碳-芳纶混杂二维编织复合材料冲击后疲劳性能实验研究

摘要

二维编织物制造工艺相对简单，编织参数可设计性较灵活，其复合材料具有较高的面内比强度和比模量，抗冲击、耐疲劳及整体性能好等优点。碳纤维具有高强高刚等优点，芳纶纤维具有较高的伸长率和优良的断裂韧性，两者进行混杂使得材料良好的力学性能得到最大限度保留，实现了减重和改善复合材料断裂韧性的目的。因此，通过设计碳-芳纶纤维二维三轴混编方式，可以实现混杂复合材料各项力学性能折中设计。
　　本课题设计并制备了三种不同混编方式的碳-芳纶混杂二维编织复合材料，包括轴纱芳纶纤维、编织纱碳纤维复合材料，轴纱碳纤维、编织纱碳-芳纶纤维复合材料，轴纱芳纶纤维、编织纱碳-芳纶纤维复合材料，碳纤维复合材料用作对比试验，通过对混杂复合材料进行低速冲击及冲击后压缩疲劳试验，评价其抗冲击性能和冲击后压缩疲劳性能。
　　对四种复合材料试样进行落锤冲击试验，然后进行相关参数（如峰值载荷、弹性应变能、凹坑深度及损伤面积等）测量，初步评价材料抗冲击性能。加入芳纶纤维后，轴纱芳纶纤维、编织纱碳纤维复合材料和轴纱碳纤维、编织纱碳-芳纶纤维复合材料峰值载荷比碳纤维复合材料高，分别增加了14.4％和7.0％，表明其承载能力强于碳纤维复合材料;对于弹性应变能，三种混杂复合材料均高于碳纤维复合材料，分别增加了82.4％、140.1％和105.5％，说明轴纱碳纤维、编织纱碳-芳纶纤维复合材料冲击吸收能量最低;对比凹坑深度，碳纤维复合材料凹坑深度最大（0.878mm），三种混杂复合材料凹坑深度分别比其降低了39.4％、85.1％和86.3％;超声扫描图像显示，内部损伤面积碳纤维复合材料和轴纱芳纶纤维、编织纱碳纤维复合材料面积较大，分别为371.65mm2和373.13mm2，编织纱为碳-芳纶纤维的其它两种复合材料损伤面积较小，分别比碳纤维复合材料低65.4％和69.3％。
　　对冲击前后复合材料进行了面内轴向压缩试验。无损复合材料中，碳纤维层板压缩破坏载荷最大（37.45kN）;混杂复合材料和碳纤维复合材料相比，压缩载荷明显下降，分别下降了30.6％、32.9％和56.4％。四种冲击前后复合材料面内轴向压缩性能进行对比，冲击损伤使得碳纤维复合材料压缩强度和模量分别下降了20.19％和9.37％;对于轴纱芳纶纤维、编织纱碳纤维复合材料，压缩强度下降了16.85％，模量无明显下降，轴纱碳纤维、编织纱碳-芳纶纤维复合材料性能参数变化相近;轴纱芳纶纤维、编织纱碳-芳纶纤维复合材料模量下降百分比数值最大。应变云图中，冲击前后碳纤维复合材料应变方式主要为弯曲拉伸应变，试样产生了较严重的破坏损伤;三种混杂复合材料中，轴纱碳纤维、编织纱碳-芳纶纤维复合材料压缩应变最小，损伤程度和损伤面积最低，具有较强的抵抗失效及弹性变形的能力。
　　对含冲击损伤复合材料在60％应力水平下进行压缩疲劳试验，初步评价其疲劳性能。对比疲劳寿命，轴纱芳纶纤维、编织纱碳-芳纶纤维复合材料最长(443197)，轴纱碳纤维、编织纱碳-芳纶纤维复合材料其次(77523)，但后者刚度下降程度最低(11.84％)，表明在疲劳循环载荷作用下，其具有较优良的抵抗弹性变形能力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 二维编织结构及其复合材料研究现状

1．2．2 碳-芳纶纤维混杂编织复合材料研究现状

1．2．3 复合材料冲击后压缩疲劳研究现状

1．3 课题的目的和意义

1．4 课题主要研究内容

第二章 碳-芳纶混杂二维编织物设计及其复合材料制备

2．1 增强纤维与树脂体系

2．2 二维编织物结构参数设计与编织

2．3 复合材料层合板制备

2．3．1 RTM工艺过程

2．3．2 层合板参数

第三章 碳-芳纶混杂二维编织复合材料冲击性能

3．1 测试标准

3．2 测试设备

3．3 试验件的制备

3．4 试验结果与分析

3．4．1 冲击载荷-时间曲线

3．4．2 冲击能量-时间曲线

3．4．3 试样冲击凹坑深度测量

3．4．4 冲击损伤形貌观测与分析

3．4．5 冲击内部损伤超声成像评估

3．5 小结

第四章 碳-芳纶混杂二维编织复合材料冲击后压缩性能

4．1 测试标准与使用仪器

4．2 试验过程

4．3 试验结果与分析

4．3．1 无损层板面内轴向压缩试验结果与分析

4．3．2 试样冲击前后面内轴向压缩试验结果与分析

4．4 小结

第五章 碳-芳纶混杂二维编织复合材料冲击后压缩疲劳性能

5．1 压缩疲劳测试方法及试样制备

5．2 压缩疲劳测试结果分析

5．2．1 疲劳寿命

5．2．2 疲劳试验力学响应

5．2．3 疲劳损伤模式

5．3 小结

第六章 总结与不足

6．1 总结

6．2 不足

参考文献

发表学术论文和参与科研工作情况

致谢