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蜂窝状三维编织复合材料制备及其压缩性能研究

王伟杰  
【摘要】:蜂窝结构复合材料凭借其隔热、减震降噪、轻质化、强度性能高等优点被广泛的应用于航空航天、轨道交通和建筑工程等领域。传统蜂窝状复合材料,比如:铝蜂窝、Nomex等是以金属或纸为材料制备。本文研究了一体化编织成型的三维蜂窝状编织预制体,并以此制备了蜂窝状复合材料,为进一步拓展纺织品应用领域提供了条件。本文利用1×1四步法三维编织技术和“纱线的回转原理”,编织了不同开口角度和不同形状的蜂窝状三维编织预制件。采用VARTM成型工艺制备了不同开口角度、不同形状的蜂窝状三维编织复合材料。采用万能试验机对蜂窝状三维编织复合材料进行了压缩实验,利用3D-DIC技术记录了材料在压缩过程中应变,得到了载荷-位移曲线、应力-应变曲线、最大压缩载荷和能量吸收,分析了不同开口角度、不同形状蜂窝状三维编织复合材料的破坏形态,并分析了产生破坏形态的原因。通过实验分析发现,蜂窝状三维编织复合材料承受的压缩载荷值随着开口角度的增大而增大;在同一压缩速度下不同截面形状(圆形、四边形和正六边形)的蜂窝状三维编织复合材料,截面形状为四边形的承受压缩载荷能力最差,最优的是圆形截面。不同开口角度和不同形状蜂窝状三维编织复合材料的压缩破坏模式大致相同,破坏过程可分为三个阶段。在加载初期蜂窝状三维编织复合材料发生形变,表面的树脂基体产生裂纹,并且这些裂纹逐渐向纤维内部延伸,导致基体开裂。复合材料的线弹性阶段结束后,进入屈服平台阶段,载荷峰值出现不同幅度的下降现象,形成无序且不重复的压缩峰。屈服平台结束后,材料因主要承力蜂窝结构的塑性坍塌而失稳失效。通过3D-DIC应变图像分析,蜂窝状三维编织复合材料的断裂失效与剪切应变分布有关,横向和纵向局域应变分布较为均匀,剪切局域应变出现应变集中的现象,在应变集中的区域容易出现裂纹,导致复合材料剪切断裂。从应变图像分析,不同开口角度蜂窝状三维编织复合材料从压缩开裂到失效一共分为3个阶段。在第一阶段,由于蜂窝结构的倾斜壁在材料端部周围发生弯曲变形,随着变形量的增大,表面出现应力分布不均现象,接头处出现应力集中,导致复合材料的自由端开裂;在第二阶段,载荷增大,倾斜壁的弯曲度增加,向内收缩,但材料的弹性性能有限,到达收缩极限时,倾斜壁破坏;第三阶段,复合材料的主要承力结构破坏后,随着载荷的继续增大,复合材料整体的弯曲度增大,六角形蜂窝的倾斜壁向内收缩,在连接点处产生拉力。拉力通过连接点传递到蜂窝的非倾斜壁上,导致非倾斜壁向内弯曲运动,产生裂纹。不同形状蜂窝状三维编织复合材料的裂纹开裂模式有所差异,由于圆形和四边形试件不存在非倾斜壁,所以材料的最终失效是因倾斜壁的塑性坍塌。不同形状和不同开口角度的蜂窝状三维编织复合材料在压缩后,都出现了向一侧坍塌的现象,形成了偏侧化带。


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