三维编织复合材料细观结构及力学性能研究

摘要

三维编织复合材料是一类新型结构材料，由于克服了层合复合材料的一些固有缺陷，具有比刚度大、比强度高、抗冲击、耐烧蚀等优点，所以在航空、航天等领域得到广泛应用。近些年来，国内外对这类新型复合材料的细观结构与宏观力学性能的关系进行了诸多研究，取得了丰硕成果，并逐渐成为复合材料研究领域的一个热门方向。目前，关于编织复合材料力学性能研究的综述性文章已有很多，但均很难概括这一前沿领域的最新研究进展。本文将从三维编织复合材料细观结构模型研究、力学性能预测和相关实验研究等几个方面介绍近期开展的工作，希望对国内同行的相关研究也能有所裨益。主要工作包括：(1)对三维多(四、五、六、七)向编织复合材料的细观结构进行了研究，提出了相应的单胞模型，并利用体积加权平均法给出了这些材料弹性性能的理论预测结果，讨论了有效弹性性能同编织结构参数的关系。(2)基于三维四向编织复合材料细观结构模型，在假设挤压固化后纱线具有六边形横截面的基础上，提出了一种新的有限元计算模型，通过设定合理的边界条件，计算得到了三维编织复合材料的弹性性能，并分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响规律。(3)以单胞模型为基础，将三维四向编织复合材料中相同走向的纤维束视为单向复合材料，利用桥联模型确定了单向复合材料的柔度矩阵，再将具有不同材料主向的单向复合材料的刚度通过体积平均，得到了三维四向编织复合材料的总体刚度矩阵，从而得到其工程弹性常数。然后，以单向复合材料为基础，基于等应变假设和桥联模型，确定出材料内各组分(纤维束和基体)的细观应力分布，且对纤维束采用Hoffman失效准则，对基体采用Mises失效准则，预报了三维四向编织复合材料的拉伸强度。(4)对不同编织角、不同体积含量的三维五向碳/酚醛编织复合材料进行了纵向(编织方向)和横向拉伸实验，获得了这些编织复合材料的主要拉伸力学性能。(5)对经不同温度炭化处理后的三维五向碳/酚醛编织复合材料进行了纵向和横向拉伸实验，分析了这类材料经不同温度炭化处理后拉伸力学性能的变化规律。同时，还对拉伸实验后的试件破坏断口进行了宏观和微观分析，探讨了材料的变形和破坏机理。