三维纺织复合材料湿热性能分析

发布时间：2020-11-15 12:13

　　 树脂基三维纺织复合材料是一种力学性能优异的新型材料,其有着十分广泛的工程实际应用,然而外界的湿热环境会对三维纺织复合材料尤其是内部的树脂基体产生破坏,从而降低其力学性能。因此,研究湿热环境对三维纺织复合材料力学性能的影响具有重要意义,本文主要研究了三维纺织复合材料在水浴环境中的吸湿增重规律以及高温水浴中吸湿后弹性模量的变化。首先,本文通过有限元方法对三维编织复合材料在常温下的吸湿过程进行了模拟。为此,本文首先选取了包含面胞和内胞的周期性代表单元,然后分别建立了内胞和面胞的几何模型,在建立面胞的几何模型过程中,还对所建面胞的几何形状进行了修正,使得有限元分析更加贴近于真实情况。此外,本文还提出了考虑纱线和树脂不同湿扩散参数的混合单元法,有效的避免了划分网格时出现畸变的难题。其次,为了便于工程应用,本文给出了三维编织复合材料常温下吸湿增重的理论模型。首先推导并求解了两相材料吸湿的扩散方程,再利用稳态扩散时湿浓度梯度恒定以及湿通量相等的条件分别推导了内胞和面胞的湿扩散参数,并将它们应用于提出的两相材料吸湿模型中。最后,将理论结果与有限元、试验数据进行了对比,结果发现两相材料的吸湿模型和有限元预测的吸湿增重曲线与试验值吻合较好。三维编织复合材料在吸湿初期会发生自加速现象,这种现象并不能简单的用菲克定律进行描述。最后,本文在假设树脂的弹性模量与湿浓度线性相关的前提下,推导了单向复合材料以及三维机织复合材料的弹性模量与时间的对应关系,理论预测的曲线与试验值吻合的较好。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

第一章 绪论1.1 引言三维纺织复合材料是指由预制件与基体材料通过一定的成型方法复合而成的一种高性能复合材料[1]。其特点是预制件采用了三维纺织方法从而具有整体结构，相比于传统层合复合材料，三维纺织复合材料层间性能更加优异，抵抗分层和冲击损伤的能力更强。此外，它的制造工艺简单，适用范围广，可以应用于具有复杂几何形状的构件[4]。三维纺织复合材料有很多种类，按照预制件纺织方式的不同，可划分为机织、编织、针织等结构类型。本文研究对象主要为三维编织和三维机织复合材料，三维编织和机织复合材料在工程领域的应用比较广泛，例如三维编织复合材料可以用来制作飞行器、汽车等器具的连接件，还可以用来制作人造骨、人造韧带等仿生结构[6]，三维机织复合材料可以用于航天工业中涡轮发动机的增强件，亦可用于小汽车、卡车的防震构件。这些部件在保证使用安全的情况下能够降低整个部件的质量，从而取得更好地经济效益。

(a) 吸湿老化前 (b) 吸湿老化后图 1.2 碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料湿热老化前后截面形貌1.2 复合材料层合板吸湿研究现状总体而言，研究复合材料在湿热环境中的老化性能主要分为三个步骤。首先，得到复合材料在不同温度下的吸湿量以及湿分在材料内部的分布，其次，确定由湿分引起的残余变形和内应力，最后，根据复合材料内部的损伤确定材料力学性能的变化。在这三个步骤中，第一步是后续工作的基础和依据，只有得到较精确的吸湿结果，后续的工作才能更好的进展，从而第一步的研究对整个复合材料的湿热老化研究意义重大。近年来，复合材料层合板的吸湿研究已经有了大量的工作和成果。复合材料层合板的湿扩散过程和很多因素有关，而这些因素作用的方式和机理大有不同。Kyohei Kondo[8]等用有限元方法研究了纤维分布的不均匀性对单向复合材料横向湿扩散系数的影响，结果发现不均匀性越大，扩散系数越小，由于实际制造的复合材料层合板纤维分布总是非均匀的，这个结论可以解释周期的单胞模型计算得到的湿扩散系数总是大于试验件的湿扩散系数的现象。Z Huo[9]等发现湿浓度对扩散系数有抑制作用，他们将此解释为湿膨胀引起的内应力阻碍了湿分沿层合板内

等通过对比碳纤维环氧树脂层合板在 35℃和 70℃的吸湿试验，发现试验件在 70℃吸湿速率是在 35℃环境中的 2.25 倍，吸湿速率与温度的关系符合 Arrhenius 公式。温度升高不仅可以提高吸湿速率，还可以增加复合材料的饱和吸湿量。王春齐[13]等通过对比玻璃钢在 30℃和 50℃的水浴浸泡试验，发现 50℃的试验件吸湿量是 30℃试验件吸湿量的 1.5 倍。菲克定律是最常用来描述湿扩散现象的宏观理论模型，该理论认为湿分在材料内部的扩散由两点之间的的浓度差所驱动。许多试验结果都支持了这一理论模型，王勇刚[14]进行了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板在 60℃、70℃和 80℃的浸水试验，试验结果显示在三种温度下吸湿增重曲线均符合菲克理论。王春齐[15]等将玻璃纤维增强环氧树脂基层合板浸泡在 30℃和 50℃的水浴进行吸湿试验，结果发现二者均在吸湿初期满足菲克定律，但后期的试验数据都逐渐偏离菲克理论的预测值。对于复合材料吸湿在后期偏离菲克定律的现象，Morton E. Gurtin[16][等提出了两阶段吸湿模型，他们认为湿分在复合材料内部同时存在两个过程，第一个过程是湿分在树脂基体自由传递，第二个过程是湿分通过氢键或者分子间作用力与材料内部的大分子物质结合，两个过程可以用Langmuir 方程来描述。C.Suri[17]等用简化的方法得到 Langmuir 方程的解析解，并通过玻璃纤维环氧树脂基层合板吸湿试验得到了方程所需的相关参数，Langmuir 模型得到的吸湿增重曲线与试验吻合的很好。
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本文编号：2884746