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纤维柱增强复合材料夹芯结构的制备工艺及力学性能研究

王兵  
【摘要】: 夹芯结构通常是由上下两层高强度、高模量的薄面板和中间较厚的轻质芯材组成,由于其结构合理、比刚度大、比强度高、可设计性好等优点,目前已经被广泛应用于航天航空、船舶、高速交通等领域。传统的夹芯结构多是通过焊接或胶接的方法将面板和芯子连接在一起,这样既增加了制造成本又导致面芯界面较为薄弱。为了解决传统夹芯结构面芯界面薄弱的问题,本文采用一体化方法制备了纤维柱增强泡沫夹芯结构和全复合材料点阵夹芯结构两种新型复合材料夹芯结构,并通过实验表征和理论分析的方法研究了其基本的力学性能。 在第一章中,本文对泡沫夹芯结构的Z向增强技术、点阵夹芯结构的制备工艺及力学性能的研究进行了较为详细的回顾和综述,并阐述了本课题研究的目的和意义。 在第二章中,应用VARTM注射一体化成型工艺,制备了纤维柱增强泡沫夹芯结构。对5种不同纤维柱含量的夹芯结构进行了压缩、三点弯曲和剪切实验研究。研究结果表明,纤维柱的引入可以有效提高泡沫夹芯结构的力学性能,尤其能弥补由于泡沫芯材强度和刚度较低而带来的夹芯结构抗剪切和平压性能较差的不足,从而提高了夹芯结构的弯曲性能。 纤维柱的引入可以提高泡沫夹芯结构的力学性能,但如何影响并不清楚。在第三章中,建立了纤维柱增强泡沫夹芯结构的细观力学模型,采用引入修正系数的Mori-Tanaka方法有效预报了纤维柱增强泡沫芯子的法向弹性模量和横向剪切模量,并探讨了纤维柱内纤维体积含量和纤维柱直径的变化对芯子弹性性能的影响。 纤维柱增强泡沫夹芯结构芯子中主要承载的是纤维柱,泡沫只是起到固定纤维柱和辅助成型的作用,如果将纤维柱增强泡沫夹芯结构芯子中的泡沫去除,只保留纤维柱,这样在不削减夹芯结构力学性能的同时,又能在芯子中留出空间用作多功能夹芯结构。这种中空的夹芯结构即点阵夹芯结构。点阵夹芯结构由于其密度低、力学性能优异且可作为多功能结构而成为力学和材料研究者研究的热点。目前对点阵夹芯结构的研究主要是金属点阵夹芯结构,而复合材料与金属材料相比具有密度低,比强度大,比刚度高以及可设计性好等优点,因此研究全复合材料点阵夹芯结构具有更大的应用价值和科学意义。在第四章中,设计并采用预浸料一体化热压成型工艺制备了直柱型、倾斜型和三维金字塔全复合材料点阵夹芯结构。 对三种点阵夹芯结构进行了平压、剪切和侧压实验,观察了其典型的失效模式。在平压和剪切载荷作用下,主要失效模式为点阵柱的屈曲和压溃。侧压载荷作用下,主要是结构的整体屈曲、面板局部皱曲和面板分层。没有观察到传统点阵夹芯结构面芯结点的失效。通过对点阵芯子的代表性单胞施加正应力和剪应力,采用材料力学方法并结合单胞的几何尺寸关系计算单胞在应力作用下的应变,然后由应力应变比值计算出复合材料点阵芯子的理论平压弹性模量和剪切弹性模量,并计算了点阵单元屈曲和压溃时的平压强度。 通过与传统夹芯结构的芯材比较发现,本文研究的新型复合材料芯材具有密度低,比刚度高,比强度大等优点,且具有可设计性的特点。可以在航天航空、高速轨道交通等领域用作主承力结构件,同时点阵夹芯结构由于其芯子中具有大量的空间,还可以用作多功能结构。


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