基于VARTM工艺缝合泡沫夹层结构复合材料的制备及力学性能研究

摘要

与其他材料相比，缝合泡沫夹层结构复合材料具有较高的比刚度和比强度，整体表现为质轻高强。因此这种结构的复合材料的应用面越来越广泛，尤其是在航空航天及民用工程上。缝合泡沫夹层结构复合材料作为一种先进复合材料，其解决了传统的夹层结构复合材料在厚度方向上性能差，容易分层的缺陷。在很大程度上发挥出了夹层结构的优越性能。通过在厚度方向上引入缝线来改进夹层结构的层间性能，极大提高了复合材料在外载荷作用下的力学性能表现。正是由于这种先进性，所以越来越受到学者的广泛关注。缝合泡沫夹层结构复合材料由于其原材料昂贵、且制备工序细致繁多，故而研究成本高，目前针对其研究的主要工作，集中在材料的力学性能研究上，主要以试验为主。怎样合理有效的制备出性能优良的缝合泡沫夹层结构复合材料，如何在已知主要参数的基础上，给出最优的组合，从而获得力学性能某一指标下的最强组合，得到具体参数对力学性能的影响，已然具有相当重要的学术意义，同时也能够为实际应用中提供参考。本文中采用玻璃纤维为面板材料、PU泡沫为芯材及不饱和基聚酯树脂为原材料，在 kevlar缝线的缝合下制成预制件，最后经过VARTM工艺制备成缝合泡沫夹层结构复合材料。
　　本文在缝合泡沫夹层结构复合材料的制备以及力学性能的研究基础上来展开的。在自行设计夹具的基础上，采用了正交试验方案来安排参数组合。主要参数选择缝合针距、缝合行距和纤维层数。同时，详细的讨论了各力学性能的试验原理、试验步骤、试验结果、载荷位移曲线及试验分析。缝合泡沫夹层结构复合材料在落锤冲击试验中，得到了其在冲击能量为60J的冲击作用下的载荷-时间-能量曲线和载荷-位移-能量曲线，并在此基础上分析了其在落锤冲击下的破坏形式，得到其破坏过程分为三个阶段：第一阶段是上面板损伤、第二阶段是泡沫破坏、第三阶段是下面板损伤。通过Minitab16.0软件对冲击性能进行正交分析，得到了以最大冲击力为指标的参数最佳组合：缝合针距为10mm、行距为20mm和纤维层数为9层。在三点弯曲试验中，通过弯曲载荷-位移曲线，分析了材料的受力状态，得到材料最先破坏的部位。对弯曲试验的各项数据和弯曲回弹现象进行了讨论，最后通过正交分析，得到了以弯曲强度为指标的最佳参数组合：缝合针距为8mm、行距为10mm和纤维层数为9层。在平压试验中，通过平压的载荷-位移曲线，分析了受载模式及损伤形式，计算了平压强度与模量值，最后通过正交分析，得到了以平压强度为指标的最佳参数组合：缝合针距为8mm、行距为10mm和纤维层数为9层。在纵压试验中，分析纵压载荷-位移曲线，得到其损伤模式，主要有：面板的弯曲皱折、缝线树脂柱的断裂、泡沫芯材的胀大挤出。通过计算得到纵压强度及模量值。最后通过正交分析，得到以纵压强度为指标的最佳参数组合：缝合针距为10mm、行距为10mm和纤维层数为9层。本文基于四种力学性能试验，讨论了缝合参数对各力学性能的影响情况，给出了最优的参数组合方式。研究表明，此种材料具有较高的抗冲击、抗弯曲、抗平压、抗纵压性能。同时，得出了部分具有参考价值的结论和规律，为缝合泡沫夹层结构复合材料更深层次的研究做了良好的基础。

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第一章 绪论

1.1 复合材料的发展

1.2 聚合物基复合材料的分类、成型工艺及特点

1.3 缝合泡沫夹层结构复合材料

1.4 夹层结构复合材料性能综述

1.5 本课题的目的和研究意义

1.6 课题来源和本文主要研究内容

1.7 本章小结

第二章 缝合泡沫夹层结构复合材料的制备

2.1 主要原材料的选择

2.2 夹具的设计及制造

2.3 主要仪器设备和其他材料

2.4 预制件的缝合

2.5 制备过程及注意事项

2.6 本章小结

第三章 缝合泡沫夹层结构复合材料的测试方法

3.1 冲击性能测试

3.2 弯曲性能测试

3.3 平压性能测试

3.4 纵压试验性能测试

3.5 本章小结

第四章 缝合泡沫夹层结构复合材料力学性能研究

4.1 夹层泡沫的力学性能

4.2 力学性能试验的方案

4.3 缝合泡沫夹层结构复合材料的落锤冲击性能研究

4.4 缝合泡沫夹层结构复合材料的弯曲性能研究

4.5 缝合泡沫夹层结构复合材料的平压性能研究

4.6 缝合泡沫夹层结构复合材料的纵压性能研究

4.7 本章小结

第五章 结论

5.1 本文总结

5.2 论文的创新点

5.3 研究过程中存在的问题

5.4 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果