三维编织石英纤维增强复合材料的制备及其性能研究

【摘要】：纤维增强复合材料具有良好的力学性能,如高比强度、高比刚度等。在众多纤维增强复合材料中,层合板复合材料是应用非常普遍的材料,其面内力学性能良好,但层合复合材料也具有显著的缺点,即层间抗剪切力差,这在很大程度上限制了层合复合材料的使用。为了克服这个缺点,三维编织复合材料应运而生。除了具有传统纤维增强复合材料的力学特点外,三维编织复合材料最显著的特点就是具有良好的抗剪切性能,因此被广泛应用于航空、航天、军事等领域。 本文以三维编织石英纤维预制件为增强体,综合性能良好的环氧树脂为基体,采用真空辅助成型工艺(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding)制备了三维编织石英纤维增强环氧树脂基(SiO2/EP)复合材料。对其力学性能、纤维表面处理的影响、环氧树脂固化工艺以及分形理论在复合材料弯曲断裂机理定量分析中的运用进行了系统研究。 通过对石英纤维单纤维复合材料进行研究发现,单纤维复合材料的界面剪切应力与拉伸应变之间存在正相关的关系,以此为基础,并结合SPSS数据分析软件寻找出石英纤维最佳化学表面处理工艺。石英纤维表面的SEM图像以及其红外光谱、X衍射分析得知,化学表面处理改变了石英纤维表面的物理和化学状态。力学性能测试结果表明,化学表面处理对三维编织SiO2/EP复合材料具有良好效果,不但提高了材料的界面结合强度,而且改善了其拉伸和弯曲性能。 为了获得内部交联结构均一和交联密度均匀的环氧树脂固化体系,借助差式扫描量热仪(DSC)对环氧树脂体系动态固化行为进行检测。利用Kissinger方程、Crane方程和Ozawa方程,对环氧树脂的固化反应过程机理和主要工艺参数(固化温度和固化时间等)进行探讨,成功建立了描述其固化过程的数值模型,为模拟各种工艺条件下的树脂内部参数变化过程以及监控其固化过程提供了重要理论依据。 本文还对分形理论在三维编织SiO2/EP复合材料弯曲断裂失效机理定量分析中的应用进行了研究。利用MATLAB语言进行编程,对三维编织SiO2/EP复合材料的弯曲断面形貌SEM图像进行灰度调整、特征检测、边界识别等相关数字化图像处理,最终得到其断面形貌的二值图像。然后结合分形理论基本原理,利用计盒维数法求解其断面形貌二值图像的分形维数Df。经过三种不同工艺处理的复合材料的断面分形维数都大于1,具有分形特征。同时其断裂具备明显的塑性断裂特征,这与实际三点弯曲试验中观察到的现象一致。由此可见,分形维数Df值可以作为一个表征复合材料断口基本特征的定量参数。 本文研究了表面处理工艺对三维编织石英纤维复合材料相关力学性能的影响,并创新性地将分形理论引入失效机理分析中去,为以后开发高性能产品提供了理论依据和实验基础。