Z-pin增强双马来酰亚胺层合板制备及力学性能研究

【摘要】：近年来我国大力发展航空航天领域,对纤维增强耐高温树脂基复合材料提出了迫切的需求,Z-pin增强技术以其突出的三维增强效果,弥补了先进树脂基层合板层间强度偏低的不足。本文以双马树脂基层合板为应用对象,开展Z-pin增强双马层合板技术研究。 首先,针对双马树脂低温高粘度及双峰固化反应特点,重点研究了双马Z-pin拉挤成形工艺,并成功制备出碳纤维/BMI树脂(T300/NHZP-1)复合材料Z-pin。同时开展了Z-pin数控植入泡沫载体工艺,超声辅助植入工艺,以及Z-pin增强双马层合板模压固化成型工艺研究,探索了低成本制备Z-pin增强双马层合结构的工艺路线。 其次,试验研究了Z-pin增强层合板层间断裂韧性,分析了Z-pin植入直径、Z-pin植入体积分数对I、II型层间断裂韧性的影响。试验结果表明,Z-pin植入能显著提高层合板层间断裂韧性并主要取决于Z-pin植入体积含量,随着Z-pin植入体积分数的增加,层合板层间断裂韧性增加。同时分析Z-pin增韧机理是Z-pin通过与层合板基体间的机械嵌接力及其他化学结合力、在裂纹扩展过程中Z-pin拔出或剪断产生的抗力以及Z-pin自身的弹性变形等约束来增强层合板层间强度和层间断裂韧性。 最后,制备了不同规格Z-pin增强层合板,研究Z-pin对层合板面内拉伸、开孔拉伸性能的影响。试验结果表明:①Z-pin植入后引起层合板拉伸强度降低显著,对拉伸模量影响较小。层合板拉伸强度随着Z-pin植入直径、体积分数的增大而降低,并主要取决于Z-pin植入体积含量,1.77%体积分数的Z-pin增强层合板拉伸强度降低幅度高达17.5%。Z-pin引起的层合板拉伸强度降低是非线性变化的;②Z-pin植入后对层合板开孔拉伸强度的影响很小。结合层合板无损状态下拉伸强度,Z-pin增强层合板的开孔拉伸剩余强度比例较空白层合板有较大的提高,并随着Z-pin体积分数增加而增加,最高增幅达10%。③Z-pin植入后改变了层合板内微观力学结构,载荷作用下应力应变状态由层合板内纤维、树脂及厚度方向上Z-pin等联合响应,层合板破坏失效模式和力学响应机理变得更加复杂。