發(fā)布時間：2020-11-15 12:13

　　 樹脂基三維紡織復(fù)合材料是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新型材料,其有著十分廣泛的工程實(shí)際應(yīng)用,然而外界的濕熱環(huán)境會對三維紡織復(fù)合材料尤其是內(nèi)部的樹脂基體產(chǎn)生破壞,從而降低其力學(xué)性能。因此,研究濕熱環(huán)境對三維紡織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響具有重要意義,本文主要研究了三維紡織復(fù)合材料在水浴環(huán)境中的吸濕增重規(guī)律以及高溫水浴中吸濕后彈性模量的變化。首先,本文通過有限元方法對三維編織復(fù)合材料在常溫下的吸濕過程進(jìn)行了模擬。為此,本文首先選取了包含面胞和內(nèi)胞的周期性代表單元,然后分別建立了內(nèi)胞和面胞的幾何模型,在建立面胞的幾何模型過程中,還對所建面胞的幾何形狀進(jìn)行了修正,使得有限元分析更加貼近于真實(shí)情況。此外,本文還提出了考慮紗線和樹脂不同濕擴(kuò)散參數(shù)的混合單元法,有效的避免了劃分網(wǎng)格時出現(xiàn)畸變的難題。其次,為了便于工程應(yīng)用,本文給出了三維編織復(fù)合材料常溫下吸濕增重的理論模型。首先推導(dǎo)并求解了兩相材料吸濕的擴(kuò)散方程,再利用穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時濕濃度梯度恒定以及濕通量相等的條件分別推導(dǎo)了內(nèi)胞和面胞的濕擴(kuò)散參數(shù),并將它們應(yīng)用于提出的兩相材料吸濕模型中。最后,將理論結(jié)果與有限元、試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩相材料的吸濕模型和有限元預(yù)測的吸濕增重曲線與試驗(yàn)值吻合較好。三維編織復(fù)合材料在吸濕初期會發(fā)生自加速現(xiàn)象,這種現(xiàn)象并不能簡單的用菲克定律進(jìn)行描述。最后,本文在假設(shè)樹脂的彈性模量與濕濃度線性相關(guān)的前提下,推導(dǎo)了單向復(fù)合材料以及三維機(jī)織復(fù)合材料的彈性模量與時間的對應(yīng)關(guān)系,理論預(yù)測的曲線與試驗(yàn)值吻合的較好。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

第一章 緒論1.1 引言三維紡織復(fù)合材料是指由預(yù)制件與基體材料通過一定的成型方法復(fù)合而成的一種高性能復(fù)合材料[1]。其特點(diǎn)是預(yù)制件采用了三維紡織方法從而具有整體結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)層合復(fù)合材料，三維紡織復(fù)合材料層間性能更加優(yōu)異，抵抗分層和沖擊損傷的能力更強(qiáng)。此外，它的制造工藝簡單，適用范圍廣，可以應(yīng)用于具有復(fù)雜幾何形狀的構(gòu)件[4]。三維紡織復(fù)合材料有很多種類，按照預(yù)制件紡織方式的不同，可劃分為機(jī)織、編織、針織等結(jié)構(gòu)類型。本文研究對象主要為三維編織和三維機(jī)織復(fù)合材料，三維編織和機(jī)織復(fù)合材料在工程領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛，例如三維編織復(fù)合材料可以用來制作飛行器、汽車等器具的連接件，還可以用來制作人造骨、人造韌帶等仿生結(jié)構(gòu)[6]，三維機(jī)織復(fù)合材料可以用于航天工業(yè)中渦輪發(fā)動機(jī)的增強(qiáng)件，亦可用于小汽車、卡車的防震構(gòu)件。這些部件在保證使用安全的情況下能夠降低整個部件的質(zhì)量，從而取得更好地經(jīng)濟(jì)效益。

(a) 吸濕老化前 (b) 吸濕老化后圖 1.2 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基單向復(fù)合材料濕熱老化前后截面形貌1.2 復(fù)合材料層合板吸濕研究現(xiàn)狀總體而言，研究復(fù)合材料在濕熱環(huán)境中的老化性能主要分為三個步驟。首先，得到復(fù)合材料在不同溫度下的吸濕量以及濕分在材料內(nèi)部的分布，其次，確定由濕分引起的殘余變形和內(nèi)應(yīng)力，最后，根據(jù)復(fù)合材料內(nèi)部的損傷確定材料力學(xué)性能的變化。在這三個步驟中，第一步是后續(xù)工作的基礎(chǔ)和依據(jù)，只有得到較精確的吸濕結(jié)果，后續(xù)的工作才能更好的進(jìn)展，從而第一步的研究對整個復(fù)合材料的濕熱老化研究意義重大。近年來，復(fù)合材料層合板的吸濕研究已經(jīng)有了大量的工作和成果。復(fù)合材料層合板的濕擴(kuò)散過程和很多因素有關(guān)，而這些因素作用的方式和機(jī)理大有不同。Kyohei Kondo[8]等用有限元方法研究了纖維分布的不均勻性對單向復(fù)合材料橫向濕擴(kuò)散系數(shù)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不均勻性越大，擴(kuò)散系數(shù)越小，由于實(shí)際制造的復(fù)合材料層合板纖維分布總是非均勻的，這個結(jié)論可以解釋周期的單胞模型計(jì)算得到的濕擴(kuò)散系數(shù)總是大于試驗(yàn)件的濕擴(kuò)散系數(shù)的現(xiàn)象。Z Huo[9]等發(fā)現(xiàn)濕濃度對擴(kuò)散系數(shù)有抑制作用，他們將此解釋為濕膨脹引起的內(nèi)應(yīng)力阻礙了濕分沿層合板內(nèi)

等通過對比碳纖維環(huán)氧樹脂層合板在 35℃和 70℃的吸濕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件在 70℃吸濕速率是在 35℃環(huán)境中的 2.25 倍，吸濕速率與溫度的關(guān)系符合 Arrhenius 公式。溫度升高不僅可以提高吸濕速率，還可以增加復(fù)合材料的飽和吸濕量。王春齊[13]等通過對比玻璃鋼在 30℃和 50℃的水浴浸泡試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn) 50℃的試驗(yàn)件吸濕量是 30℃試驗(yàn)件吸濕量的 1.5 倍。菲克定律是最常用來描述濕擴(kuò)散現(xiàn)象的宏觀理論模型，該理論認(rèn)為濕分在材料內(nèi)部的擴(kuò)散由兩點(diǎn)之間的的濃度差所驅(qū)動。許多試驗(yàn)結(jié)果都支持了這一理論模型，王勇剛[14]進(jìn)行了碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板在 60℃、70℃和 80℃的浸水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示在三種溫度下吸濕增重曲線均符合菲克理論。王春齊[15]等將玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基層合板浸泡在 30℃和 50℃的水浴進(jìn)行吸濕試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者均在吸濕初期滿足菲克定律，但后期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都逐漸偏離菲克理論的預(yù)測值。對于復(fù)合材料吸濕在后期偏離菲克定律的現(xiàn)象，Morton E. Gurtin[16][等提出了兩階段吸濕模型，他們認(rèn)為濕分在復(fù)合材料內(nèi)部同時存在兩個過程，第一個過程是濕分在樹脂基體自由傳遞，第二個過程是濕分通過氫鍵或者分子間作用力與材料內(nèi)部的大分子物質(zhì)結(jié)合，兩個過程可以用Langmuir 方程來描述。C.Suri[17]等用簡化的方法得到 Langmuir 方程的解析解，并通過玻璃纖維環(huán)氧樹脂基層合板吸濕試驗(yàn)得到了方程所需的相關(guān)參數(shù)，Langmuir 模型得到的吸濕增重曲線與試驗(yàn)吻合的很好。
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本文編號：2884746