單向編織對稱鋪層復合材料的制備工藝及剪切性能

發(fā)布時間：2020-10-27 05:00

　　本論文研究了單向編織對稱鋪層復合材料和傳統(tǒng)二維編織對稱鋪層復合材料的制備工藝及其層間剪切性能。在分析傳統(tǒng)單向布層合復合材料和二維編織鋪層復合材料各自優(yōu)缺點的基礎上,以單向編織對稱鋪層復合材料為主要研究對象,對編織復合材料的結構和部分制備工藝進行了改進設計。采用了實驗研究方法,研究了編織過程中結構的規(guī)律性變化,以及單向編織對稱鋪層復合材料在三點彎剪切實驗條件下的剪切性能及破壞模式。目前,單向編織只有極個別大的國外航空公司在開發(fā),是一種新的編織復合材料結構,這種新結構在國內外還缺乏基礎性的研究,幾乎沒有報道。纖維屈曲程度降低,復合材料的面內力學性能提高,但其對層間剪切性能的影響有待探究,因為鋪層復合材料在外力下很容易產(chǎn)生分層破壞,導致材料過早失效,因此層間剪切性能的研究是必不可少的。二維編織鋪層復合材料與傳統(tǒng)單向布鋪層復合材料相比,二維編織適合制備復雜形狀的管件與桿件,而單向布鋪層方法對這類零件很難制備,對于這類桿件,二維編織復合材料顯現(xiàn)出較強的結構整體性,纖維連續(xù),均勻分布,且工藝簡單可量產(chǎn),受到廣泛應用。但二維編織鋪層復合材料中的纖維在交織點存在屈曲,據(jù)理論和經(jīng)驗分析,材料受到外力時,降低了材料面內力學性能。本課題以研究和評價單向編織對稱鋪層復合材料的結構和層間剪切性能為目標,針對二維編織鋪層復合材料中由于纖維交織存在起伏屈曲的缺陷,采用單向編織結構來改進,這種結構采用一個方向的紗線為碳纖維,而另一個方向為較細的尼龍熱熔絲進行編織,織物中碳纖維屈曲明顯降低。單向編織對稱鋪層結構的制備過程中,對編織工藝進行了較多重要的改進。結構設計為對稱鋪層,通過調試模具尺寸和編織速度,使編織物呈現(xiàn)每層紗寬和纖維間隙保持一致,編織角隨著編織過程中編織芯模橫截面尺寸的增加而增大的變化趨勢;為了使纖維在織物中處于伸直狀態(tài),在錠子上安裝墊片以增加纖維的張力;織物在固化前從編織模具向固化模具轉移時,設計了一套有效的轉移方法,解決了織物脫離編織芯模時結構不穩(wěn)定易破壞的問題。通過編織工藝的優(yōu)化,得到最佳的單向編織對稱鋪層結構,有利于提高材料的力學性能。為研究單向編織對稱鋪層復合材料的層間剪切性能,選取三點彎曲短梁法作為剪切實驗方法,并與二維編織對稱鋪層復合材料進行對比,根據(jù)各試樣的載荷--位移曲線求出材料的層間剪切強度和比較模量。利用Origin軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理,并從剪切強度和模量、失效位移對兩種結構進行對比。通過體式顯微鏡觀察分析試樣外側截面的剪切破壞裂紋分布和規(guī)律,以分析單向編織對稱鋪層復合材料的剪切破壞機理和規(guī)律。通過兩種織物結構剪切強度和剪切模量的對比,結果顯示二維編織對稱鋪層復合材料表現(xiàn)出較好的層間剪切性能,分析是因為二維編織結構中由于纖維交織起伏層間存在咬合摩擦,使層間移動不易發(fā)生,即單向編織鋪層結構中纖維的伸直對試樣的層間咬合是不利的,降低了材料的層間抗剪切性能。分析材料破壞結果,顯示試樣出現(xiàn)兩種破壞模式,內部分層和分層開裂,均存在纖維樹脂斷裂和分層現(xiàn)象,且較多產(chǎn)生平行于鋪層方向的延伸性裂縫。通過分析試樣側面損傷情況,得到尼龍熱熔絲與樹脂有良好的融合性,不對材料產(chǎn)生影響。觀察側面裂紋特點,發(fā)現(xiàn)剪切中性面在幾何中面偏下,且觀察破壞過程,得到大多數(shù)情況下,試樣是從剪切中性面首先發(fā)生分層,出現(xiàn)較明顯裂縫,再延伸產(chǎn)生新的分層,成為破壞最嚴重的部位。雖然單向編織對稱鋪層復合材料表現(xiàn)出較差的層間剪切性能,但兩種結構的層間剪切性能差異程度很小,若在編織工藝上進行更大的改進,相信單向編織對稱鋪層復合材料的層間剪切性能會得到進一步的提高。
【學位單位】：東華大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

編織結構,二維,復合材,鋪層