基于置换法三维织物增强复合材料动态压缩性能研究

摘要

三维正交复合材料克服了层合复合材料易分层的缺点，具有更高的损伤容限和抗冲击性能，在航空航天、国防以及民用领域得到了越来越广泛的应用。复合材料构件在服役过程中不可避免地要承受冲击等动态载荷作用，研究不同应变率下复合材料的力学响应有着重要的理论意义和工程应用价值。
　　本文基于置换法和RTM复合成型工艺，通过改变z向纱捆绑结构和引入面内±45°纱线得到两种不同z向纱体积分数的碳/环氧三维正交复合材料及面内准各向三维复合材料。基于岛津万能材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统对三种结构材料进行准静态和350s-1-800s-1应变率下的动态压缩性能测试，研究了材料面内和厚度两个方向上的准静态、动态压缩应力、应变、模量以及损伤破坏模式。
　　准静态下，z向纱体积分数降低，碳/环氧三维正交复合材料的面内方向压缩强度降低，但厚度方向压缩强度增加;面内引入±45°纱之后，面内准各向三维复合材料面内方向的破坏模式发生转变，由典型的剪切破坏转变为结构的整体挤压断裂，材料的整体性提高，另外，面内方向的压缩强度无明显变化，但厚度方向压缩承载能力降低。
　　无论面内还是厚度方向，三种结构碳/环氧复合材料均表现出明显的应变率效应，随着应变率增加，材料的最大压缩应力，压缩模量不断增加，最大应力下的应变不断减小。降低z向纱体积分数，面内方向上碳/环氧三维正交复合材料动态下的压缩响应变得更加敏感，应变率效应更加明显，破坏程度更严重，断口更加粗糙;但在厚度方向上，其应力、模量、应变的应变率敏感程度均下降。当引入面内±45°纱之后，随着应变率提高，与三维正交复合材料相比，无论面内还是厚度方向，两种材料在动态下力学性能差异不断减小，且主要破坏模式也转变为剪切破坏，说明高应变率下能够减弱甚至消除±45°纱对三维正交复合材料压缩性能的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 三维织物增强复合材料

1．2 三维织物增强复合材料应用

1．3 三维织物增强复合材料动态力学性能研究现状

1．4 存在的主要问题

1．5 课题研究的目的和意义

1．6 课题主要研究内容

第二章 三维织物增强复合材料的设计与制备

2．1 三维正交织物织造方法

2．1．1 传统织机织造

2．1．2 三维多剑杆织机织造

2．1．3 矩形成形法

2．2 面内准各向三维织物织造方法

2．2．1 多层多轴向三维织造

2．2．2 多轴向经编

2．3 置换法织造技术

2．3．1 置换法织造原理及设备

2．3．2 置换法织造过程

2．3．3 置换法织造特点

2．4 基于置换法三维织物设计与织造

2．4．1 织物参数设计

2．4．2 三维正交织物的织造

2．4．3 面内准各向三维织物的织造

2．4 三维织物增强复合材料制备

2．5 动态压缩试样尺寸设计

第三章 分离式霍普金森压杆实验技术

3．1 SHPB技术的发展

3．2 SHPB技术的原理

3．2．1 SHPB实验装置

3．2．2 SHPB实验原理

3．2．3 SHPB实验过程

3．3 SHPB技术数据采集及处理

3．3．1 数据采集

3．3．1 数据处理

第四章 面内方向动态压缩性能

4．1 准静态压缩测试

4．2 动态压缩性能测试

4．2．1 三维正交复合材料1动态压缩测试

4．2．2 三维正交复合材料2动态测试

4．2．2 面内准各向三维复合材料动态压缩测试

4．3 破坏模式及分析

4．3．1 准静态压缩破坏形貌

4．3．2 动态压缩破坏形貌

4．4 本章小结

第五章 厚度方向动态压缩性能测试

5．1 准静态压缩测试

5．2 动态力学性能测试

5．2．1 三维正交复合材料1动态压缩测试

5．2．2 三维正交复合材料2动态测试

5．2．3 面内准各向三维复合材料动态测试

5．3 破坏模式及分析

5．3．1 准静态破坏形貌

5．3．2 动态破坏形貌

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢