复合材料z-pining工艺过程诱导的非均匀纤维分布

摘要

复合材料层合板的层间韧性较差，在低能量冲击下易产生层间分层，从而导致结构失效。目前，一般通过在厚度方向上引入增强纤维的方法来提高复合材料层合板的层间韧性。其中z-pinning技术是二十世纪九十年代发展起来的一种提高复合材料层问力学性能的三维增强技术，可大幅度提高复合材料的层间韧性，相对其他三维增强技术，具有工艺简单、成本低、适用范围广等优点，因此受到工业界和学术界越来越多的关注。
　　 Z-pinning增强工艺是将有一定刚性的碳纤维或其他材料制成的pin针(pin针直径通常在0.2～1mm之间)嵌入叠层的厚度方向，以提高层间韧性。Pin针的加入迫使原来均匀分布的面内纤维发生局部变形，造成面内纤维弯曲且分布严重非均匀。
　　 为了研究pin针植入预成形件后纤维变形区域的非线性力学问题和层合板面内结构的变化规律，在纤维/基体尺度上建立二维有限元分析模型，通过有限元求解，得到每根纤维变形数据，并定量表征了局部纤维方向变化和纤维含量非均匀分布等特征参数，得到了局部纤维方向变化和纤维含量空间非均匀分布的规律。在此基础上，研究了z-pin直径的变化对层合板面内细观结构的影响，发现z-pin直径的改变对富脂区区域大小影响较大，z-pin直径增加，富脂区区域也增大；局部纤维偏转角和纤维体积含量随着z-pin直径增大而增大，但它们的最大值变化不明显。
　　 基于半固化基体的流变特性，发现层合板面内细观结构随着时间演化发生了改变。在层合板面内z-pin附近区域发生了应力集中，随着时间变化，面内局部纤维应力发生松弛。纤维偏转角和轴向应力随着时间演化逐渐减小并趋于稳定，z-pin附近区域的纤维体积含量则随着时间演化有小幅度的增加。