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《东华大学》 2017年
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纺织结构多向预制件及其复合材料的增材制造:结构设计、制备以及表征

权震震  
【摘要】:纺织结构多向预制件具有一系列独特的结构特征,如结构元素(纱线)的多取向、良好的结构整体性与结构可设计性、优异的结构效能等,使得该类预制件在复合材料等领域得到越来越广泛的应用。虽然现有先进纺织预成形工艺与技术为纺织结构多向预制件的结构实现提供了一种有效途径,但是其结构成形依然存在若干局限,如结构参数易波动、可实现结构有限、结构成形自动化程度低、复杂结构的批量个性化难以实现等。不同于传统的制造技术与工艺,增材制造技术具有“直接成形”与“层层累积”的特点,为纺织结构多向预制件的结构设计与实现提供了新机遇。本论文主要研究了关于纺织结构多向预制件增材制造的相关问题。其中,涉及纺织结构多向预制件新结构的设计、基于熔融沉积成形(FDM)技术的增材制造、所得增材制造纺织结构多向预制件及其复合材料的微观结构与轴向压缩性能表征等几个方面。首先,本文对四步法三维编织物结构预制件的细观结构与三维正交机织物结构预制件的拓扑结构进行了设计。对于四步法三维编织物结构预制件,给出了一种更直接的严格证明预制件中编织纱分组数的方法,首次观察了[m,m]排纱模式下纱线组在预制件横截面中的分布特征并对其进行了严格的证明;基于上述研究结果,提出了四步法三维编织物结构预制件中均匀混杂的两种实现方法—“组间混杂”法与“组内混杂”法,提出了四步法三维编织物结构预制件中特定“双边型”混杂的一种实现方法—基于“混杂连接单元”的方法,并引入了“混杂均匀系数”r对混杂的均匀程度与稳定程度进行定量评价。对于三维正交机织物结构预制件,在分析其纱线交织特点的基础上对预制件进行了拓扑结构设计。结果表明:在笛卡尔直角坐标系中有两种不同的预制件拓扑结构,在柱面坐标系中有四种不同的预制件拓扑结构,在球面坐标系中有四种不同的预制件拓扑结构;此外,将不同坐标系进行结合,可得到具有三维正交特征的更复杂预制件,从而极大地拓宽了设计空间。结合纺织结构多向预制件结构的“周期性”与“多层次性”特点,本文明确了纺织结构多向预制件用于增材制造的结构模型设计的相关问题;利用FDM技术制备了一系列典型的纺织结构多向预制件,所得预制件与其模型之间具有良好的结构保真度,证明了纺织结构多向预制件的增材制造的可行性;利用FDM技术对设计所得的三维正交机织物结构预制件进行了制备,验证了所述纺织结构多向预制件的设计方法的可行性;进一步利用FDM技术制备了短碳纤维增强三维正交机织物结构预制件,结果表明,短碳纤维在所得增强预制件中沿着打印线方向呈良好的取向分布。利用X-ray μ-CT技术,本文对所得增材制造纺织结构多向预制件的微观结构特征进行了表征。结果表明,由于FDM技术的工艺特点,所得试件中存在三种不同形状与分布特点的缝隙、孔洞,不同缝隙、孔洞之间具有良好的连通性,模型结构参数对所得预制件的结构保真度与清晰度以及树脂对预制件的填充效果均有较为显著的影响。为了研究增材制造纺织结构多向预制件及其复合材料的力学性能,本文对所得试件进行了轴向压缩测试,并利用X-rayμ-CT技术对压缩后的试件进行了三维扫描、重构。结果表明,预制件结构种类、组分材料种类以及预制件模型结构参数等均对所得试件的轴向压缩性能具有显著影响;增材制造纺织结构多向预制件及其复合材料试件在轴向压缩载荷下的结构损伤形式包括纱线的断裂、基体-纱线之间的脱粘、以及树脂基体的开裂等。此外,为了研究打印方向这一重要工艺参数对所得纺织结构多向预制件及其复合材料的结构与力学性能的影响,本文选取了0°、45°与Z向三个不同的打印方向来制备四步法三维编织物结构预制件。结果表明,在利用FDM技术制备纺织结构多向预制件时,不同打印方向将导致所得预制件微观结构的不同,进而导致预制件及其复合材料试件的力学性能的差异。最后,针对研究中发现的问题与纺织结构多向预制件增材制造未来可能的发展趋势,本文对可能的解决途径与实现方法进行了讨论与展望。通过本文的前瞻性系统研究,验证了纺织结构多向预制件的新结构设计与增材制造的可行性,对于新型结构、复杂结构、小批量/单个、批量个性化纺织结构多向预制件及其复合材料的开发与快速、高效制备具有重要的理论价值和现实意义。在增材制造领域内,首次开发了纺织结构多向预制件及复合材料。在材料无法做成连续长纤维或纱线的很多情况下,本文所涉及的短纤维增强纺织结构多向预制件及复合材料在功能复合材料领域有望获得广泛应用前景。同时,本文揭示了四步法三维编织物结构预制件中编织纱的分组情况与纱线组的分布情况,对于设计具有特定结构的四步法三维编织物结构预制件,实现纺织结构多向预制件的结构功能一体化具有重要的理论与现实意义。
【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】:TS105.11;TB33

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