三维针刺复合材料的力学性能研究

摘要

复合材料的研究与应用近年来在全球成蓬勃之势。三维针刺复合材料是一种新型复合材料，利用针刺技术在多层二维纤维织物中引入针刺纤维，形成三维形式预制体结构，从而实现厚度方向性能的增强。这种复合材料不仅有优异的力学性能，而且克服了复合材料制造过程的复杂性，可以广泛应用于航空航天等工业和军事领域。在民用航空工业、海洋工业、民用基础设施和陆地运输业中也有着广阔的应用前景。然而，目前对针刺复合材料的研究有较大的局限性，使其应用范围受到了限制。着眼于其实际应用环境，本课题开展了三维针刺复合材料的制备及其力学性能研究。具体完成工作和取得的成果如下： (1)通过针刺工艺，取得了不同纤维体积含量的三维预制件，通过真空辅助树脂传递模塑工艺，成功制各出了分别以碳纤维、玄武岩纤维和石英纤维为增强纤维的三维针刺复合材料。 (2)针对制备的材料进行了弯曲测试，对材料的高温弯曲性能及失效机理进行了研究分析。结果表明：随着温度的升高材料的弯曲性能降低；纤维体积含量的增加可以提高材料的弯曲性能；碳纤维增强复合材料的弯曲性能优于其他两种纤维增强复合材料。 (3)通过六个温度点的高温压缩试验，对制备的复合材料从面内、面外两个方向进行了破坏分析。研究表明：温度对材料的压缩性能有显著影响；压缩性能随纤维体积含量的增加而提高；材料在面外方向的压缩强度高于面内方向，但是压缩模量低于面内方向的；增强纤维类型的不同对材料的面内／面外压缩性能也有很大影响。 (4)通过霍普金森压杆试验，研究分析了材料的应变率效应。结果表明：制备的针刺复合材料均具有应变率敏感性，应变率的增加会使峰值应力增大；应变率冲击强度随着纤维体积含量的增加而增加；玄武岩纤维增强复合材料的抗冲击性能大于碳纤维增强复合材料；由SEM图可看出，碳纤维材料的损伤模式表现为脆性特征，玄武岩纤维材料呈现出以脱粘为主的损伤模式。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 三维纤维增强树脂基复合材料

1.1.2 三维针刺复合材料

1.2 针刺技术

1.3 三维针刺复合材料的研究现状

1.3.1 三维针刺复合材料的静/动态力学性能研究

1.3.2 三维针刺复合材料的功能特性研究

1.3.3 三维针刺复合材料的理论模型研究

1.4 本课题研究的主要内容

2 三维针刺复合材料的制备

2.1 三维针刺预制体的制备

2.2 三维针刺复合材料的复合成型

2.3 本章小结

3 三维针刺复合材料的高温弯曲性能研究

3.1 高温弯曲试验方案

3.1.1 试样的制备

3.1.2 试验过程

3.2. 试验结果与分析

3.2.1 碳纤维复合材料的弯曲性能

3.2.2 玄武岩纤维复合材料的弯曲性能

3.2.3 石英纤维复合材料的弯曲性能

3.2.4 纤维体积含量对三维针刺复合材料弯曲性能的影响

3.2.5 纤维类型对三维针刺复合材料弯曲性能的影响

3.3 本章小结

4 三维针刺复合材料的高温压缩性能研究

4.1 高温压缩试验方案

4.2 高温压缩性能研究

4.2.1 碳纤维复合材料的压缩性能

4.2.2 玄武岩纤维复合材料的压缩性能

4.2.3 石英纤维复合材料的压缩性能

4.2.4 纤维体积含量对三维针刺复合材料压缩性能的影响

4.2.5 纤维类型对三维针刺复合材料压缩性能的影响

4.3 本章小结

5 三维针刺复合材料的高应变率冲击性能研究

5.1 高应变率冲击试验方案

5.2 高应变率冲击试性能研究

5.2.1 碳纤维复合材料的高应变率冲击试性能

5.2.2 玄武岩纤维复合材料的高应变率冲击试性能

5.2.3 石英纤维复合材料的高应变率冲击性能研究

5.2.4 纤维体积含量对高应变率冲击性能的影响

5.2.5 纤维类型对高应变率冲击性能的影响

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献