀性能、高温性能、导热性能等，也得到了十分广泛的应用，被称为第三代纤维增强复合材料[6～8]。编织复合材料的发展虽然十分迅速，但是因为其本身结构的不均匀性、随机性及复杂性，对其整体结构的损伤起始和扩展过程及失效的研究仍处于不断发展的过程中，还有许多问题需要进一步研究，才能促进编织复合材料在各个领域中的应用。
编织复合材料的力学分析模型可以分为宏观和微细观分析模型，宏观分析模型不考虑材料内部细观结构，仅根据材料力学理论和宏观断裂准则来分析材料。微细观分析则考虑了材料的细观非均匀特性，纤维束和基体微观应力的分布，以及纤维束基体界面性能等对复合材料力学性能的影响。梁军等[9]使用Eshelby-Mori-Tanaka法和改进的刚度平均化方法，考虑了细编穿刺 C/C复合材料内部纤维与裂纹的相互作用，不仅得到了有效弹性常数和热膨胀系数，还对比了不同微裂纹密度对材料性能的影响。还通过细观力学方法和能量法得到了脆性编织复合材料损伤过程中微裂纹产生的演化方程及细观本构方程，给出了基体开裂临界应力和相应的非线性本构关系。另外，通过研究周期性单胞来获得复合材料的宏观结构力学性能，能够有效的解决宏观尺度下复合材料复杂的内部结构带来的难题。细观力学有限元法可以通过联系复合材料的宏观、细观两种尺度，通过建立材料内部和整体之间的联系从材料内部进行有限元分析。宋迎东[10]等建立了统一数值模型，对模型施加统一周期性边界条件研究了复合材料宏、细观力学之间的关系。这种力学模型能够较准确的联系宏观、细观两个尺度下的应力-应变关系，从而可以从其中一个尺度下的力学性能得到另一个尺度下的应力、应变场。三维编织复合材料是纤维束按照一定的编织角度相互作用生成的，因此需要对不同编织角度进行研究。徐焜[11]等建立了小编织角复合材料的拉伸强度模型，揭示了小编织角复合材料在单向拉伸载荷作用下的失效机理，基体首先发生剪切破坏失效，随后纤维断裂和基体破坏。
编织复合材料的力学性能与其增强纤维、基体和界面三个组分有关，其复杂的细观结构使材料内部局部应力应变分布不均匀，材料性能具有一定的非线性，材料破坏方式具有多样性。因此，许多研究者对编织复合材料进行了拉伸、压缩、弯曲和高温等试验。通过对料的几何参数和加载的方式的改变，得到材料力学性能的变化规律，并且通过断口的微观形貌分析，得到材料的主要破坏模式。Hatta[12]、Peter[13]通过试验发现，因为三维C/C编织复合材料在z向上有增强相，增强了其损伤容限性，因此其拉伸强度要高于二维C/C编织复合材料。并且对C/C编织复合材料进行了静加载试验研究，得到材料的拉伸和压缩强度与加载速率有关。Aubard等[14]通过对三维四向C/C编织复合材料纵向、面内偏45°方向和增强纤维方向进行拉伸、压缩和高温试验发现，在轴向上的失效模式为脆性断裂并且试验结果受外界影响因素较大，试件横截面越大其纵向强度、模量也随之而増大，材料表现为非线性各向异性性能。卢子兴等[15–17]通过对碳纤维增强环氧树脂基三维四向编织复合材料的拉伸试验发现编织角的大小对材料的强度和模量影响较大，小编织角材料的性质主要由纤维控制，大多数破坏为纤维的拉伸破坏，材料应力-应变关系接近线性；大编织角材料的性质主要由基体控制，纤维束出现弯曲断裂，应力-应变关系为非线性。庞宝君等[18]也对三维四向编织碳/环氧复合材料进行拉伸、压缩和剪切试验，试验结果表明，拉伸模量随着编织角的增加会明显下降，而压缩模量随着编织角的增加会有微小的增加。并且验证了编织角度对材料强度的影响，编织角48.84°的应力应变全曲线近似为双线性，呈现较好的延性，拉伸断裂与编织角成正比关系，拉伸断裂中基体存在较大的横向变形；压缩破坏时，横向压缩破坏由小编织角材料的脆性破坏过渡为大编织角材料的塑性破坏。C/C编织复合材料作为一种很好的耐髙温的材料，在航空航天领域的应用越来越广泛，王臣[19]等对C/C编织复合材料在动态耦合载荷下进行了失效分析，发现其在高温载荷下的力学是动态的，通过利用材料在不同温度时所服从的随机场分布的失效强度，分析材料内部与表面的温度差，从而完成了在热力耦合下强度失效的过程分析。
虽然目前复合材料损伤的研究方法非常的多，但是各自之间缺点仍然十分明显，细观力学理论的精度不高，宏观力学理论无法分析材料内部复杂结构，而有限元分析技术虽然已经成熟，却很难直接对复合材料进行内部应力分析、裂纹的产生、裂纹扩展的过程模拟。而三维编织C/C复合材料由于材料内部结构十分复杂，还存在局部应力集中，仅仅通过宏观尺度的研究不能完全准确的分析，还需要通过细观力学来对其研究。因此，对三维编织C/C复合材料的研究需要作为一个多尺度问题进行处理，需要将宏观、细观两个尺度结合分析。
参考文献：
[1]Meisam Jalalvand,Gergely Czeacute;l,Michael R. Wisnom. Numerical modelling of the damage modes in UD thin carbon/glass hybrid laminates[J]. Composites Science and Technology,2014,94:39-47.
[2]Christoph W. Kensche. Fatigue of composites for wind turbines[J]. International Journal of Fatigue,2006,28(10).
[3]李威,郭权锋.碳纤维复合材料在航天领域的应用[J].中国光学,2011,4(03):201-212.
[4]A. Endruweit,L.T. Harper,T.A. Turner,N.A. Warrior,A.C. Long. Random discontinuous carbon fiber preforms: Experimental permeability characterization and local modeling[J]. Polymer Composites,2010,31(4):569-580.
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