2.5D类缎纹织物增强复合材料疲劳特性研究

摘要

三维织物增强复合材料具有良好的层间力学性能、抗剪切性能、结构稳定性和可设计性。常见的三维织物结构有正交三向结构、2.5D平纹结构、及其衬经、衬纬、和衬法向结构，这些结构大量运用在各类复合材料中。与2.5D平纹结构相比，2.5D类缎纹结构织物中浮长线较长，交织点较少，使2.5D类缎纹织物具有良好的变形能力，更适宜用于弯曲、扭转等曲面结构复合材料增强体，典型应用如叶片和天线罩等。为了保证2.5D类缎纹织物增强复合材料在疲劳环境下的使用安全，研究其拉伸特性和拉-拉疲劳性能是十分有必要的。
　　根据2.5D类缎纹织物组织结构特点，设计织物开口工艺和一种开口辅助工装，在三维织机上实现织物的连续织造。对织物进行复合，得到2.5D类缎纹织物复合材料，简称FC(Fabric Composite)，剖切试件研究复合材料内部结构，以经纬纱真实状态建立细观模型，并计算2.5D类缎纹织物几何参数。同时，制备缎纹铺层复合材料，简称LC（Laminates Composite），进行对比研究。基于DIC全场应变系统，测试了FC和LC试件面内经向拉伸应力-应变关系，研究两种结构对复合材料拉伸性能的影响。并开展FC和LC试件拉-拉疲劳性能，从细观层次分析了两种复合材料在高周疲劳下强度、模量和疲劳损伤扩展模式。
　　经向拉伸试验中，FC比LC试件经向拉伸强度小5％，拉伸模量高9％，断裂伸长率高5％，差值小主要原因为两种试件面内结构和纤维体积含量近似;但泊松比FC比LC试件大93％，主要因为2.5D类缎纹织物纬向变形能力较强。拉-拉疲劳试验中，FC试件在70％疲劳应力水平下就到达100万次疲劳循环，而LC试件满足100万次疲劳循环的应力水平为52.5％，说明FC试件抗疲劳能力强于LC试件。FC和LC试件拉-拉疲劳具有三个发展阶段，FC试件三个阶段正则化模量下降趋势和塑性变形增长趋势明显弱于LC试件，表明FC抗疲劳性能优于LC试件。疲劳后FC试件强度损失31.2％、拉伸模量下降22.6％、断裂伸长率下降27.8％、泊松比下降2.5％;LC试件强度损失51.7％、拉伸模量下降4.2％、断裂伸长率下降50.9％、泊松比上装123％;各项性能变化均与疲劳对试件损伤程度有关。观测比疲劳断口和疲劳后无损检测，发现，FC试件在经纬纱交织处和纬向具有明显损伤，并沿经纬交织方向和纬向发展，LC试件层间具有明显损伤，在层间沿受力方向扩散。对比两组拉-拉疲劳试验结果，表明，2.5D类缎纹织物复合材料抗疲劳性能优于缎纹织物铺层复合材料试件。
　　课题以复合材料实际应用需求为背景，研究了2.5D类缎纹织物作为用于高周疲劳复合材料增强体的可行性，为其应用提供了试验数据和设计依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 三维机织物及其复合材料

1．2．1 三维机织物工艺及结构

1．2．2 三维机织物增强复合材料性能特点

1．2．3 三维机织物空天领域的应用

1．3 织物增强复合材料拉-拉疲劳性能研究进展

1．3．1 碳纤维拉-拉疲劳性能研究进展

1．3．2 二维铺层织物增强复合材料拉-拉疲劳性能研究进展

1．3．3 三维机织物增强复合材料拉-拉疲劳性能研究进展

1．4 课题研究的目的及意义

1．5 课题主要研究内容

第二章 2．5D类缎纹织物设计与其复合材料的制备

2．1 材料和织造设备条件

2．2 织物织造设计

2．2．1 织物组织结构

2．2．2 织物上机参数

2．2．3 织物上机织造

2．3 复合成型工艺制备

第三章 预制件细观结构观察与参数计算

3．1 预制件织物结构观测

3．2 预制件复合材料结构观察

3．2．1 表面结构观察

3．2．2 试件内部截面纤维束结构状态观察

3．3 基于观察后的基本假设

3．4 预制件细观模型

3．5 预制件参数计算

3．6 小结

第四章 2．5D类缎纹织物复合材料与铺层复合材料经向拉伸性能

4．1 试验仪器

4．2 测试标准与方法

4．3 DIC试件制备

4．4 经向拉伸测试结果与分析

4．4．1 经向拉伸分析

4．4．2 断口分析

4．5 拉伸断裂模式

4．6 小结

第五章 2．5D类缎纹织物增强复合材料疲劳性能

5．1 测试标准与方法

5．2 试件制备

5．3 拉伸疲劳测试与结果分析

5．3．1 疲劳寿命

5．3．2 疲劳测试力学响应

5．3．3 刚度退化

5．3．4 剩余强度和刚度

5．3．5 疲劳损伤模式

5．4 小结

第六章 总结与存在的问题

6．1 总结

6．2 存在的问题

参考文献

发表学术论文和参与科研工作情况

致谢