波纹缺陷对纤维增强复合材料力学性能的影响：理论预测与实验研究

摘要

先进复合材料(ACMs)具有比模量高、比强度高的显著优点，近年来取得了飞速发展和广泛应用。作为最典型的先进复合材料，纤维增强聚合物基复合材料(FRP)是由增强纤维和树脂基体经过特定的成型工艺复合而成，其使用比例和应用范围在整个先进复合材料领域占有绝对优势，代表了未来新材料的发展方向。
　　然而，在纤维增强复合材料制造过程中，由于主观或客观原因，缺陷总是难以避免。缺陷的存在，导致纤维增强复合材料的力学性能大打折扣，例如强度下降、提前失效等，并给复合材料结构带来很多潜在的安全问题。增强纤维、树脂基体、模具之间热膨胀系数(CTE)的不匹配、层间压力分布不均匀、操作失误等，都会引起纤维的偏离、变形、弯曲，专业术语称之为波纹。波纹缺陷是最常见的缺陷之一，普遍存在于复合材料结构中。从客观上讲，CTE不匹配、层间压力分布不均匀是固有诱因，因此，复合材料中的波纹缺陷不可能避免和消除。同时，由于结构设计的需要，经向纬向纤维束交错编织，形成了一种独特的纤维弯曲结构，使波纹成为纺织复合材料的固有特征。波纹形成机理、保证结构安全运行的波纹接受标准、含波纹缺陷的复合材料的力学性能评价及其失效机制研究等问题已成为复合材料领域研究热点之一。
　　本文以定量评估波纹对纤维增强复合材料力学性能的影响为目的，从多个角度对含波纹缺陷的传统层合板复合材料和平衡平纹机织复合材料的力学性能开展理论研究，并对含波纹缺陷的复合材料层合板进行了实验研究，主要工作及结论如下：
　　首先，对面外波纹和面内波纹的几何特征进行了阐述，指出了二者的相似之处和独有特征，在此基础上，分别采用不同的三角函数对其弯曲曲线进行描述。以经典层合板理论(CLT)为基础，针对面外波纹缺陷的特点，在计算含面外波纹的层合板基本单元——单层板的刚度时，引入与面外波纹有关的波纹比、纤维偏转角、波纹区域大小、波纹类型等参数，运用等应力模型建立含面外波纹缺陷的层合板刚度预测多参数模型；针对面内波纹缺陷的特点，在计算含面内波纹的层合板基本单元——单层板的柔度时，引入与面内波纹有关的波纹比、纤维偏转角、波纹类型等参数，运用等应变模型建立基本模型；以此为基础，在计算层合板整体刚度时，引入与面内波纹有关的波纹位置、含面内波纹的单层板层数等参数，最终建立含面内波纹缺陷的层合板刚度预测多参数模型。
　　其次，基于组分材料性能和有限元模型，运用均匀化方法预测了不同纤维体积分数的AS4/3501-6和E-glass/8084单层板力学性能，以此作为下文研究波纹缺陷对复合材料层合板力学性能影响的基础。以单向层合板为例，运用含面外波纹缺陷的层合板刚度预测多参数模型讨论了与面外波纹有关的参数对AS4/3501-6单向层合板弹性性能的影响，并进一步研究了面外波纹对不同纤维体积分数的AS4/3501-6单向层合板、不同材料体系(AS4/3501-6和E-glass/8084)的单向层合板弹性性能的影响。结果表明：波纹比、波纹区域大小对AS4/3501-6单向层合板Ex、Ez、Gyz、Gxz、vyx、vzx产生了较大影响，对E-glass/8084单向层合板Ex、Gxz、vyx、vzx、vzy产生了较大影响；梯度型面外波纹对层合板弹性性能的影响小于均一型面外波纹；波纹参数对不同纤维体积分数的层合板相对弹性性能的影响几乎相同。
　　第三，以铺层为[±45,(0,90)2]s的AS4/3501-6层合板为例，首先运用经典层合板理论预测了该铺层结构的标准层合板弹性性能。基于含面内波纹缺陷的层合板刚度预测多参数模型，建立适合铺层为[±45,(0,90)2]s的AS4/3501-6层合板的多参数模型，并讨论了与面内波纹有关的参数对该多向层合板弹性性能的影响。结果表明：面内波纹比大于0.5时，层合板力学性能几乎不再随波纹比增大而变化；含波纹的单层板越靠近几何中心平面，层合板力学性能受面内波纹的影响越小；在单层板力学性能对整个层合板贡献越多的方向上，当面内波纹出现在该层时，层合板在这个特定方向上的力学性能下降越显著。
　　第四，开展实验研究，对前期的预测结果进行验证，并对层合板拉伸强度、弯曲强度等进行了前瞻性研究。基于干的单向纤维纤维布，本文设计了一种sandwich结构，提出了“两步法”制备含面外波纹缺陷的玻璃纤维增强单向层合板。利用VARI工艺，首先制备“夹芯”结构，然后在其上下面铺设一定数量的干纤维布，再用VARI工艺进行二次成型，由此制备了含梯度型面外波纹缺陷的单向层合板及标准层合板。在此基础上，制备拉伸、弯曲实验试样并进行测试。结果表明：“两步法”制备的标准层合板和正常VARI成型的标准层合板力学性能基本相同，即“两步法”是可行的；含梯度型面外波纹缺陷的层合板刚度预测模型得到的Ex、vyx均与实验值吻合很好，含均一型面外波纹缺陷的层合板刚度预测模型得到的Ex、vyx均与实验值吻合较好；面外波纹导致层合板拉伸和弯曲强度显著下降；对于弯曲实验试样，当波纹比为0.02左右且凹面朝下时，小角度的纤维弯曲能够起到“强化”作用，引起试样挠度和弯曲强度略微增大；拉伸和弯曲试样在面外波纹区域极易发生层间剪切破坏和分层。
　　第五，机织复合材料的特殊结构——经向纬向纤维束交织，使“波纹”即纤维弯曲成为这种复合材料固有特征。针对平衡平纹机织复合材料的几何结构特征，本文提出了一种新的描述经纬纤维束弯曲形态的数学表达式，采用与传统层合板中的波纹缺陷相似的研究方法，并考虑与这种特殊波纹有关的参数，如沿经向(或纬向)纤维束波纹比、经向(或纬向)纤维束横截面波纹比、单胞内弯曲的经向(或纬向)纤维束长度、单胞内相邻纤维束间距等，建立了含波纹的平衡平纹机织复合材料刚度预测多参数模型，系统讨论了波纹参数对其弹性性能的影响。

目录

声明

第1章 绪论

1.1选题背景

1.2波纹对复合材料力学性能影响的研究现状概述

1.3本文研究思路和研究内容

第2章 含波纹缺陷的层合板刚度预测多参数模型

2.1引言

2.2 Mathematica软件概述

2.3经典层合板理论概述

2.4含面外波纹缺陷的层合板多参数模型

2.5含面内波纹缺陷的层合板多参数模型

2.6本章小结

第3章 面外波纹缺陷对复合材料层合板力学行为的影响

3.1引言

3.2单向单层板弹性常数预测

3.3面外波纹缺陷对单向层合板弹性性能的影响

3.4本章小结

第4章 面内波纹缺陷对复合材料层合板力学性能的影响

4.1引言

4.2案例——[± 45, (0, 90)2]s多向铺层层合板

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第5章 含波纹缺陷的层合板制备及其力学性能研究

5.1引言

5.2主要实验材料、仪器及成型工艺

5.3含面外波纹缺陷的复合材料层合板的制备

5.4含面外波纹缺陷的层合板的表征

5.5本章小结

第6章 波纹对平纹机织复合材料弹性性能的影响

6.1引言

6.2平纹机织复合材料空间结构形态的几何描述

6.3平纹机织复合材料的三维解析模型

6.4案例：平衡平纹机织复合材料

6.5结果与讨论

6.6本章小节

第7章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果