芳纶短纤维增强碳纤维复合材料机理研究
发布时间：2021-01-30 23:08
碳纤维复合材料由于具有比强度、比刚度高等传统金属材料所不具备的优点,使其在航空及汽车工业等领域有着广泛的应用。碳纤维层合板复合材料是以环氧树脂为基体的多层碳纤维复合结构,在其结构中存在着多层树脂粘接层及粘接界面,由于树脂为脆性材料,粘接层基体和碳纤维/树脂界面的强度及断裂韧性较差,成为影响复合材料整体力学性能的关键因素,针对该问题,本文使用Kevlar纤维（芳纶纤维）对复合材料粘接层及粘接界面进行增强,并以双悬臂梁（Double Cantilever Beam,DCB）试验为基础研究了Kevlar纤维对碳纤维复合材料的增强机理。主要研究内容包括:（1）首先使用Kevlar纤维薄膜对粘接层的纯树脂构造进行加强,形成以Kevlar纤维为骨架的复合粘接层,与纯树脂粘接层相比,Kevlar纤维薄膜可以使粘接层的极限承载力及断裂韧性分别提高75%、103.9%,并且可以协调增强碳纤维/树脂界面强度,防止碳纤维/树脂界面发生剥离破坏;（2）为减少Kevlar纤维/树脂界面缺陷,提高界面强度,使用表面预处理技术对Kevlar纤维表面进行预处理,提高了树脂对Kevlar纤维薄膜的浸润性,增加了Kevl...
【文章来源】：长安大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空客A350XWB中各种材料占比
的加固工程中。图1.1 空客A350XWB中各种材料占比 图1.2 碳纤维复合材料复合材料的广泛应用[6][7][8]，给复合材料的综合力学性能和结构的安全性提出了较高的要求，既要保证结构的设计强度，又要防止内部缺陷给结构造成严重破坏。由于复合材料是由几种组分复合而成[9]，使其具有有别于金属材料的独有特点：复合效应、性能的可设计性和多功能兼容性等，使其能够满足不同工况下的力学要求及对特殊性能的要求，但是，复合材料的多层结构会使材料内部出现多层接触界面，而界面处通常为缺陷易发生位置，成为复合材料中的薄弱环节，各组分的相容程度和界面间粘结力的大小直接影响着复合材料的综合性能。易发生裂纹扩展位置树脂基体
建立了单纤维拔出的力学模型，得出了纤维嵌入基体中部分沿纤维方向的轴向应力及纤维与基体界面的剪应力，并研究了纤维轴向应力及界面剪应力分布随纤维埋入深度变化的规律(图1.3)，图中l 为纤维埋入基体中的长度，随着纤维埋入深度的增加，纤维的轴向应力会先减小后增大，而纤维与基体间的剪应力会逐渐减小，且剪应力大小在埋入长度范围内基本保持不变，因此，在粘接层中通过增加嵌入树脂基体中的长度，可以使纤维的拔出阻力随嵌入深度的增加而呈线性增加。（a）纤维轴向应力分布 （b）纤维与树脂界面剪应力分布图1.3 纤维轴向应力及界面剪应力随纤维埋入深度变化规律[41]1.2.3 复合材料粘接层Ⅰ型裂纹扩展研究在通过试验测量Ⅰ型裂纹断裂韧性研究中，研究人员通常使用R曲线来描述层间断裂韧性随裂纹扩展长度变化的规律[42][43]，对于存在纤维桥联现象的复合材料，R曲线的变化规律整体表现为先增大后逐渐趋于平稳，主要是由于在裂纹扩展初始阶段，层间位移较小
【参考文献】：
期刊论文
[1]FRP布加固砌体结构界面粘结性能的研究进展[J]. 王作虎,杨文雄,刘杜. 玻璃钢/复合材料. 2018(01)
[2]纤维增强复合材料在轻质防护领域中的应用研究进展[J]. 周楠,樊武龙,唐奎,唐松泽,陶秋辰. 辽宁工业大学学报(自然科学版). 2017(04)
[3]碳纤维复合材料在航空工业中的应用技术(下)[J]. 吴一波,林周进. 玻璃钢. 2013(03)
[4]复合材料DCB试件裂纹扩展理论分析[J]. 刘伟先,周光明,王新峰,高军. 复合材料学报. 2014(01)
[5]碳纤维经编织物在大飞机复合材料结构制造上的应用[J]. 谈昆伦,刘黎明,段跃新,杨乃宾. 玻璃纤维. 2013(01)
[6]Kevlar纤维的表面改性研究[J]. 李斌,张洪民,杜华太,马卫东,孙志勇,孙国华,张颖异,陈斌,刘凯. 工程塑料应用. 2012(03)
[7]先进树脂基复合材料技术发展及应用现状[J]. 陈祥宝,张宝艳,邢丽英. 中国材料进展. 2009(06)
[8]纤维增强弹性体基复合材料单纤维拔出试验细观力学分析[J]. 朱大胜,顾伯勤,陈晔. 工程力学. 2009(05)
[9]碳纤维表面处理技术的研究进展[J]. 王赫,刘亚青,张斌. 合成纤维. 2007(01)
[10]碳纤维表面处理及其对碳纤维/树脂界面影响的研究[J]. 夏丽刚,李爱菊,阴强,王威强. 材料导报. 2006(S1)
博士论文
[1]复合材料层间Ⅰ型静态及疲劳断裂机理研究[D]. 姚辽军.西北工业大学 2016
[2]含纳米组元界面相对碳纤维/环氧复合材料界面性能的影响[D]. 赵峰.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]碳纤维增强复合材料界面裂纹扩展及损伤研究[D]. 胡丹.北京化工大学 2016
[2]Z-pin增强碳纤维/树脂基复合材料黏结结构Ⅰ+Ⅱ型混合断裂韧性研究[D]. 黄恺.西安建筑科技大学 2016
本文编号：3009745
【文章来源】：长安大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空客A350XWB中各种材料占比
的加固工程中。图1.1 空客A350XWB中各种材料占比 图1.2 碳纤维复合材料复合材料的广泛应用[6][7][8]，给复合材料的综合力学性能和结构的安全性提出了较高的要求，既要保证结构的设计强度，又要防止内部缺陷给结构造成严重破坏。由于复合材料是由几种组分复合而成[9]，使其具有有别于金属材料的独有特点：复合效应、性能的可设计性和多功能兼容性等，使其能够满足不同工况下的力学要求及对特殊性能的要求，但是，复合材料的多层结构会使材料内部出现多层接触界面，而界面处通常为缺陷易发生位置，成为复合材料中的薄弱环节，各组分的相容程度和界面间粘结力的大小直接影响着复合材料的综合性能。易发生裂纹扩展位置树脂基体
建立了单纤维拔出的力学模型，得出了纤维嵌入基体中部分沿纤维方向的轴向应力及纤维与基体界面的剪应力，并研究了纤维轴向应力及界面剪应力分布随纤维埋入深度变化的规律(图1.3)，图中l 为纤维埋入基体中的长度，随着纤维埋入深度的增加，纤维的轴向应力会先减小后增大，而纤维与基体间的剪应力会逐渐减小，且剪应力大小在埋入长度范围内基本保持不变，因此，在粘接层中通过增加嵌入树脂基体中的长度，可以使纤维的拔出阻力随嵌入深度的增加而呈线性增加。（a）纤维轴向应力分布 （b）纤维与树脂界面剪应力分布图1.3 纤维轴向应力及界面剪应力随纤维埋入深度变化规律[41]1.2.3 复合材料粘接层Ⅰ型裂纹扩展研究在通过试验测量Ⅰ型裂纹断裂韧性研究中，研究人员通常使用R曲线来描述层间断裂韧性随裂纹扩展长度变化的规律[42][43]，对于存在纤维桥联现象的复合材料，R曲线的变化规律整体表现为先增大后逐渐趋于平稳，主要是由于在裂纹扩展初始阶段，层间位移较小
【参考文献】：
期刊论文
[1]FRP布加固砌体结构界面粘结性能的研究进展[J]. 王作虎,杨文雄,刘杜. 玻璃钢/复合材料. 2018(01)
[2]纤维增强复合材料在轻质防护领域中的应用研究进展[J]. 周楠,樊武龙,唐奎,唐松泽,陶秋辰. 辽宁工业大学学报(自然科学版). 2017(04)
[3]碳纤维复合材料在航空工业中的应用技术(下)[J]. 吴一波,林周进. 玻璃钢. 2013(03)
[4]复合材料DCB试件裂纹扩展理论分析[J]. 刘伟先,周光明,王新峰,高军. 复合材料学报. 2014(01)
[5]碳纤维经编织物在大飞机复合材料结构制造上的应用[J]. 谈昆伦,刘黎明,段跃新,杨乃宾. 玻璃纤维. 2013(01)
[6]Kevlar纤维的表面改性研究[J]. 李斌,张洪民,杜华太,马卫东,孙志勇,孙国华,张颖异,陈斌,刘凯. 工程塑料应用. 2012(03)
[7]先进树脂基复合材料技术发展及应用现状[J]. 陈祥宝,张宝艳,邢丽英. 中国材料进展. 2009(06)
[8]纤维增强弹性体基复合材料单纤维拔出试验细观力学分析[J]. 朱大胜,顾伯勤,陈晔. 工程力学. 2009(05)
[9]碳纤维表面处理技术的研究进展[J]. 王赫,刘亚青,张斌. 合成纤维. 2007(01)
[10]碳纤维表面处理及其对碳纤维/树脂界面影响的研究[J]. 夏丽刚,李爱菊,阴强,王威强. 材料导报. 2006(S1)
博士论文
[1]复合材料层间Ⅰ型静态及疲劳断裂机理研究[D]. 姚辽军.西北工业大学 2016
[2]含纳米组元界面相对碳纤维/环氧复合材料界面性能的影响[D]. 赵峰.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]碳纤维增强复合材料界面裂纹扩展及损伤研究[D]. 胡丹.北京化工大学 2016
[2]Z-pin增强碳纤维/树脂基复合材料黏结结构Ⅰ+Ⅱ型混合断裂韧性研究[D]. 黄恺.西安建筑科技大学 2016
本文编号：3009745
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