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三维机织整体中空复合材料的结构及性能研究

曹海建  
【摘要】:三维机织整体中空复合材料是一种新型夹芯结构材料,国外称之为三明治结构。该材料主要由100%的E-Glass纤维织造而成,其三明治结构通过Z向纤维整体连接织物的上、下2个层面,其典型空间特征是芯部沿经向呈现出“8”字形,沿纬向呈现出“I”字形。三维机织整体中空复合材料具有优异的整体性能,克服了传统蜂窝、泡沫等夹芯复合材料易分层、耐冲击性能差的缺点,目前已广泛应用于大面积船身、机翼、油罐的夹层、各种地板、隔墙等。 迄今为止对三维机织整体中空复合材料的研究主要集中在基本力学性能、低速冲击等实验研究上,而对整体中空织物的制备、结构参数对材料力学性能与低速冲击的影响、低速冲击后材料剩余强度,以及材料的结构理论等方面研究甚少。本课题在成功制备三维机织整体中空复合材料的基础上,对材料的力学性能、低速冲击性能、结构理论研究等方面作了较为详细的研究。论文主要工作包括: (1)三维机织整体中空复合材料的制备。第一步,设计不同类型的整体中空织物,包括“8”字形、“88”字形、2.5维整体中空织物等。第二步,整体中空织物的织造,包括工艺调整、织造生产等。第三步,树脂基体的制备。选取树脂(环氧618)、固化剂(聚酰胺651)、稀释剂(环氧丙烷丁基醚660)等组成树脂基体,配比为100:50:30。第四步,整体中空织物的复合成型。采用手糊成型、真空辅助成型等方式制备三维机织整体中空复合材料。 (2)三维机织整体中空复合材料的力学性能研究。研究整体中空复合材料在平压、侧拉、侧压、剪切、弯曲等载荷作用下的力学特性,重点分析芯材高度、芯材密度等结构参数对材料力学性能的影响。结果表明:三维机织整体中空复合材料的平压、剪切等性能随着芯材高度的增加而减小;侧拉、侧压、弯曲等性能随着芯材高度的增加而增加;整体中空复合材料的平压、侧拉、侧压、剪切、弯曲等性能随着芯材密度的增加而增加。 (3)三维机织整体中空复合材料的低速冲击性能研究。第一步,选取芯材高度为5mm的材料,分别进行1~10 J能量的低速冲击,研究材料的低速冲击特性;第二步,选取芯材高度分别为5、6、7mm的材料,进行8J能量的低速冲击,研究芯材高度对低速冲击性能的影响;第三步,选取芯材高度为7mm、铝蒙皮厚度为0.3 mm的材料,进行8 J能量的低速冲击,并将实验结果与未蒙皮的材料进行比较,研究蒙皮对低速冲击性能的影响。 (4)三维机织整体中空复合材料低速冲击后剩余强度研究。第一步,选取芯材高度分别为5、6、7 mm的材料,进行8 J能量低速冲击,研究材料低速冲击后的剩余强度特性;第二步,选取芯材高度为7mm的材料,分别进行6、8、10J的能量冲击,研究冲击能量对低速冲击后剩余强度的影响;第三步,选取芯材高度为7mm、铝蒙皮厚度为0.3 mm的材料,进行8 J能量的低速冲击,测试材料的剩余压缩强度,并将实验结果与未蒙皮的材料进行比较,研究蒙皮对低速冲击后剩余强度的影响。 (5)三维机织整体中空复合材料结构理论研究。利用有限元软件ANSYS,建立整体中空复合材料的结构模型,进行压缩力学特性分析。利用该模型,研究芯材高度、芯材密度、弹性模量、泊松比等结构参数对材料压缩性能的影响。结果表明:三维机织整体中空复合材料在受压状态下,芯材与上下面板相接处应力最大,最容易发生压缩破坏;材料的压缩强度随着芯材高度的增加而下降,随着芯材密度、泊松比的增加而增加;弹性模量对材料压缩性能的影响不大。


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