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《燕山大学》 2018年
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空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料的黏弹性能研究

王彩华  
【摘要】:对工程应用来讲,空心玻璃微珠/环氧树脂(HGM/EP)复合材料的率相关性、松弛、阻尼等黏弹性力学性能的研究至关重要。本文通过实验分析手段,系统地研究了HGM/EP复合材料在静载及动载荷下的黏弹性能,分析了温度、应变率、时间(频率)对其黏弹性能的影响,建立了相应的黏弹性模型。讨论了空心玻璃微珠的粒径大小和体积分数对复合材料黏弹性能的影响,并结合微观结构分析其影响机制。通过数值模拟的方法预测了基体与微珠间的界面相的力学性能,为HGM/EP复合材料的理论研究及优化设计提供参考。利用疲劳试验机对HGM/EP复合材料进行了准静态压缩试验,获得了HGM/EP复合材料在不同应变率、不同温度下的应力—应变曲线,分析了空心微珠粒径大小及体积分数对密度、压缩弹性模量以及压缩强度的影响,讨论了应变率、温度对材料静态压缩性能的影响,基于试验数据,对Sherwood-Frost本构模型进行修正,得到包含应变率和温度的压缩本构关系。研究结果显示,填充中小粒径的空心玻璃微珠对提高复合材料的压缩强度有利,同时温度和应变率对材料的压缩性能影响显著。通过微力实验机进行三点弯曲测试,研究了不同含量的空心玻璃微珠、不同含量的玻璃纤维以及界面腐蚀破坏对复合材料的弯曲性能的影响。测试了HGM/EP复合材料的准静态压缩松弛行为,建立了不同温度下描述树脂应力松弛的Wiechert模型,分析了空心玻璃微珠体积分数和粒径对复合材料松弛行为的影响,并讨论其应力松弛机制。利用细观均匀化方法,计算出等效松驰模量的表达式,并基于实验数据建立了复合材料的粘弹性模型。采用Prony级数形式对试验的松弛模量曲线进行拟合,通过变换求解出蠕变柔量,预测了不同体积分数HGM/EP复合材料的蠕变性能。分数阶导数模型可用较少的参数描述HGM/EP复合材料的黏弹性行为,且各拟合参数具有一定的物理意义。通过对HGM/EP复合材料进行动态力学分析(DMA),给出了基体材料在不同频率下的动态力学温度谱,利用时温等效原理,根据位移因子构建了材料在室温下的储能模量和损耗模量的频率主曲线。分析了温度和频率、体积分数和粒径对储能模量和损耗模量的影响规律,并结合扫描电镜照片分析其影响机制。获取损耗因子tan?随温度变化的曲线,比较了材料的损耗因子tan?及玻璃化转变温度~Tg随体积分数及频率的变化;通过填充剂—基体相互作用参数来评价界面的粘结情况,分析了阻尼的影响机制。结果表明,10%以下的配比有利于提高其动态力学性能。颗粒的团聚及界面的粘合均对复合材料的动态力学性能产生较大影响。理想界面的弹性模型并不适用体积分数较高的HGM/EP复合材料。通过内聚力单元模拟基体与玻璃微珠间的界面相,有效地预测了HGM/EP复合材料的力学行为,并分析了界面厚度及界面强度对复合材料力学性能的影响。通过与实验数据比对,考虑界面相的预测结果反映了微珠与基体间的界面的弱粘接状态,验证了界面性质对材料宏观力学性能产生较大影响。弱界面处极易发生脱粘,导致整体的强度下降,此时内部应力的重分布及损伤的演化直接影响材料的力学性能。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB33

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