碳纤维增强聚合物复合材料已被成功应用于航空航天，轨道交通，汽车，海洋船舶和体育设备等方面，尤其是二维（2D）层合板。然而，由于它们在厚度方向（z向）上缺少增强纤维，导致其层间性能差，限制了其在具有复杂载荷或异型结构件中的应用。相比之下，由三维（3D）机织物制成的复合材料具有更高的z方向性能，如抗分层性，损伤容限等，以及更好的结构整体性和设计灵活性。不过，3D机织物由于其制造成本高，效率低，使其很难大规模应用。本研究基于一种新颖的想法，即交织纬纱层的经纱可以提供足够的纤维卷曲，使得层间剪切或径向应力沿纤维传递来实现承载，而不是通过强度相对较弱的基体树脂传递，从而改善z向强度。本工作所提出并证实的采用3D机织物中一种仅含经纬纱且能在稍加改进的传统织机完成织造的结构，即2.5D结构，将有可能成为一个新颖且实际的解决方案，具体来说，就是使用2.5D浅交弯联织物（2.5DSBW）这类具有高度屈曲纱线的机织物结构增强复合材料来制造可以承受复杂载荷的飞机梁、筋、肋等主承力结构，将优于传统的2D层压板和昂贵的3D机织复合材料。
　　论文主要工作：
　　（1）织物结构参数设计。通过理论模型计算，设计了具有相同结构参数和纤维体积含量的3D机织物预制件，并通过改进的真空辅助成型（VARI）工艺，制备了相同厚度和纤维体积含量的3D机织物结构增强复合材料，为后期综合分析评价不同3D机织物对力学性能和破坏模式的影响提供了准确可靠的试样件；
　　（2）织物形貌及其复合材料界面形态分析。通过光学和电子显微镜对织物形貌进行分析，证明织造工艺对纤维损伤程度与机织物结构和织物厚度有关。机织物结构中纱线交织程度越大，织物厚度越厚，织造过程中纱线损伤越严重；此外，VARI工艺对3D机织物结构形态具有影响，主要体现为纤维束内纤维聚集和压缩导致纱线截面变化，纱线间相互嵌套或滑移引起纱线截面沿着厚度方向倾斜以及纱线受到挤压导致纱线屈曲程度，z-纱走势和纱线条干均匀度的改变；
　　（3）3D机织物复合材料面内和面外性能分析。为保证综合评价的准确性，通过特殊设计的制样方式，对机织复合材料面内（x/y方向）和面外（z方向）力学性能进行测试，尤其是通过自行设计的制样和测试方法，第一次系统地通过直接测试，获得了厚度方向/z-方向的复合材料强度数据，并从织造对纤维的损伤到织物结构对力学行为和破坏模式进行分析，综合评价了不同3D机织物结构对复合材料力学性能的影响。而且与2D层合板（2D laminate）进行对比，指出3D机织复合材料面内性能均低于2D层合板，且面内性能下降程度与增强结构中纱线屈曲程度有关。纱线屈曲程度越大，面内性能越差。而在厚度方向上，2D层合板性能却普遍低于3D机织复合材料，说明3D机织物结构对厚度方向性能有提高；
　　（4）L型3D机织物复合材料力学性能和失效模式分析。基于前面研究，选取L型梁作为代表性的加强筋结构，探讨了3D机织物结构增强L型异型件在拉伸和弯曲两种载荷条件下，不同3D机织物结构对L型异型件力学行为，破坏模式和应变分布的影响以及2.5D机织物结构相比于3D正交和2D平纹复合材料（2DPWC），在异型件结构上的适用性。该研究证明了使用高度卷曲的2.5D机织物制造复合材料加强筋是一种可行选择，且该复合材料加强筋具有等于或优于昂贵的3D复合材料的承载能力和抗层间剪切性能。同时，也有助于为后期高效经济的高性能加强筋结构的选择和设计提供指导。
　　本研究不仅分析了不同机织物结构对复合材料力学性能和破坏模式的影响，还通过准静态测试获取了3D机织复合材料厚度方向力学数据，对后期3D机织物结构设计，理论模拟和异型件增强结构的选取具有实际指导意义。