三维正交机织复合材料结构与力学性能研究

摘要

自20世纪60年代以来，先进复合材料特别是先进树脂基复合材料以其独有的特性在全世界范围内获得迅速发展，已成为现代航空航天重要的材料之一。由于采用引入Z向纤维的整体机织技术，三维机织复合材料克服了传统层合复合材料的缺点，提高了复合材料的整体性和各个方向强度的均匀性，在航空航天等领域有着广阔的应用前景。 本文总结了三维正交机织复合材料织造技术、成型工艺以及力学性能研究方法，并在对三维正交机织物与树脂基体的复合成型工艺、不同结构参数三维正交机织复合材料各种性能，包括低速冲击后的性能进行实验研究的基础上建立了三维正交机织物的细观结构几何分析模型，结合刚度平均法对三维正交机织复合材料的线弹性力学性能进行了分析，并讨论了结构参数对三维正交机织复合材料纤维体积含量的影响。 以落锤式漆膜冲击机对三维正交机织复合材料进行低速冲击实验研究，包括冲击损伤面积、剩余强度以及冲击前后沿0°、30°、45°、60°、90°方向的拉伸性能等。结果表明：损伤面积随着冲击能量的增加而增大，且与冲击能量大体上呈线性关系；冲击后的拉伸强度随着冲击能量的增加逐渐减小，当冲击能量达到一定值后，冲击能量的增加对剩余强度几乎不产生影响。 基于对复合材料断面显微照片的观察，提出了关于各向纱线形态的基本假设，结合织物的结构参数，建立了三维正交机织物细观几何结构分析模型，并在此基础上，运用刚度平均法分析了三维正交机织复合材料的线弹性力学性能。将由此模型推导出的织物的厚度、复合材料各向纤维体积含量以及经纬向弹性模量与实验测试值进行比较，证明了理论模型的正确性，可以用于三维正交机织复合材料各向纤维体积含量的预测。 通过对本文建立的细观结构几何模型进行分析，得出了三维正交机织物结构参数对三维正交机织复合材料各向纱线纤维体积含量的影响规律。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 概述

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1织造技术研究进展

1.2.2细观力学模型研究进展

1.3目前研究中存在的问题

1.3.1预成型件的制备

1.3.2预成型件的表征及分析

1.3.3三维机织复合材料性能的研究方法

1.4本文的研究目的、研究内容与研究方法

1.4.1三维正交机织复合材料成型

1.4.2三维正交机织复合材料性能测试

1.4.3三维正交机织物细观结构分析模型的建立

1.4.4分析结构参数对纤维体积含量的影响

第二章 三维正交机织复合材料试样的制备及测试

2.1三维正交机织复合材料板材的制备

2.1.1原材料的选择

2.1.2实验测试仪器及设备

2.1.3成型工艺及固化制度

2.2原材料及三维正交机织复合材料性能测试

2.2.1冲击性能实验测试

2.2.2拉伸性能测试

2.2.3弯曲性能测试

2.2.4密度测定

2.2.6纤维含量的测定

2.2.7空隙率的测定

2.3测试结果及分析

2.3.1基本性能

2.3.2弯曲破坏分析

2.3.3强度/模量比较

2.3.4树脂基体对弯曲性能影响

2.3.5冲击后损伤面积

2.3.6冲击后拉伸强度

2.3.7拉伸方向与拉伸强度模量

2.4小结

第三章 三维正交机织复合材料细观结构分析

3.1引言

3.2三维正交机织物几何结构微观模型

3.2.1三维正交机织复合材料细观结构的实验观察

3.2.2三维正交机织物微观模型的基本假设

3.2.3接结纱的曲线模型

3.2.4接结纱结构参数的计算

3.2.5各向纱线体积含量的计算

3.3三维正交机织复合材料线弹性力学性能

3.3.1基本假设

3.3.2单向复合材料的刚度和柔度

3.3.3三维正交机织复合材料的刚度/柔度矩阵

3.4三维正交机织复合材料细观力学模型验证

3.5小结

第四章 结构参数对纤维体积含量的影响

4.1经纬纱线排列密度对纤维体积含量的影响

4.2各向纱线线密度对纤维体积含量的影响

4.3小结

第五章 结论

参考文献

致谢

附录Ⅰ牛顿迭代法

附录Ⅱ 不同型号三维正交机织物模型

附录Ⅲ 排代法测物体密度

附录Ⅳ 硕士期间发表文章