单向编织对称铺层复合材料的制备工艺及剪切性能

发布时间：2020-10-27 05:00

　　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。
【学位单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

编织结构,二维,复合材,铺层