碳纤维三维编织复合材料拉伸变形测量与渐进损伤研究

发布时间：2020-11-21 13:28

　　 碳纤维三维编织复合材料在航空航天、汽车和工业等工程领域实际应用过程中,不可避免的出现冲击和碰撞等损伤,进而影响复合材料力学性能及潜在安全隐患的发生率。因此,深入了解碳纤维复合材料的损伤演变过程中的发生机制,对其安全服役和延长使用寿命具有较为重要的意义,同时也能够为结构优化设计和高性能复合材料生产的提供需求。为此,本文采用数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法与声发射(Acoustic Emission,AE)技术,结合K-means聚类算法,在碳纤维平纹编织复合材料的拉伸、压痕和压缩损伤演变规律的基础上,深入探讨三维机织和三维四向编织复合材料拉伸损伤过程中AE行为特征、K-means聚类结果和局部微变形场的变化;依据复合材料破坏过程中宏观、微观形态变化和本领域研究成果,建立了特定故障AE信号与损伤机制之间的相关性;此外,根据复合材料破坏过程中的AE特征信号时域特征,采用哨兵函数及AE信号b值处理方法,分别对其损伤历程进行分析,深入研究了复合材料破坏过程中的动态演变过程。实验结果表明:(1)碳纤维复合材料损伤过程中的AE相对能量、撞击累积数及幅度等特征参数反映了复合材料内部损伤演化过程;在复合材料临界失效点附近,出现较多高持续时间、高幅度AE信号,并且撞击累积数明显增加。(2)在准静态压痕载荷较小时,平纹编织复合材料表面损伤面积较小,并对其残余压缩强度影响不大;当压痕载荷达到40 kN时,压痕损伤导致复合材料出现大量分层、纤维断裂和局部区域的损伤穿透,而实际损伤状况导致复合材料残余压缩强度明显下降,并且断裂形式由复合形破坏模式转变为脆性断裂。(3)平纹编织复合材料、三维机织复合材料和三维编织复合材料的AE损伤演变规律上存在差异,但是AE信号的聚类结果相似。相对于AE峰值幅度,频率分布对复合材料损伤源的特征识别展现出较好的优越性,并基于该领域研究成果,建立不同损伤模式的频率分布范围:0-50 kHz的低频AE信号对应基体开裂;50-150 kHz的中频AE信号对应纤维/基体脱粘;250-600 kHz的高频AE信号对应纤维断裂。(4)根据复合材料瞬时机械能和AE能量之间的动态关系,可以有效获取不同载荷水平下损伤模式演变信息,简化了对复合材料损伤演化规律探究的信号处理方式;AE信号的b值时域分布变化,可以有效的提取试样内部裂纹出现的扩展状态和判定其即将失稳扩展的载荷水平。(5)平纹编织复合材料和三维机织复合材料,在低应变水平下,试样表面应变场变化较均匀,并随着平均应变水平的提高,出现随机局部应变集中点;针对三维编织复合材料的表面应变场,在低平均应变水平下,应变集中点首先出现在纱线交织区域,并随着平均应变水平的提高,高应变区域沿纱线的横向和纵向发展,最终形成以编织纱线为受载主体的锯齿状应变集中带。
【学位单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB332
【部分图文】：

研究背景的复合材料通过不同顺序和角度的纺纱拼接而成，进而形成“层”的概的结构缺陷导致力学性能的下降，如：弱抗面内切强度及低的横向拉实际需求范围[1-3]。三维编织复合材料是综合现代复合材料和编织技材料，通过长短纤维规律交织而成的复杂形状织物增强体，通过在增强，客服了经典层合板层间剪切强度低的缺点。此外，该种材料在强劳和耐腐蚀等方面也展示出优越性能。由于三维编织技术的可设计性料空间结构参数之间的调整，织造成型各种规则形状或异性的整体结构的整体性以及结构参数的可设计性，使得其受到航天航空、能源程领域的青睐[4-9]。近年来，随着编织织造技术的成熟和工艺成本下为主承力构件的实际应用范围，并提升了潜在应用价值。图 1-1 为三实际工程中的应用。

图 2-1 平纹编织复合材料的示意图和三维编织预制体制备通过 RTM 方法进行固化处理而制成的三维编织和三维，实际操作流程如图 2-2 所示。三维编织碳纤维/环氧700-12 K 碳纤维，母向花节长度 7±0.5 mm/个花节。树脂为主体的基体材料进行模具成型，最终制得尺寸为料试样。试样的具体编织结构工艺参数如表 2-1 所将复合材料板状构件经过机械加工，制得长 220 mm，在试件两端均粘贴 50 mm×25 mm 铝质加强片以减小夹组测试数目 4 个。合材料采用 12 k 碳纤维横向纱和纬纱以及 3 k 碳纤维接标准 ASTM D3039 / D3039M-14，将其切割成长方形，

图 2-2 编织复合材料的制备流程图表 2-1 三维四向编织复合材料的工艺参数号 编织角度/° 纤维体积/% 厚度/mm 密度1 30 55 2.2 2 30 55 4.2 能测试纹编织拉伸、压缩和压痕测试能试验机（CMT5305）上，以 1mm / min 的速度进行碳纤维平纹复合验，如图 2-3 所示。在拉伸载荷条件下，通过使用 AE 信号采集系统损伤演变的 AE 信号。两个 RS-54A 宽频带传感器(100-900 kHz)用胶试样表面上，它们之间的距离为 55 mm，采样频率设置为 3.5 MHz。
【参考文献】

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本文编号：2893071