经编间隔织物增强复合泡沫塑料的制备与力学性能研究

发布时间：2018-10-05 19:17

【摘要】：经编间隔织物作为一种近年来发展较快的纺织结构材料,具有优异的抗压、抗冲击和缓冲性能,将其作为增强材料加入基体中可以有效提高复合材料的剪切强度及厚度方向的压缩性能。结合经编间隔织物作为纺织结构材料所特有的结构整体性,使得经编间隔织物特别适合作为各种复合材料的“增强骨架”使用。复合泡沫塑料是用空心微珠填充基体而制成的新型泡沫材料,其特殊的带壁泡孔结构使得复合泡沫塑料不仅保持了传统泡沫塑料轻质的优点,而且力学性能相对较高,因此在航空、航海、汽车制造及建筑等领域均有应用。但是,传统复合泡沫塑料在绝对力学性能方面普遍不足,这严重限制了此种材料的发展。基于以上原因,本研究将经编间隔织物加入到传统复合泡沫塑料中复合成为新型的经编间隔织物增强复合泡沫塑料,详细研究了此种新型材料的界面结合情况及压缩、弯曲、冲击等力学性能,旨在为该复合材料力学性能的优化设计提供理论指导和试验支持。为了研究增强相结构和参数对经编间隔织物增强复合泡沫塑料力学性能的影响,本研究设计并织造了4种具有不同结构和参数的间隔织物样品,包括2种不同的间隔梳栉针背横移针距数,2种不同的表面组织及2种间隔丝直径。结合3种不同种类的空心玻璃微珠,通过手糊成型方法共制备了8种经编间隔织物增强复合泡沫塑料样品及1种传统复合泡沫塑料对比样品。作为三相复合材料,增强相的分布均匀程度和各组分间的界面结合情况对材料的各项性能有直接影响。基于上述原因,本论文首先通过样品断面的sem图对材料中空心玻璃微珠的分布情况及微珠与基体的界面结合情况进行了观察分析。结果表明空心微珠在复合材料基体和间隔丝周边分布均匀,微珠与基体的界面结合状况良好。为了探究间隔丝与复合泡沫塑料基体的界面结合情况,本文采用3种不同参数的微珠及4种不同直径的涤纶纤维制备了多种纤维/微珠/环氧树脂三相复合材料样品,并在instron5567万能材料试验机上对其进行了经典的微滴试验。结果表明,纤维与复合泡沫塑料基体的整体结合情况良好,说明本研究的样品制备工艺合理,材料选择得当。同时,纤维直径、微珠体积分数以及微珠内外径比等参数对复合材料的界面结合状况有较大影响,采用较细纤维、较低微珠体积分数及较小内外径比微珠的复合材料具有更好的界面结合。鉴于微滴试验结果离散性较大的不足,本研究创新性的采用ansys接触分析并基于库仑摩擦模型对纤维/玻璃微珠/环氧树脂三相复合材料的界面剪切强度和应力分布状况进行了模拟。结果显示,有限元模拟可以较好的重现试验结果及其变化趋势,同时借助于有限元模型的vonmises应力云图及界面接触摩擦应力云图,可在一定程度上对此种材料的微滴试验机理进行解释。为了探究经编间隔织物增强复合泡沫塑料的压缩性能,本研究采用mts810万能材料试验机对经编间隔织物增强复合泡沫塑料进行了准静态压缩试验。通过试验发现,经编间隔织物增强复合泡沫塑料的应力-应变曲线为由线弹区及平台区组成的两段式形态,这与传统复合泡沫塑料样品三段式的应力-应变曲线形态不同。经编间隔织物的结构参数对经编间隔织物增强复合泡沫塑料的压缩性能有较大影响,具有较小间隔梳栉针背横移针距数及较密实间隔织物面层的复合材料显示出较大的压缩模量和屈服强度。采用较大间隔丝直径(0.2mm)的复合材料样品与较小间隔丝直径(0.16mm)的样品相比,具有略高的屈服强度及相近的压缩模量。同时,适当增加s60hs型空心玻璃微珠的体积分数及采用内外径比较小的微珠也可以较为明显的提升复合材料的压缩性能。本文采用mori-tanaka方法,对经编间隔织物增强复合泡沫塑料的压缩模量进行了理论预测。结果显示,理论预测模型可以较好的模拟出不同样品的压缩模量值及变化趋势,该模型尤其适合对微珠内外径比较小、微珠体积分数适中的样品的压缩模量进行预测。同时,为了对经编间隔织物增强复合泡沫塑料的压缩强度进行预测,本文基于纤维屈曲理论和横向拉裂理论给出了经编间隔织物增强复合泡沫塑料间隔丝轴向压缩强度的两种预测模型。研究表明基于横向拉裂理论的压缩强度模型预测结果较差,而基于纤维屈曲理论的间隔丝轴向压缩强度预测模型则可以较好的模拟出不同参数复合材料的压缩强度及变化趋势。考虑经编间隔织物增强复合泡沫塑料的实际使用场景,本文对此种新型材料进行了三点弯曲测试以探究其弯曲性能。同时,还利用样品三点弯曲宏观、细观破坏形貌结合最小路径原理对复合材料的弯曲性能进行了理论解释。研究结果显示,在密度相当的情况下,经编间隔织物增强复合泡沫塑料与传统复合泡沫塑料相比具有更高的弯曲强度及弯曲模量。经编间隔织物的结构及参数,s60hs型空心玻璃微珠的体积分数及微珠内外径比对复合材料的弯曲性能有较大影响,具有较小间隔梳栉针背横移针距数,较紧密面组织结构的复合材料具有较好的弯曲性能。适当提升s60hs型微珠体积分数及采用更高强度的微珠也可起到提升材料弯曲性能的目的。为了探究此种材料的动态力学性能,在instrondynatup9250hv落锤式冲击仪上对8种经编间隔织物增强复合泡沫塑料样品及1种传统复合泡沫塑料样品进行了低速冲击试验。采用冲击载荷峰值、主破坏能量值和吸收能量值3个指标对样品的冲击性能进行表征,冲击速度选择为1m/s、1.5m/s和2m/s。结果显示,除了面层组织为六角形网孔的复合材料,嵌入其它3种间隔织物的复合材料相比于传统复合泡沫塑料具有更高的冲击载荷峰值,更高的主破坏能量值和较低的吸收能量值,从而具有更优秀的抗冲击性能。另一方面,具有较大间隔丝直径、较小间隔梳栉针背横移针距数及较密实间隔织物面层组织结构的复合材料显示出相对更好的冲击性能。同时,适度提高s60hs型空心微珠体积分数及采用内外径比较小的微珠也可以提高材料的冲击载荷峰值和主破坏能量值,并减少能量吸收,进而提升材料的抗冲击性能。在经编间隔织物增强复合泡沫塑料低速冲击性能的有限元模拟方面,采用冲头、复合泡沫塑料芯层、面层复合材料板及间隔丝4部分组成了有限元模型,并借助于ANSYS/LS-DYNA及LS-PrePost两款软件对代表性样品的冲击性能进行了动力学模拟。其中ANSYS/LS-DYNA用来建立有限元模型、定义接触参数、划分网格、添加约束、设置求解参数、求解以及进行后处理,而LS-PrePost被用来进行后处理及输出模拟结果。有限元模型较好的模拟了复合材料整体、间隔丝及面层复合材料板的实际变形状况,而通过模拟得出的载荷-时间曲线、冲击载荷峰值及主破坏能量值均与实际情况具有较高的吻合度。
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【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TS186.1;TQ328

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