循环湿热作用下三维编织复合材料力学性能与抗冲击性能研究

发布时间：2020-11-21 16:23

　　 三维编织复合材料是整体网状编织复合结构,可以克服传统层合板复合材料层间强度低、易分层等缺陷,还具有高比强度、耐腐蚀性、高损伤容限以及良好的抗冲击等特性,在航空航天领域具有很好的应用前景。三维编织复合材料风扇叶片在服役期间暴露在循环交变湿热环境下,其力学性能与抗冲击性能均会发生变化,进而影响风扇叶片在服役过程中的可靠性,因此评估和预测三维编织碳纤维复合材料受到湿热循环作用后的抗外物损伤能力对保障航空发动机在服役期间的安全性具有重要意义。本文以循环湿热作用后的碳纤维树脂基三维编织复合材料为研究对象开展了以下四方面的研究工作:(1)针对三维编织复合材料开展了循环湿热老化试验,得到其吸湿曲线并分析其吸湿机理,采用电子扫描显微镜对不同循环湿热老化天数后的试样内部进行了观察,讨论了循环湿热老化时间对三维编织复合材料内部组分材料的影响。试验研究表明:三维编织复合材料在循环湿热老化280天内并未达到饱和吸湿率,吸湿曲线符合Fick定律;三维编织复合材料内部损伤面积随着循环湿热老化时间增加而增加,内部形貌变化经历树脂吸湿溶胀开裂、开裂面积扩大、纤维/树脂界面脱粘形成裂纹、裂纹数量增多并持续扩展等四个历程。(2)针对不同循环湿热老化天数下的三维编织复合材料开展了准静态拉伸试验,试验结果表明:三维编织复合材料在循环湿热老化210天内,材料应力应变曲线呈线性变化,在循环湿热老化280天时,材料应力应变曲线呈现明显的双线性变化;三维编织复合材料弹性模量在循环湿热老化至140天时逐渐下降,最大下降15.2%,之后随循环湿热老化时间增加,其弹性模量略有反弹;失效应变在循环湿热280天内持续上升;泊松比在循环湿热老化前期明显下降,后期恢复,并超过未湿热老化下三维编织复合材料的泊松比。(3)针对不同循环湿热老化天数下的三维编织复合材料开展了不同应变率下的霍普金森压杆试验,分析循环湿热老化对三维编织复合材料动态力学性能的影响。试验结果表明:三维编织复合材料在循环湿热前期,表现出一定的应变率相关行为,存在应变率强化效应;在循环湿热老化后期,湿热老化效应占主导作用,材料应变率相关行为不再明显;循环湿热老化对三维编织复合材料纵向动态压缩强度有一定的积极作用,但长时间的循环湿热老化会明显削弱三维编织复合材料纵向承载能力。(4)针对不同循环湿热老化下的三维编织复合材料开展了高速冲击试验,并结合高速摄影和工业CT扫描分析了高速冲击下三维编织复合材料破坏机理以及破坏后形貌。试验结果表明:三维编织复合材料靶板在同等冲击速度下的吸收能量随着循环湿热老化天数的增加而增加,抗冲击性能显著提升;不同循环湿热老化天数下三维编织复合材料靶板在高速冲击下宏观损伤形貌无明显差异;三维编织复合材料在冲击载荷下主要损伤方式包括:基体破碎、纤维/基体脱粘、纤维断裂拔出。综上,本文的研究工作可以为评估和预测航空发动机三维编织碳纤维复合材料叶片受到循环作湿热用后的力学性能变化以及抗外物损伤设计提供一定的借鉴意义。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V25;V231.9
【部分图文】：

南京航空航天大学硕士学位论文下滑及高速飞行过程中经历的环境变化，采用 14 天人工加速循环湿热碳拟其一年的湿热状态，其中 24 小时（1440 分钟）为循环湿热老化谱的1 所示）,文中后续的湿热老化循环数均以天数作为计量单位。湿热老化谱行段 1：温度 70℃，相对湿度 95%；2）平行段 2：温度 110℃，相对湿度在 70℃~110℃范围内上升（或 110℃~70℃范围内下降），相对湿度在 9 0%~95%范围内上升）。

1 飞机结构复合材料加速循环湿热老化谱吸湿特性试验件材料为天津工业大学复合材料研究所生，其中碳纤维为 T700/12K，树脂为 TD整板上经过机械加工切割出来的，尺寸织复合材料开展的循环湿热老化处理的以及高速冲击试验件。

试验设备具体参数如表2.1所示，试文设计了自动添加蒸馏水的设备，保证了循环湿化试验在南京航空航天大学结构强度与振动试验学分析测试中心进行。表 2. 1 循环湿热老化试验设备明细表仪器的型号 生产商 设备参数S-101D-LJS上海林频仪器股份有限公司温度范围-70°C~1湿度范围 RH20%温度偏差±2°湿度偏差±2%J324BC常熟市双杰测试仪器厂称重上限 320精度 0.1mgM-7001F 日本株式会社 放大倍数 20~2
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本文编号：2893276