改性对GF/pCBT及泡沫夹心复合材料力学性能的影响研究

摘要

纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、可设计性好等诸多优点。近年来，复合材料在航空航天、船舶、汽车工业等领域中得到广泛的应用。与常规材料相比，先进纤维增强树脂基复合材料在实际应用中同样面临着湿热老化、高低温老化、力学冲击载荷等一系列考验。因此，本文针对复合材料在不同自然环境中使用时的力学性能开展研究，旨在探索能够提升复合材料抗老化性能的有效途径。同时，针对复合材料抗冲击性能差的力学缺陷，寻找能够提升复合材料材料抗冲击性能的方法。主要内容包含以下几个方面：
　　（1）考察了环形对苯二甲酸丁二醇脂（CBT）与国产催化剂的反应规律，以聚合后树脂的基本力学性能为衡量指标，筛选出了合理的催化剂投放量。利用纳米SiO2、纳米TiO2、纳米石墨三种添加物对热塑性CBT树脂进行共混改性研究。结合热学、力学测试手段及扫描电镜（SEM）技术，对比分析了 CBT树脂改性前后的热、力学行为的变化规律，得到了 CBT树脂中纳米颗粒含量及种类对该树脂的热、力学行为的影响机理。
　　（2）利用物理气相沉积法对玻璃纤维表面喷涂质量分数分别为0.5％和2%的纳米SiO2颗粒，采用真空辅助模压工艺（VAMP）制备了改性前后单向玻璃纤维增强聚环形对苯二甲酸丁二醇脂（pCBT）复合材料层合板（GF/pCBT），通过力学测试手段全面衡量了所制备的GF/pCBT复合材料层合板的拉伸、弯曲及层间性能。对改性前后复合材料层合板在不同温度下的力学行为进行了比较分析，得到了改性前后复合材料力学性能随使用温度的变化规律。结合 SEM技术及宏观失效形貌对比分析，得到了改性前后复合材料在不同使用温度下的失效机理。
　　（3）将改性前后的GF/pCBT复合材料在不同湿度和温度环境下进行了长达3个月的暴露，对比分析了改性前后 GF/pCBT复合材料经过不同老化环境暴露以后的力学性能。根据不同湿热老化环境下复合材料力学性能的变化规律，得到了纳米颗粒改性前后复合材料在湿热环境下的失效机理，研究了纤维表面纳米 SiO2改性对复合材料耐湿热性能的影响规律。根据测试获得的湿热老化数据，利用时温等效原理预测分析了复合材料的力学强度衰减率（SDR）随着老化暴露时间的变化规律，得到了 CBT树脂基热塑性复合材料在湿热环境及单独高温环境下的使用时间-温度等效关系，该等效关系可以用来预测该类复合材料在实际自然环境下的使用寿命。
　　（4）对编织玻璃纤维增强 pCBT树脂基复合材料进行了层间混杂改性，研究了改性前后复合材料层合板在低速冲击载荷作用下的失效规律及破坏机理。利用真空辅助预浸料模压工艺（VAMP）制备了纯碳纤维增强pCBT树脂基复合材料及玻璃纤维/碳纤维共同增强pCBT树脂基层间混杂复合材料。通过低速冲击实验与ABAQUS有限元方法相结合的手段得到了两类复合材料层合板的低速冲击参数。仿真实验中，基于刚度渐变损伤思想，编写了用于评估编织纤维增强复合材料的三维失效准则，实验结果与仿真结果符合良好，得到了层间混杂改性前后复合材料层合板在低速冲击载荷作用下的渐进损伤失效过程及层合板中的应力分布规律随冲击接触时间的变化规律。
　　（5）利用真空辅助注射工艺（VARI）工艺制备了层间混杂改性泡沫夹心复合材料层合板，并对比研究了夹心结构的低速冲击性能，所研究的六种三明治结构层合板的铺层形式包括[C4/Foam core/C4]，[C2/G2/Foam core/G2/C2]，[G2/C2/Foam core/C2/G2]，[G/C]2/Foam core/[C/G]2，[G/C2/G/Foam core/G/C2/G]和[G4/Foam core/G4]。利用低速冲击试验得到的数据，分析获得了不同形式的混杂面板对夹心结构在低速冲击载荷作用下的影响规律。通过宏观肉眼观察及 SEM测试方法，对材料的失效模式进行了考量，得到了六种材料的宏观、微观失效机理，测试了层间混杂改性前后泡沫夹心三明治结构的冲击后压缩（CAI）性能，得到了六种不同的泡沫夹心结构的剩余强度及冲击后压缩的破坏形式及其失效机理。

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第1章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 热固性及热塑性复合材料的特点及应用

1.3 复合材料的改性

1.4 CBT基体的研究现状

1.5 纤维增强CBT树脂基复合材料的研究现状

1.6 本文主要工作

第2章 不同改性方式对pCBT基体的热、力学性能的影响

2.1 试验材料及方法

2.2 不同催化剂含量的pCBT浇注体的三点弯曲性能

2.3 pCBT浇注体的热性能

2.4 pCBT树脂的短切碳纤维改性

2.5 本章小结

第3章 纳米改性对GF/pCBT复合材料在不同使用温度下力学性能的影响

3.1 材料与制备工艺

3.2 实验测试方法

3.3 GF/pCBT复合材料的力学性能

3.4 本章小结

第4章 纳米颗粒改性对GF/pCBT复合材料在湿热环境下的力学性能影响

4.1 试验方法

4.2 结果与讨论

4.3 纳米颗粒改性对复合材料在不同温度与湿热老化环境下的等效关系的影响

4.4 湿热老化对纳米颗粒改性前后复合材料使用寿命影响的讨论

4.5 本章小结

第5章 混杂改性对GF/pCBT复合材料在低速冲击载荷下的影响

5.1 混杂复合材料

5.2 试验细节

5.3 试验结果

5.4 混杂复合材料低速冲击载荷下的有限元分析

5.5 本章小结

第6章 混杂改性对泡沫夹心结构在低速冲击与冲击后压缩的力学行为研究

6.1 试验细节

6.2 结果与讨论

6.3 本章小结

结论

一、本文所取得的创新成果

二、本文结论

三、工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢