碳/芳纶混杂正交三向复合材料拉伸疲劳性能实验研究

摘要

碳/芳纶混杂正交三向复合材料既能充分利用正交三向结构整体性和稳定性好、抗分层、可设计性强等优点，又能充分发挥不同纤维材料的性能优势，克服了单一纤维复合材料某些性能弱点，在工程领域有极大应用潜力。复合材料构件在服役过程中大多数都会承受不同形式的循环交变载荷，产生疲劳损伤，损伤的积累与扩展会引起材料强度与刚度的急剧损失，大幅降低材料的力学性能和使用寿命而带来安全隐患甚至产生灾难性的后果。因此，本课题通过实验的方法对碳/芳纶混杂正交三向复合材料面内拉伸裁荷和拉伸疲劳载荷作用下的力学响应、疲劳性能、结构效应以及损伤机理进行了研究，并与碳纤维和芳纶纤维正交三向复合材料力学性能进行对比分析，以期对于混杂复合材料及其构件的设计和应用提供理论依据。
　　采用基于全场位移的数字图像相关(DIC)方法对四种正交三向复合材料进行了其材料级拉伸性能实验。实验结果表明，经纬纱采用碳纤维，Z向纱为芳纶纤维的混杂正交三向复合材料面内拉伸模量和断裂强度最大，断裂伸长率和泊松比较高;接下来的复合材料拉伸模量和强度从高到低依次是非混杂的碳纤维复合材料、经纬纱采用碳纤维和芳纶间隔排列的混杂复合材料和非混杂的芳纶纤维复合材料。因此，按比例合理布置碳纤维和芳纶纤维的混杂正交三向复合材料可以实现强度和韧性的折衷设计。
　　对两种碳/芳纶混杂正交三向复合材料在拉伸疲劳载荷作用下的疲劳性能进行了研究。研究发现，疲劳寿命与应力水平成反比例关系;较低应力水平下，非混杂碳纤维正交三向复合材料疲劳寿命最高，较高应力水平下，经纬纱间隔排列碳纤维和芳纶纤维、Z向纱为芳纶纤维的正交三向复合材料疲劳寿命最高;混杂和非混杂正交三向复合材料在不同应力水平下峰值位移变化曲线和刚度退化曲线都可以分为明显的“三阶段”形态;疲劳损伤破坏模式主要包括树脂裂纹、纤维树脂界面脱粘分层以及纤维抽拔、断裂;Z向纱的存在促进了裂纹的产生与发展。
　　课题紧跟实际工程应用，研究了碳/芳纶混杂正交三向复合材料拉伸疲劳性能，为提高混杂复合材料拉伸性能和疲劳性能、优化疲劳寿命提供初步的实验数据与理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 层合复合材料疲劳性能研究现状

1．3 三维织物增强复合材料疲劳性能研究现状

1．4 混杂纤维增强树脂基复合材料

1．4．1 混杂纤维增强树脂基复合材料含义与特点

1．4．2 混杂纤维增强树脂基复合材料组分及应用

1．4．3 混杂效应

1．5 课题研究目的和意义

1．6 课题主要研究内容

第二章 碳／芳纶混杂正交三向复合材料的设计与制备

2．1 实验原料

2．1．1 碳纤维

2．1．2 芳纶纤维

2．1．3 环氧树脂

2．2 正交三向织物设计与织造

2．2．1 正交三向织物设计

2．2．2 正交三向织物织造

2．3 复合成型工艺

2．4 正交三向复合材料表面和截面形态

第三章 织造过程对纤维束拉伸性能的影响

3．1 测试标准与方法

3．2 试样制备

3．3 测试结果与分析

第四章 碳／芳纶混杂正交三向复合材料经向拉伸性能

4．1 数字图像相关(DIC)方法概述

4．2 测试标准与方法

4．3．DIC试样制备

4．4 拉伸测试结果与分析

4．5 结论

第五章 碳／芳纶混杂正交三向复合材料拉伸疲劳性能

5．1 测试标准与方法

5．2 试样制备

5．3 拉伸疲劳性能测试结果与分析

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 疲劳损伤机理

5．3．6 疲劳损伤模式

5．4 结论

第六章 总结与存在问题

6．1 总结

6．2 存在问题

参考文献

发表学术论文和参与科研工作情况

致谢