单向编织对称铺层复合材料制备工艺及拉伸性能的研究

发布时间：2020-06-02 19:08

【摘要】：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。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】