【摘要】：為了降低二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料由于編織纖維屈曲較大造成的面內(nèi)力學(xué)性能的降低,本論文針對(duì)二維編織進(jìn)行了改進(jìn),將二維編織中的一組碳纖維換成尼龍熱熔絲,讓它與碳纖維進(jìn)行編織得到新型的單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料預(yù)成型結(jié)構(gòu)件,再采取VARTM成型工藝對(duì)預(yù)制件進(jìn)行固化獲得復(fù)合材料。由于尼龍熱熔絲細(xì)度較小,在與碳纖維交織時(shí)碳纖維形成的屈曲較小,同時(shí)熱熔絲的熔點(diǎn)較低,在預(yù)制件編織完成后固化工藝前對(duì)預(yù)制件進(jìn)行加熱使熱熔絲融化,能夠起到穩(wěn)定編織結(jié)構(gòu)的作用。另外,在編織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面,二維編織結(jié)構(gòu)和單向編織結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)成對(duì)稱鋪層結(jié)構(gòu),即在最中間兩層的纖維材料和編織方向相同。本論文文主要研究了單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的制備工藝,對(duì)單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸性能和拉伸破壞模式,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與分析對(duì)比。為了更好地制備單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料,在織前紗管準(zhǔn)備工序中,為了防止碳纖維紗寬過(guò)窄和熱熔絲相互糾纏,找到了適合碳纖維和熱熔絲的繞紗速度;在編織工序中,通過(guò)調(diào)整模具移動(dòng)速度來(lái)保證碳纖維的紗線寬度相等和纖維間隙盡可能的小;由于本實(shí)驗(yàn)中的編織物為長(zhǎng)方形,為了防止進(jìn)樹(shù)脂口和出樹(shù)脂口端的復(fù)合材料厚度不等,故在固化工藝中采用編織物長(zhǎng)邊一進(jìn)一出的流道設(shè)計(jì),即選取編織物較長(zhǎng)的兩邊,一側(cè)為進(jìn)樹(shù)脂口一側(cè)為出樹(shù)脂口。為了研究單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸性能,本論文編織模具采用的是矩形截面模具,模具的寬度大于模具的厚度,論文中拉伸性能測(cè)試的試樣取自模具上下表面編織物完成固化后的板,由于是長(zhǎng)方體形模具,在模具上下表面的不同位置處,編織角會(huì)有變化,分別沿縱向選取單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料板的左、中、右三部分,即每種結(jié)構(gòu)各三組試樣,再根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制樣后進(jìn)行拉伸測(cè)試,得到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并通過(guò)公式計(jì)算得到各個(gè)試樣的拉伸模量和拉伸強(qiáng)度,分別對(duì)每種結(jié)構(gòu)的各組之間進(jìn)行比較,再對(duì)不同結(jié)構(gòu)取一種參數(shù)相近的組進(jìn)行比較。為了研究單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸破壞模式,在拉伸實(shí)驗(yàn)完成后,每種結(jié)構(gòu)選取一塊試樣,沿著試樣的縱向,按照試樣外側(cè)、1/4寬度處、1/2寬度處進(jìn)行切割,然后打磨,之后對(duì)試樣橫向不同位置處的縱向截面進(jìn)行顯微鏡觀察,結(jié)合顯微鏡觀測(cè)圖,分析研究?jī)煞N結(jié)構(gòu)編織鋪層復(fù)合材料的拉伸破壞模式。實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果表明:(1)當(dāng)單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的其他參數(shù)都相同的情況下,固化工藝是造成拉伸強(qiáng)度發(fā)生變動(dòng)的原因,例如固化之后復(fù)合材料內(nèi)部有氣泡等。(2)通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在其他參數(shù)不變的情況下,纖維體積分?jǐn)?shù)是影響單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度,和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的主因。(3)當(dāng)編織角一定纖維體積分?jǐn)?shù)變化較小,或者當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)一定編織角小幅度波動(dòng)時(shí),單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料拉伸模量波動(dòng)較小,但是當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)大幅下降時(shí),單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料拉伸模量也會(huì)大幅下降,因此纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料的模量有較大影響。(4)在兩種結(jié)構(gòu)的編織角和纖維體積分?jǐn)?shù)近似相等的情況下,在本實(shí)驗(yàn)條件下,單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料高了28.4%;單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸模量比二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料高了38.7%,可以說(shuō)明碳纖維屈曲的減少明顯提高了復(fù)合材料的面內(nèi)拉伸力學(xué)性能。(5)在拉伸載荷作用下,單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線走勢(shì)基本相同,說(shuō)明材料內(nèi)部破壞模式相似,都是在初始階段為線性,之后隨著載荷增加內(nèi)部破壞開(kāi)始發(fā)生,損傷累積、破壞加劇,最終復(fù)合材料在達(dá)到能夠承受的最大應(yīng)力后失效。(6)從表觀觀測(cè)圖(試樣斷裂口的外觀圖)可以看出,單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的纖維層之間界限分明,在顯微鏡縱向截面觀測(cè)圖中,單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸破壞較為規(guī)整,破壞形式分為層內(nèi)裂紋和層間裂縫,層內(nèi)裂紋垂直于拉伸方向沿試樣厚度方向延伸且相鄰層之間不連續(xù),層間裂縫則層與層之間的縫隙進(jìn)行延伸。(7)從表觀觀測(cè)圖可以看出,二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的斷裂口外觀形態(tài)比較規(guī)整;在顯微鏡觀測(cè)縱向截面圖中,二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的拉伸破壞較為雜亂無(wú)章,裂紋在相鄰纖維層之間相互延伸,層間裂縫由于纖維束傾斜排列呈現(xiàn)傾斜延伸。(8)從單向編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料和二維編織對(duì)稱鋪層復(fù)合材料的縱向截面顯微鏡觀測(cè)圖中可以發(fā)現(xiàn),兩種編織結(jié)構(gòu)的裂縫區(qū)都從編織物的第一層開(kāi)始,這是由于材料第一層的編織角最小且纖維層中存在纖維頭端。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB33

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2693628