随着深空探测、空间遥感及大型空间载荷技术的发展，空间可展开结构对轻量化、展开后承载能力及结构稳定性的要求日益提高。碳纤维增强树脂基复合材料凭借高比强度、高比刚度及良好的结构可设计性，在空间轻量化支撑结构中具有广阔的应用前景。与传统层合复合材料相比，2.5D机织碳纤维复合材料通过经纱、纬纱及衬经纱的空间交织形成具有一定厚度方向约束作用的增强结构，在改善材料整体性、提高损伤容限及实现多方向承载等方面具有潜在优势。然而，不同机织方式下纱线的交织规律、空间走向及局部几何特征存在明显差异，使材料内部载荷传递和应力分布呈现复杂特征，进而影响其宏观力学性能与损伤行为。因此，揭示不同机织方式对2.5D机织碳纤维复合材料细观力学响应及宏观承载性能的影响规律，对于空间可展开支撑结构承载区域的材料选型具有重要意义。
为了明确不同机织方式对材料力学性能及损伤行为的影响，建立细观结构特征与宏观承载能力之间的联系，本文选取三枚衬经斜纹、四枚衬经斜纹和五枚缎纹三种典型2.5D机织碳纤维复合材料，采用拉伸试验与细观有限元分析相结合的方法，研究不同机织方式下材料的经纬向力学性能及细观损伤演化特征。首先，依据ASTM D3039复合材料拉伸试验标准，分别制备三种机织方式的经向和纬向拉伸试验件，开展准静态单轴拉伸试验，获取不同加载方向下材料的拉伸弹性模量及极限拉伸强度，对比分析不同机织方式对材料方向性力学性能和拉伸破坏特征的影响。在此基础上，根据三种机织方式的纱线排列规律、截面形状及空间走向，建立包含经纱、纬纱、衬经纱和树脂基体的三维细观代表体积单元模型。基于Abaqus/Explicit求解平台，结合用户材料子程序建立渐进损伤分析模型，采用Hashin失效准则与基于断裂能的刚度退化方法描述材料损伤过程，模拟经纬向拉伸载荷下的力学响应，分析纱线及基体的应力分布与损伤演化特征。
试验结果表明，三种2.5D机织碳纤维复合材料均表现出明显的方向性力学特征，不同机织方式对材料的经纬向拉伸刚度和强度具有显著影响。其中，四枚衬经斜纹结构的经向拉伸弹性模量最高，表现出突出的经向刚度优势；五枚缎纹结构具有最高的经向和纬向拉伸强度，同时其纬向拉伸弹性模量也优于另外两种结构，表现出较好的双向拉伸承载能力；三枚衬经斜纹结构的经纬向力学性能差异相对较小，但整体拉伸承载水平低于另外两种结构。上述结果表明，不同机织方式能够形成差异化的方向性增强效果，使材料的刚度与强度表现出不同的变化规律。为进一步揭示不同机织方式下材料宏观力学性能差异的细观机制，结合有限元计算结果分析纱线与基体的载荷传递及渐进损伤过程。数值分析表明，2.5D机织碳纤维复合材料内部应力分布具有明显的非均匀性，沿加载方向分布的纱线增强体承担主要轴向载荷，而纱线交织部位、局部弯曲段及相邻树脂基体中存在不同程度的应力集中现象。随着外部载荷增加，纱线增强体与基体之间的载荷分配及局部应力状态发生变化，交织区域和纱线几何过渡部位表现出复杂的应力响应，是材料潜在损伤敏感区域的重要组成部分。不同机织方式引起的纱线起伏程度、交织周期及衬经纱分布差异，使材料内部载荷传递路径和局部应力集中程度发生变化，进而影响其宏观拉伸刚度与极限承载能力。同时，由于三种材料的纤维体积分数及纱线几何参数亦存在差异，其力学性能变化是机织方式与细观几何因素共同作用的结果。
综合试验与数值分析结果可知，合理选择机织方式能够有效调节2.5D机织碳纤维复合材料的方向性承载性能。面向空间可展开支撑结构展开后的承载需求，四枚衬经斜纹结构可作为轴向拉伸刚度要求较高部位的候选材料，而五枚缎纹结构在拉伸强度及双向承载要求较高的部位具有更好的应用潜力。
本文通过不同机织方式下2.5D机织碳纤维复合材料宏观力学性能与细观应力响应的对比分析，揭示了机织方式对材料方向性承载能力及局部载荷传递特征的影响，为空间可展开支撑结构承载区域的复合材料选型及轻量化设计提供了参考依据。

空间柔性展开结构；2.5D机织碳纤维复合材料；细观模型；渐进损伤；承载性能

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