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TC4表面微坑对TC4/PEEK界面Ⅱ型断裂韧性影响研究

TC4表面微坑对TC4/PEEK界面Ⅱ型断裂韧性影响研究

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作者：庞小飞南京航空航天大学

学位级别：硕士

作为第四代典型的纤维金属混杂层板结构—TiGr(TC4/PEEK/C)层板凭借其优异的耐热性、抗腐蚀性、抗冲击性等受到了普遍的关注,并且在航空航天、汽车等结构领域得到了广泛的应用。但由于层板中金属与树脂界面(TC4/PEEK)的相容性问题会导... 详细信息

作为第四代典型的纤维金属混杂层板结构—TiGr(TC4/PEEK/C)层板凭借其优异的耐热性、抗腐蚀性、抗冲击性等受到了普遍的关注,并且在航空航天、汽车等结构领域得到了广泛的应用。但由于层板中金属与树脂界面(TC4/PEEK)的相容性问题会导致界面产生应力集中现象,使得裂纹极易在界面层扩展,引起层板脱粘。因此,改善金属与树脂界面结合情况对降低裂纹扩展速率、提高金属与复合材料层间韧性具有重要的工程意义。为了探究TC4表面的微观形貌对TC4/PEEK界面增韧机理,论文通过光刻工艺在TC4表面制备形状和几何参数可控的微结构,建立界面多尺度模型,模拟TC4/PEEK界面Ⅱ型断裂过程,最后与Ⅱ型断裂韧性测试(ENF试验)进行对比验证。首先,优化TC4表面光刻工艺,调控TC4表面微结构形貌(圆形微坑、方形和条形微结构),结合理论解析计算及实验探究对比分析了三种微结构对TC4/PEEK界面Ⅱ型断裂韧性的影响。结果显示,圆形微坑结构对界面的增韧效果最好。以表面有圆形微坑的TC4为研究对象,通过建立TC4/PEEK界面单胞有限元模型,探究Ⅱ型载荷条件下,不同微坑尺寸的单胞模型界面应力与界面形貌变化机理。结果表明,界面微坑的存在可以改变界面应力分布,减小界面应力集中,且其作用效果与微坑的几何尺寸相关。在单胞有限元模型的基础上,建立基于内聚力模型的TC4/PEEK界面单元条有限元模型,分析单列微坑界面对TC4/PEEK界面裂纹扩展、Ⅱ型断裂载荷以及临界断裂韧性的影响。结果表明,微坑可以显著提高界面Ⅱ型断裂韧性,且与其直径、深度和间距的尺寸有关。其中直径对性能的影响最大,最优直径为600μm。经过界面参数转换,将单列微坑界面参数赋予到整体界面,建立TC4/PEEK界面有限元模型,得到TC4表面微坑对TC4/PEEK界面Ⅱ型断裂韧性的影响。结合ENF试验分析不同几何参数微坑对TC4/PEEK界面Ⅱ型断裂韧性的影响,并验证有限元模拟的正确性,得到最佳的界面微坑尺寸,结果表明,圆形微坑直径为600μm、深度为70μm以及直径与间距比为2:1时是其最优设计尺寸。

关键词： TC4/PEEK界面表面微坑 Ⅱ型断裂韧性单胞模型界面单元条模型多尺度

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