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复合材料学报 2024年第6期41卷 2947-2958页

作者：王振任浩乾曹悉奥梅轩朱国华陈轶嵩郭应时长安大学汽车学院西安710064

当前复合材料车身零部件在研发过程中依然面临着制造工艺与结构性能孤立分析的难题,开发平纹织物纤维增强热塑性复合材料(WFRTPs)的“成形-性能”耦合数值模型,对于促进WFRTPs在新能源汽车领域的产业化应用意义重大。本文通过热模压工... 详细信息

当前复合材料车身零部件在研发过程中依然面临着制造工艺与结构性能孤立分析的难题,开发平纹织物纤维增强热塑性复合材料(WFRTPs)的“成形-性能”耦合数值模型,对于促进WFRTPs在新能源汽车领域的产业化应用意义重大。本文通过热模压工艺制备了两种不同纤维夹角的碳纤维增强聚丙烯(CF/PP)薄壁管件,并对CF/PP预浸料和CF/PP层合板进行了准静态偏轴拉伸实验,对CF/PP管件进行了准静态弯曲测试,实验结果表明,由成形工艺引发的织物纤维夹角增加将导致CF/PP层合板剪切强度降低和失效应变增加,进一步造成CF/PP管件在弯曲工况下峰值载荷减小和失效位移增加。开发了CF/PP预浸料的次弹性成形本构模型、层合板的渐进损伤弯曲本构模型以及管件的“成形-弯曲”耦合本构模型并验证了上述本构模型的准确性,仿真结果表明,在压边力约束下制备的非正交CF/PP管件的剪切塑性应变比无压边力制备的正交试样高69%,纤维夹角的增加将显著增加CF/PP材料的塑性剪切应变,进而导致非正交CF/PP管件的弯曲失效位移显著增加。

关键词：热塑性复合材料碳纤维增强聚丙烯复合材料管件成形三点弯曲 "成形-弯曲"耦合模型

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碳纤维/聚丙烯复合材料的拉伸力学性能表征

碳纤维/聚丙烯复合材料的拉伸力学性能表征

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作者：杨兆然北京化工大学

学位级别：硕士

复合材料具有优异的力学性能,如高抗拉强度、抗弯强度和冲击强度,这些性能使得复合材料在各个领域具有广泛的应用潜力。碳纤维具有轻质高强高模的特点,因此经常被用于以树脂、金属、陶瓷、水泥等为基体的复合体系中。近些年对碳纤维增... 详细信息

复合材料具有优异的力学性能,如高抗拉强度、抗弯强度和冲击强度,这些性能使得复合材料在各个领域具有广泛的应用潜力。碳纤维具有轻质高强高模的特点,因此经常被用于以树脂、金属、陶瓷、水泥等为基体的复合体系中。近些年对碳纤维增强聚合物的研究关注越来越多,更加细致深入地表征碳纤维增强聚合物复合材料的力学性能对理解其强化机理具有重要意义。本文结合实验、有限元方法及理论研究了两种碳纤维系列含量聚丙烯复合材料的力学行为及损伤机制。本文首先设计制备了系列碳纤维增强聚丙烯复合材料拉伸样品,实验表征了其力学性能;并采用有限元方法数值研究了碳纤维取向及长径比对复合材料拉伸强度的影响及界面损伤机制;进一步结合Mori-Tanaka模型理论表征了复合材料的等效模量。取得的成果如下:(1)采用熔融共混工艺设计制备了系列碳纤维填充质量分数、两种长度和加入马来酸酐偶联剂的碳纤维/聚丙烯复合材料样条,并测量其拉伸力学性能,表征了不同碳纤维质量分数对复合材料强度及弹性模量的影响。研究结果表明5-20%填充分数区间碳纤维对聚丙烯的增强效果为40.9%-43.2%;验证了马来酸酐作为偶联剂对改善界面结合性能的有效性,在填充量为5%和10%时相容剂使强度分别提高了5.6%和7.8%。通过探究两种长度碳纤维复合材料力学性能的差异原因,发现长度为6mm的短切碳纤维强度相对长度为70μm碳纤维粉的强度较低,是由于其在加工过程中断裂造成混合不均匀。微结构观察表明碳纤维的增强机理是通过阻碍基体中裂纹的扩展达到了增强效果。(2)建立了碳纤维/聚丙烯复合材料三维(3D)有限元模型,通过数值仿真研究得到了碳纤维/聚丙烯复合材料中碳纤维含量、长径比和排布方向对力学性能的影响。模拟的复合材料强度和模量随含量的变化趋势与实验较为一致,随着碳纤维质量分数的提高而增大;不同方向的纤维承载应力差距较大,纤维的增强效果随着与加载方向的角度变大而变差;较大长径比碳纤维增强效果较好。通过对应力演化的分析,表征了复合材料两相界面的损伤破坏过程。(3)基于Mori-Tanaka细观力学模型,理论表征了碳纤维增强聚丙烯复合材料的等效模量,并与实验结果进行了比较,发现结果大致相符。基于灾变损伤模型结合仿真结果得出了两相界面的损伤破坏速率符合幂律为-0.5的特征。

关键词：碳纤维增强聚丙烯复合材料拉伸强度等效模量界面损伤

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