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三维机织复合材料细观结构和力学性能研究

刘旭波  
【摘要】: 三维机织复合材料是利用机织加工方法将多个系统的纱线连成空间网状结构,然后在一定条件下与基体复合而得到的高性能复合材料。由于其整体性好,提高了织物在厚度方向的力学性能,克服了传统层合复合材料层间脆弱,不耐冲击的弱点;而且织机相对简单成本较低,适于批量生产,并具有很强的仿形能力,因此,三维机织复合材料作为一种结构材料受到日益广泛的关注,并已在航空航天、生物医学工程以及汽车工业等领域得到了广泛的应用。为了更加真实有效的设计和使用三维机织复合材料,需对它们的真实细观结构和力学性能进行深入的研究。 本文基于纱线真实形态建立了三维机织复合材料的一种新的力学模型,对其力学性能进行了分析,并进行了相应的实验研究。主要研究内容可分为以下三个部分: 第一部分采用切片拍照的方式导出了三维机织复合材料中纱线截面形状和轨迹。首先研究了三维机织复合材料的RTM成型工艺,然后将三维机织复合材料制成试件,再对试件沿纱线走向切片,每隔固定的长度切一次,并对每个截面进行拍照,最后采用专用软件拟合所得到的照片,得到纱线的细观形态和实际走向。 第二部分用体积平均化方法分析了三维机织复合材料的力学性能。首先结合实际的纱线形态建立了一种新的三维机织复合材料力学模型,利用此模型进行了材料的弹性性能分析。继而利用平均化方法结合蔡-吴张量理论对材料的拉伸、压缩和层间剪切强度进行了理论分析,并与实验结果进行了对比,验证了本文计算方法的合理性。 第三部分对三维机织复合材料的力学性能进行了实验研究。制作了相当数量的试件,完成了不同结构、不同织造参数、不同材料的三维机织复合材料的拉伸、压缩和层间剪切实验,分析了实验现象和实验数据,得到了很多有益结论。


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