检索结果-南通市图书馆

作者：王楠楠东华大学

学位级别：硕士

本论文研究了单向编织对称铺层复合材料和传统二维编织对称铺层复合材料的制备工艺及其层间剪切性能。在分析传统单向布层合复合材料和二维编织铺层复合材料各自优缺点的基础上,以单向编织对称铺层复合材料为主要研究对象,对编织复合材... 详细信息

本论文研究了单向编织对称铺层复合材料和传统二维编织对称铺层复合材料的制备工艺及其层间剪切性能。在分析传统单向布层合复合材料和二维编织铺层复合材料各自优缺点的基础上,以单向编织对称铺层复合材料为主要研究对象,对编织复合材料的结构和部分制备工艺进行了改进设计。采用了实验研究方法,研究了编织过程中结构的规律性变化,以及单向编织对称铺层复合材料在三点弯剪切实验条件下的剪切性能及破坏模式。目前,单向编织只有极个别大的国外航空公司在开发,是一种新的编织复合材料结构,这种新结构在国内外还缺乏基础性的研究,几乎没有报道。纤维屈曲程度降低,复合材料的面内力学性能提高,但其对层间剪切性能的影响有待探究,因为铺层复合材料在外力下很容易产生分层破坏,导致材料过早失效,因此层间剪切性能的研究是必不可少的。二维编织铺层复合材料与传统单向布铺层复合材料相比,二维编织适合制备复杂形状的管件与杆件,而单向布铺层方法对这类零件很难制备,对于这类杆件,二维编织复合材料显现出较强的结构整体性,纤维连续,均匀分布,且工艺简单可量产,受到广泛应用。但二维编织铺层复合材料中的纤维在交织点存在屈曲,据理论和经验分析,材料受到外力时,降低了材料面内力学性能。本课题以研究和评价单向编织对称铺层复合材料的结构和层间剪切性能为目标,针对二维编织铺层复合材料中由于纤维交织存在起伏屈曲的缺陷,采用单向编织结构来改进,这种结构采用一个方向的纱线为碳纤维,而另一个方向为较细的尼龙热熔丝进行编织,织物中碳纤维屈曲明显降低。单向编织对称铺层结构的制备过程中,对编织工艺进行了较多重要的改进。结构设计为对称铺层,通过调试模具尺寸和编织速度,使编织物呈现每层纱宽和纤维间隙保持一致,编织角随着编织过程中编织芯模横截面尺寸的增加而增大的变化趋势;为了使纤维在织物中处于伸直状态,在锭子上安装垫片以增加纤维的张力;织物在固化前从编织模具向固化模具转移时,设计了一套有效的转移方法,解决了织物脱离编织芯模时结构不稳定易破坏的问题。通过编织工艺的优化,得到最佳的单向编织对称铺层结构,有利于提高材料的力学性能。为研究单向编织对称铺层复合材料的层间剪切性能,选取三点弯曲短梁法作为剪切实验方法,并与二维编织对称铺层复合材料进行对比,根据各试样的载荷--位移曲线求出材料的层间剪切强度和比较模量。利用Origin软件对试验数据进行处理,并从剪切强度和模量、失效位移对两种结构进行对比。通过体式显微镜观察分析试样外侧截面的剪切破坏裂纹分布和规律,以分析单向编织对称铺层复合材料的剪切破坏机理和规律。通过两种织物结构剪切强度和剪切模量的对比,结果显示二维编织对称铺层复合材料表现出较好的层间剪切性能,分析是因为二维编织结构中由于纤维交织起伏层间存在咬合摩擦,使层间移动不易发生,即单向编织铺层结构中纤维的伸直对试样的层间咬合是不利的,降低了材料的层间抗剪切性能。分析材料破坏结果,显示试样出现两种破坏模式,内部分层和分层开裂,均存在纤维树脂断裂和分层现象,且较多产生平行于铺层方向的延伸性裂缝。通过分析试样侧面损伤情况,得到尼龙热熔丝与树脂有良好的融合性,不对材料产生影响。观察侧面裂纹特点,发现剪切中性面在几何中面偏下,且观察破坏过程,得到大多数情况下,试样是从剪切中性面首先发生分层,出现较明显裂缝,再延伸产生新的分层,成为破坏最严重的部位。虽然单向编织对称铺层复合材料表现出较差的层间剪切性能,但两种结构的层间剪切性能差异程度很小,若在编织工艺上进行更大的改进,相信单向编织对称铺层复合材料的层间剪切性能会得到进一步的提高。

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缝合及层间/层内混杂复合材料冲击后弯曲性能的研究

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作者：章宇界东华大学

学位级别：硕士

传统铺层复合材料因厚度方向没有增强,层间性能差,在受到外力作用情况下,内部易产生分层,影响使用寿命。缝合是指用缝合线使二维纺织品在厚度方向叠层连接构成准三维立体织物的技术,是弥补复合材料层间性能差的一种解决方法。另外,通过... 详细信息

传统铺层复合材料因厚度方向没有增强,层间性能差,在受到外力作用情况下,内部易产生分层,影响使用寿命。缝合是指用缝合线使二维纺织品在厚度方向叠层连接构成准三维立体织物的技术,是弥补复合材料层间性能差的一种解决方法。另外,通过不同结构、不同材料的混杂也是增强层间性能的一种方法。本文旨在通过混杂与缝合来增强复合材料层间性能,提高冲击性能。本文以T300碳纤平纹布、T300碳纤单向布、E玻纤平纹布、碳纤玻纤经纬1：1混织布为试验材料,分别对这些材料进行层间/层内混杂。预成型体采用16层纤维布铺层而成,共有5种结构,分别是4种混杂结构和碳纤平纹布铺层结构。4种混杂结构依次为碳纤平纹布与碳纤单向布层间交叉铺层结构CWCU、碳纤平纹布与玻纤平纹布层间交叉铺层结构CWGW、碳玻混织布层内混杂铺层结构CGW、碳玻混织布与碳纤单向布层间交叉铺层结构CGWCU。使用常熟佳发生产的环氧树脂组合料JC02A对5种结构进行真空辅助成型,然后进行低速冲击试验且试样表面不产生目视可见损伤,发现层内+层间混杂结构CGWCU复合材料冲击位移非常大,故对CGWCU结构缝合制得层合板CGWCUS后进行冲击试验,缝合试样CGWCUS与层内混杂试样CGw只能在3J能量冲击下保持表面无可见损伤,而其余结构都能在4J能量冲击下保持表面无可视损伤。通过冲击后弯曲性能和截面破坏分布来研究冲击对6种不同结构复合材料性能的影响,发现冲击后弯曲模量比弯曲强度对冲击损伤更为敏感。两种层间混杂结构CWGW、CWCU冲击后弯曲模量下降15%左右;层内混杂结构CGW冲击后弯曲模量下降接近30%,层内+层间混杂结构CGWCU冲击后弯曲模量下降16%左右,而缝合结构CGWCUS冲击后弯曲模量下降11%左右。而对各试样切割后截面观察发现,层间混杂结构CWGW、CWCU复合材料内部破坏较小,层内混杂结构CGW复合材料、层间+层内混杂结构CGWCU复合材料内部均存在分层、裂纹,而缝合结构CGWCUS由于缝合线的束缚作用,内部损伤较小。试验表明,层间交叉铺层混杂复合材料具有较强的层间性能、冲击性能与损伤容限;缝合复合材料冲击性能差,但冲击后弯曲性能下降率低,这说明缝合结构复合材料具有良好的层间性能与损伤容限。

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二维二轴编织复合材料细观几何模型及拉伸模量研究

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作者：柯常宜东华大学

学位级别：硕士

为了更加合理有效地运用二维二轴编织铺层复合材料,需要模拟计算二维二轴编织铺层复合材料的各项具体拉伸性能指标,为此本文通过分析编织复合材料的细观结构特征,建立一套工程实用的二维二轴编织铺层复合材料单层和多层的细观几何结构... 详细信息

为了更加合理有效地运用二维二轴编织铺层复合材料,需要模拟计算二维二轴编织铺层复合材料的各项具体拉伸性能指标,为此本文通过分析编织复合材料的细观结构特征,建立一套工程实用的二维二轴编织铺层复合材料单层和多层的细观几何结构模型和等效力学模型,并提出一套多层编织铺层复合材料拉伸模量的数值计算方法。最后结合拉伸断裂图像和拉伸实验数据分析复合材料拉伸断裂机理,通过研究二维二轴编织铺层复合材料拉伸断裂性质与结构的关系,总结出编织复合材料的拉伸断裂规律,进而更好地应用于实际生产。本课题研究借鉴前人对复合材料研究的理论基础。考虑到纤维屈曲是其模量损失的根本原因,结合实际编织复合材料的纱束横截面形态和屈曲起伏结构,还有编织工艺和固化工艺影响因素。提出模量损失等效观点,并建立二维二轴2×2编织结构组织单胞模型,纤维纱束起伏屈曲细观几何模型和相对应的等效力学模型。根据假设模型给出具体的数值计算方法。实验数据表明:由本文提出的屈曲损失模型和等效力学模型计算得出的有效模量数值高于目前文献计算精度,并且操作更简单。对于编织复合材料面内拉伸模量,参照分析前人的相关处理方法,本课题结合实际编织复合材料面内几何特征,考虑到实际的生产使用条件,假设等效编织复合材料为斜交对称铺层复合材料,应用其相关理论和方法,进行合理地面内正轴-偏轴转换,最终处理得到编织复合材料面内偏轴方向的有效拉伸模量数值。关于多层编织铺层复合材料,观察多层铺层间的几何结构,根据实际结构建立多弹簧并联模型,并根据力学模型推导出具体拉伸模量的数值计算方法,该方法简单易操作。最终实验数据结果表明:在拉伸模量数值变化趋势上计算值与实验值一致。具体数值结果上也吻合很好,表明假设模型的合理性和计算方法的有效性。对于编织铺层复合材料拉伸断裂机理,本课题结合实际拉伸数据和具体拉伸试样断裂破坏方式。分析阶段性拉伸断裂过程复合材料试样内部结构的变化,针对非常规破坏方式,结合具体试样给出了分析,对拉伸断裂破坏的一般性方式给出了较为客观的阐述,并分析了相关断裂破坏机理,为后续二维编织复合材料的拉伸断裂研究提供一定的理论依据。本课题主要采用理论分析法对二维编织复合材料进行拉伸模量研究,更多地考虑二维编织复合材料的生产条件和使用条件,建立的细观几何模型和等效力学模型更贴近实际情况。最终导出的计算方法建立起了二维编织复合材料宏观拉伸模量和细观结构与基础参数之间的桥梁关系,对实际二维编织复合材料的设计生产具有重要意义。

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三维编织复合材料弯曲性能的研究

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作者：宋丙红东华大学

学位级别：硕士

三维编织复合材料克服了传统复合材料层合板层间性能差、冲击韧性低和损伤容限低的缺点,同时还具有成本低和可设计性等优点,因而广泛应用于航空、航天、汽车等领域。对于三维编织力学性能的研究主要侧重于纵向（沿着编织方向）力学性能... 详细信息

三维编织复合材料克服了传统复合材料层合板层间性能差、冲击韧性低和损伤容限低的缺点,同时还具有成本低和可设计性等优点,因而广泛应用于航空、航天、汽车等领域。对于三维编织力学性能的研究主要侧重于纵向（沿着编织方向）力学性能,而对于横向（垂直于编织方向）力学性能的研究较少。本文研究了三维编织条状复合材料弯曲性能及三维编织板状复合材料的纵向和横向弯曲力学性能。在三维五向单胞模型的基础上,研究了编织工艺参数之间的关系;并利用纤维束线密度、纤维密度和编织工艺参数（包括编织复合材料的宽度、厚度以及编织角）理论预测纤维体积含量,试验结果表明计算值与测试值吻合性较好。对于三维五向条状编织复合材料,研究发现其韧性随厚度增加而增大;对于不同宽度及厚度的三维五向复合材料,实验发现其弯曲模量及弯曲强度变化不大;将不同规格的（不同宽度、不同厚度）三维五向编织复合材料进行去边处理,处理后其弯曲力学性能仅略有降低,对部分试样来说甚至略有增加,分析认为轴纱的加入使得去边效应的影响大大降低。对不同编织结构（三维四向及三维五向）的编织板进行纵向和横向弯曲性能研究,实验所用的试样均是裁剪所得。测试结果表明,随着裁剪宽度的增加,弯曲性能提高,但1.5cm宽试样与2cm宽试样的弯曲性趋于稳定。对比分析44°左右的三维五向及三维四向复合材料的纵向和横向弯曲载荷-挠度曲线,发现纵向弯曲载荷-挠度曲线具有明显的线性特征,而横向的曲线具有明显的塑性特征,曲线十分圆滑。对编织角、体积分数基本相同的三维四向及三维五向编织复合材料,当编织角达到44°时,三维五向的纵向弯曲模量比三维四向高95%,纵向弯曲强度比三维四向高98.5%;而对于横向弯曲性能,三维五向复合材料的横向弯曲模量比三维四向稍有降低,仅下降了6.3%,因此,分析认为三维五向编织复合材料的力学性能要好于三维四向复合材料。

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单向编织对称铺层复合材料制备工艺及拉伸性能的研究

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作者：怀栖铭东华大学

学位级别：硕士

为了降低二维编织对称铺层复合材料由于编织纤维屈曲较大造成的面内力学性能的降低,本论文针对二维编织进行了改进,将二维编织中的一组碳纤维换成尼龙热熔丝,让它与碳纤维进行编织得到新型的单向编织对称铺层复合材料预成型结构件,再采... 详细信息

为了降低二维编织对称铺层复合材料由于编织纤维屈曲较大造成的面内力学性能的降低,本论文针对二维编织进行了改进,将二维编织中的一组碳纤维换成尼龙热熔丝,让它与碳纤维进行编织得到新型的单向编织对称铺层复合材料预成型结构件,再采取VARTM成型工艺对预制件进行固化获得复合材料。由于尼龙热熔丝细度较小,在与碳纤维交织时碳纤维形成的屈曲较小,同时热熔丝的熔点较低,在预制件编织完成后固化工艺前对预制件进行加热使热熔丝融化,能够起到稳定编织结构的作用。另外,在编织结构的设计方面,二维编织结构和单向编织结构都设计成对称铺层结构,即在最中间两层的纤维材料和编织方向相同。本论文文主要研究了单向编织对称铺层复合材料的制备工艺,对单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的拉伸性能和拉伸破坏模式,进行了实验研究与分析对比。为了更好地制备单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料,在织前纱管准备工序中,为了防止碳纤维纱宽过窄和热熔丝相互纠缠,找到了适合碳纤维和热熔丝的绕纱速度;在编织工序中,通过调整模具移动速度来保证碳纤维的纱线宽度相等和纤维间隙尽可能的小;由于本实验中的编织物为长方形,为了防止进树脂口和出树脂口端的复合材料厚度不等,故在固化工艺中采用编织物长边一进一出的流道设计,即选取编织物较长的两边,一侧为进树脂口一侧为出树脂口。为了研究单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的拉伸性能,本论文编织模具采用的是矩形截面模具,模具的宽度大于模具的厚度,论文中拉伸性能测试的试样取自模具上下表面编织物完成固化后的板,由于是长方体形模具,在模具上下表面的不同位置处,编织角会有变化,分别沿纵向选取单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料板的左、中、右三部分,即每种结构各三组试样,再根据拉伸实验标准制样后进行拉伸测试,得到试样的应力-应变曲线,并通过公式计算得到各个试样的拉伸模量和拉伸强度,分别对每种结构的各组之间进行比较,再对不同结构取一种参数相近的组进行比较。为了研究单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的拉伸破坏模式,在拉伸实验完成后,每种结构选取一块试样,沿着试样的纵向,按照试样外侧、1/4宽度处、1/2宽度处进行切割,然后打磨,之后对试样横向不同位置处的纵向截面进行显微镜观察,结合显微镜观测图,分析研究两种结构编织铺层复合材料的拉伸破坏模式。实验和分析结果表明:(1)当单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的其他参数都相同的情况下,固化工艺是造成拉伸强度发生变动的原因,例如固化之后复合材料内部有气泡等。(2)通过对比发现,在其他参数不变的情况下,纤维体积分数是影响单向编织对称铺层复合材料拉伸强度,和二维编织对称铺层复合材料拉伸强度的主因。(3)当编织角一定纤维体积分数变化较小,或者当纤维体积分数一定编织角小幅度波动时,单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料拉伸模量波动较小,但是当纤维体积分数大幅下降时,单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料拉伸模量也会大幅下降,因此纤维体积分数对复合材料的模量有较大影响。(4)在两种结构的编织角和纤维体积分数近似相等的情况下,在本实验条件下,单向编织对称铺层复合材料的拉伸强度比二维编织对称铺层复合材料高了28.4%;单向编织对称铺层复合材料的拉伸模量比二维编织对称铺层复合材料高了38.7%,可以说明碳纤维屈曲的减少明显提高了复合材料的面内拉伸力学性能。(5)在拉伸载荷作用下,单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的应力-应变曲线走势基本相同,说明材料内部破坏模式相似,都是在初始阶段为线性,之后随着载荷增加内部破坏开始发生,损伤累积、破坏加剧,最终复合材料在达到能够承受的最大应力后失效。(6)从表观观测图(试样断裂口的外观图)可以看出,单向编织对称铺层复合材料的纤维层之间界限分明,在显微镜纵向截面观测图中,单向编织对称铺层复合材料的拉伸破坏较为规整,破坏形式分为层内裂纹和层间裂缝,层内裂纹垂直于拉伸方向沿试样厚度方向延伸且相邻层之间不连续,层间裂缝则层与层之间的缝隙进行延伸。(7)从表观观测图可以看出,二维编织对称铺层复合材料的断裂口外观形态比较规整;在显微镜观测纵向截面图中,二维编织对称铺层复合材料的拉伸破坏较为杂乱无章,裂纹在相邻纤维层之间相互延伸,层间裂缝由于纤维束倾斜排列呈现倾斜延伸。(8)从单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的纵向截面显微镜观测图中可以发现,两种编织结构的裂缝区都从编织物的第一层开始,这是由于材料第一层的编织角最小且纤维层中存在纤维头端。

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缝合编织复合材料低速冲击及冲击后弯曲性能研究

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作者：梁倩囡东华大学

学位级别：硕士

缝合编织复合材料,是指将层叠在一起的编织片进行缝合、固化所得到的复合材料。它将编织工艺与缝合技术结合起来,是一种性能优异的新型结构复合材料,具有广阔的发展前景。目前关于缝合编织复合材料低速冲击及冲击后力学性能的研究比较少... 详细信息

缝合编织复合材料,是指将层叠在一起的编织片进行缝合、固化所得到的复合材料。它将编织工艺与缝合技术结合起来,是一种性能优异的新型结构复合材料,具有广阔的发展前景。目前关于缝合编织复合材料低速冲击及冲击后力学性能的研究比较少,主要侧重于缝合连接三维编织材料拉伸、弯曲性能的研究,因此有必要对其冲击破坏行为进行试验研究和理论分析。本课题以四种缝合编织复合材料为研究对象,进行低速冲击及冲击后弯曲实验,利用数码相机和体视显微镜对材料的损伤分布与断面特征进行观察,分析不同组成结构的缝合编织复合材料(编织单片结构和厚度)的损伤特征、分布,研究其冲击后的剩余弯曲性能,探讨不同冲击能量下缝合编织复合材料的抗冲击性能,为进一步研究缝合编织复合材料的低速冲击性能提供参考。试验研究和分析结果表明：1、在3.2J/mm的冲击能量作用下,缝合编织复合材料的冲击损伤模式主要为基体开裂、裂纹,且冲击作用确实给试样的弯曲性能造成消极影响,其中相比于弯曲强度,弯曲模量对冲击损伤更加敏感。在缝合编织复合材料中,缝合线能够阻碍其损伤扩展,从而减小其冲击损伤范围,降低冲击后弯曲性能损失率,提高冲击损伤容限。2、相同组成结构的缝合编织复合材料有相似的冲击载荷-时间曲线、冲击能量-时间曲线。在相似的初始冲击能量下,缝合三维四向编织片的冲击能量吸收率比缝合三维五向编织片大,即从能量的角度来看,前者的抗冲击性能较差。3、缝合编织复合材料的弯曲载荷-位移曲线呈双线性特点,即在弯曲加载的初始阶段保持弹性变形,但其破坏呈脆性特征。在弯曲试验中,试样的树脂基体裂纹主要分布在编织片内部,却很少产生在相邻编织片之间的树脂层内,尤其是承受最大层间剪切应力的试件中性面中没有出现任何明显的损伤。4、不同组成结构的缝合编织复合材料的冲击损伤形态和损伤扩展方式各不相同。由于轴向纤维的加入,缝合三维五向编织材料的冲击损伤更倾向于沿着试样的长度方向扩展,且其弯曲模量、弯曲强度以及冲击损伤容限均大于缝合三维四向编织材料,但弯曲变形能力降低;由于内部单胞组成比例不同,缝合编织厚片的冲击损伤在厚度方向上大于缝合编织薄片,且前者的弯曲损伤韧性大于后者。

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二维三轴编织铺层复合材料开孔前后的弯曲性能和剪切性能研究

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作者：朱露露东华大学

学位级别：硕士

在复合材料的实际应用中，复合材料零部件需要与其它零部件连接，其中机械连接是连接方法中最普遍的一种，机械连接需要开孔，而开孔会直接影响复合材料零部件的结构及性能，因此需要对其进行深入研究以了解机械开孔前后试样的力学性能... 详细信息

在复合材料的实际应用中，复合材料零部件需要与其它零部件连接，其中机械连接是连接方法中最普遍的一种，机械连接需要开孔，而开孔会直接影响复合材料零部件的结构及性能，因此需要对其进行深入研究以了解机械开孔前后试样的力学性能和破坏模式。弯曲性能和剪切性能是材料的两项重要性能，但是目前针对单向布铺层复合材料的力学性能及破坏模式研究比较深入，对二维三轴编织铺层复合材料开孔前后的弯曲性能和剪切性能及其破坏机理的研究较少。本文主要研究的问题包括：1.使用普通机械开孔方法对不同层数的二维三轴编织铺层复合材料进行开孔，观察其截面是否有严重损伤。2.对开孔前后的二维三轴编织铺层复合材料进行弯曲测试和剪切测试，得出了不同铺层数之间弯曲性能和剪切性能的关系以及开孔后弯曲性能和剪切性能与不开孔弯曲性能和剪切性能之间的关系。3.研究开孔对材料弯曲性能和剪切性能的影响，并对测试后试样的表面、纵向截面的裂纹走向及其分布规律进行观测并分析其破坏模式。其中孔的直径与试样的宽度比为1:3.88。由弯曲实验和剪切试验的结果可以得出：1.开孔前后二维三轴编织复合材料弯曲性能对比：铺层数为一、二、三的编织复合材料开孔前后最大弯曲载荷和弯曲强度分别下降了1/3左右;弯曲弹性模量分别下降了1/2左右。开孔前后试样的最大弯曲载荷和弯曲弹性模量都随着铺层数的增加而增加，但当铺层数达到一定层数后，对弯曲性能的改变量减小。材料弯曲破坏实验中表现的主要破坏模式为压缩破坏。开孔对周围的影响主要为距孔边缘1～2mm范围。2.对三点弯短梁试验法得出的开孔前后二维三轴编织复合材料剪切性能进行对比：铺层数为一层的编织复合材料开孔前后可承受的最大载荷和剪切应力分别下降了1/2左右，铺层数为二、三的编织复合材料开孔前后可承受的最大载荷和剪切应力分别下降了1/4左右。二维三轴编织铺层复合材料可承受的最大载荷随着铺层数的增加而增大。材料剪切试验中表现的主要破坏模式为内部剪切破坏。开孔对周围的影响主要为距孔边缘1～2mm范围。3.在剪切应力作用下，铺层数为二的二维三轴编织铺层复合材料会发生层间分层。为了避免层间分层现象的发生，应使用奇数铺层的二维三轴编织铺层复合材料。本论文上述研究结果为二维三轴编织铺层复合材料的设计及工程应用提供了参考。

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二维二轴编织铺层复合材料压缩性能研究

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作者：徐倩东华大学

学位级别：硕士

编织铺层复合材料,国外学者大多称其为Over-braiding composites materials,它的应用领域越来越广泛,研究它的力学性能是目前国内外学者面临的主要问题之一。而且压缩性能作为力学性能中较难测定的难题之一,也是我们研究的重点方向。本... 详细信息

编织铺层复合材料,国外学者大多称其为Over-braiding composites materials,它的应用领域越来越广泛,研究它的力学性能是目前国内外学者面临的主要问题之一。而且压缩性能作为力学性能中较难测定的难题之一,也是我们研究的重点方向。本课题主要是对编织铺层复合材料的压缩性能进行探讨,目的是得推导出一套表征或者能够在一定程度上定量描述其压缩时的弹性性能的计算方法,并对其压缩破坏模式作简要分析。首先,在立体式二维编织机上编织,设计编织所用芯模的尺寸,编织不同层数的编织铺层复合材料,在MTS 647 Hydraulic Wedge Grip仪器上进行压缩试验,测试不同编织层数的试样,得到编织铺层复合材料的压缩数据。其次,通过在体式显微镜下,观测编织铺层复合材料纱线走向,考虑纱线在交织处屈曲起伏,纤维轴向模量会有部分损失,提出纤维轴向模量损失系数ξ。通过测量编织复合材料中的基本参数,结合复合材料细观结构、弹性力学、迭层理论和多层等效弹性力学模型,利用推导出一套比较简单而实用的二维两轴编织铺层复合材料平均压缩模量的计算方法。最后,分析讨论多层碳纤维/环氧树脂编织铺层复合材料的压缩性能。主要考虑不同层数下不同编织角度的编织铺层复合材料平均压缩模量的变化规律及编织铺层复合材料的压缩破坏模式。结论分析表明:一、提出了一套较为精确地计算2×2结构编织铺层复合材料单层和多层的压缩弹性性能的方法,结果表明,该套计算方法与实测结果非常接近,是可行的。该套计算方法比较简单,适合于工程应用,比如复合材料制备过程中的性能评价,复合材料制备工艺的控制与改进,复合材料产品的设计等。二、对于编织铺层复合材料的进行压缩试验后可知:(1)在纤维体积分数基本保持一致的情况下,同一块板内,若编织角有差异,则编织角影响复合材料的压缩性能。编织角大的平均压缩模量小。随着层数增加,厚度增大,编织铺层复合材料的平均压缩模量呈下降趋势。(2)材料在未压缩破坏前,应力-应变曲线呈线性状态,在压缩初始阶段呈现弹性变形,随着应变的增加,应力迅速上升到最高值,达到最高值,下降相对于来说比较缓慢。(3)编织铺层复合材料压缩破坏过程,最主要的破坏形式是分层现象,这种破坏时分层现象的程度是介于单向布铺层复合材料和三维编织复合材料之间的。在同一试验条件下,随层数增加,层数多的编织铺层复合材料的破坏程度比层数少的严重些。在同一层中,编织角小的内侧破坏比编织角大的外侧厉害些。裂纹与加载方向呈一定角度,裂纹扩展未超过有效压缩长度。

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单向编织铺层复合材料的制备及其冲击前后拉伸性能研究

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作者：汤美晶东华大学

学位级别：硕士

单向编织技术是对传统二维编织的一种改进,利用一组比碳纱细得多的辅助纱代替二维编织结构中的一组碳纱进行编织,有效地改善了二维编织结构中纱线交织处的碳纤维屈曲现象。本文采用的辅助纱为低熔点的尼龙丝,在对复合材料预制件进行固... 详细信息

单向编织技术是对传统二维编织的一种改进,利用一组比碳纱细得多的辅助纱代替二维编织结构中的一组碳纱进行编织,有效地改善了二维编织结构中纱线交织处的碳纤维屈曲现象。本文采用的辅助纱为低熔点的尼龙丝,在对复合材料预制件进行固化前处理时,尼龙热熔丝会熔化,从而起到固定织物结构的作用。复合材料在实际应用时遭受到的低速冲击往往会导致材料产生目视几乎不可检的内部损伤,在材料表面没有或只有轻微的压痕,为了研究这种损伤对单向编织铺层复合材料拉伸性能,拉伸破坏模式的影响,本文以单向编织铺层复合材料为主要研究对象,进行了低速冲击试验以及冲击前后的拉伸试验,同时,将其与二维编织铺层复合材料进行了对比研究。此外,为了探究小范围内的编织角变化对单向编织铺层复合材料冲击前后拉伸性能的影响,本课题设计并制备了3组编织角不同的单向编织铺层复合材料试样进行静态拉伸试验以及低速冲击后的拉伸试验。本文的研究结果如下:(1)小范围内的编织角变化对单向编织铺层复合材料的拉伸性能影响显著,当编织角小幅度增加时,单向编织铺层复合材料的拉伸强度和拉伸模量出现较明显的下降趋势,且角度增大越多,拉伸强度和模量降低的趋势越明显;相较于拉伸模量,拉伸强度受编织角变化的影响比较大。(2)低速冲击会削弱单向编织铺层复合材料的拉伸承载能力,且编织角的小幅度变化对材料的抗冲击损伤性能有一定的影响。(3)二维编织铺层复合材料的静态拉伸性能低于单向编织铺层复合材料,且冲击后的拉伸模量与强度损失率也大于单向编织结构,说明编织结构中纤维屈曲程度的减小对于复合材料拉伸性能的提高有较大的作用,单向编织铺层复合材料在低速冲击下有更好的抗冲击损伤性能。(4)不同于单向编织和二维编织结构静态拉伸试样,受冲击试样的拉伸断裂位置都位于冲击区域,说明冲击点位置材料受到了冲击损伤,导致该区域拉伸性能减弱;静态拉伸试样的拉伸破坏是从试样宽度方向上的边缘基体开裂开始的,而受到冲击损伤试样的拉伸破坏是从冲击点附近的裂纹扩展开始的。(5)单向编织和二维编织铺层复合材料在冲击前后拉伸过程中都发生了纤维断裂,基体开裂等现象,但单向编织铺层复合材料的损伤面积比二维编织铺层复合材料大,断口形状不规则;而二维编织结构试样在断口处试样宽度方向上的颈缩现象比单向编织结构试样明显,断口呈现出规则的V形。(6)单向编织和二维编织铺层复合材料静态拉伸试样表面近模具侧(第一层)的破坏程度大于远离模具侧(最后一层),近模具侧的编织角比较小。两种结构复合材料冲击正面的拉伸破坏主要表现为纤维断裂,基体开裂,冲击反面略有不同,除了都产生基体裂纹外,单向编织结构试样冲击反面还表现为纤维束之间的相互挤压,纤维翘起;二维编织结构试样为纤维束在厚度方向上的劈开。(7)单向编织和二维编织铺层复合材料冲击前后拉伸试样内部的损伤模式都有层内裂纹和层间裂缝,层内裂纹主要发生在同层纤维束内纤维之间以及纤维束与纤维束之间的树脂区,扩展方向为试样厚度方向,纤维束内部裂纹在相邻纤维层之间不连续,而纤维束之间的树脂区裂纹则会沿着相邻纤维层之间的树脂区扩展。单向编织铺层复合材料的层间裂缝发生在纤维层之间,基本与纤维层平行,而二维编织铺层复合材料的层间裂缝呈倾斜状态。(8)不同于单向编织和二维编织结构静态拉伸试样的拉伸破坏程度由试样宽度方向上的外侧向试样中部逐渐减弱,两种结构冲击后拉伸试样宽度方向上1/2位置处的破坏程度十分明显,其中,单向编织结构试样层内裂纹居多,且纤维束中纤维之间有树脂脱落;而二维编织结构试样有较多层间裂缝,纤维束之间有树脂脱落。

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三维编织复合材料的拉伸性能及破坏模式

引用

作者：李苏红东华大学

学位级别：硕士

三维编织复合材料克服了传统复合材料层合板层间性能差、冲击韧性低和损伤容限低的缺点,同时还具有成本低和可设计性等优点,因而广泛应用于航空、航天、汽车等领域。对其进行理论研究和性能预估,是日益重要的前沿课题。以下是本文的主... 详细信息

三维编织复合材料克服了传统复合材料层合板层间性能差、冲击韧性低和损伤容限低的缺点,同时还具有成本低和可设计性等优点,因而广泛应用于航空、航天、汽车等领域。对其进行理论研究和性能预估,是日益重要的前沿课题。以下是本文的主要研究内容： 1、基于三胞模型,利用纤维束所含单丝根数及其直径、纱线的排数、列数、编织角及复合材料的宽度和厚度理论预测三维四向编织复合材料的纤维体积分数,试验结果表明计算值与测试值吻合性较好。这种方法需测量复合材料的编织角及复合材料的宽度和厚度,这样就大大降低了测量带来的误差,从而提高精确度。 2、实验研究三维编织结构参数对复合材料拉伸模量和强度的影响,包括厚度,编织角,纤维体积分数,轴向纱数与编织纱数之比,四向／五向等,且对复合材料的破坏断裂过程进行了研究。实验结果表明：三维编织复合材料具有良好的力学性能,编织角、复合材料尺寸、纤维体积含量、轴向纱数与编织纱数之比等对复合材料的性能有较大的影响;复合材料的轴向拉伸有两种破坏模式：一种是裂纹沿纤维束扩展,另一种是纤维束拉断,后者为主要破坏模式。 3、理论分析三维四向编织复合材料和三维五向编织复合材料的纱线排数和列数对其轴向拉伸模量的影响,研究发现其拉伸模量随着纱线的排数、列数的增加而降低,而且,当纱线的排数和列数都是很小时,表面区域和角区域的体积分数对三维编织复合材料的轴向模量的影响是不可以被忽略的。 4、基于对三维编织结构参数的研究,提出了一种预测三维编织复合材料轴向拉伸模量的方法,其也可以作为一种测试方法。主要内容包括： (1)对纱线的排数大于2的三维编织复合材料轴向拉伸模量的预测：这种方法,是通过对三种尺寸的复合材料试样进行拉伸测试,得到这三种尺寸复合材料的轴向拉伸模量,再结合其纱线的排数和列数,从而可以计算出此类复合材料结构中内部区域、表面区域和角区域的轴向拉伸模量,以进一步计算出其他尺寸的编织复合材料的轴向拉伸模量,这些复合材料具有相同的纤维、树脂、固化工艺、编织角、纤维体积分数和花节长度以及不同的纱线排数或列数。三种尺寸的试样的长度、宽度和厚度可以分别设定为250mm,25mm和2-10mm。至于其预成型件中的纱线排数和列数,纱线排数大于2,而纱线列数则需根据测试样的宽度(25mm)及试样的工艺参数进行设定。 (2)对纱线的排数等于2的三维编织复合材料轴向拉伸模量的预测：这种方法,是通过对两种尺寸的复合材料试样进行拉伸测试,得到这两种尺寸复合材料的轴向拉伸模量,再结合其纱线的排数和列数,从而可以计算出此类复合材料结构中表面区域和角区域的轴向拉伸模量,以进一步计算出其他尺寸的复合材料的轴向拉伸模量,这些复合材料具有相同的纤维、树脂、固化工艺、编织角、纤维体积分数和花节长度以及不同的纱线排数或列数。两种尺寸的试样的长度、宽度和厚度可以分别设定为250mm,25mm和2-10mm。至于其预成型件中的纱线排数和列数,纱线排数等于2,而纱线列数则需根据测试样的宽度(25mm)及试样的工艺参数进行设定。

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