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X-cor夹层复合材料力学性能研究

杜龙  
【摘要】:近年来,先进复合材料越来越广泛地应用于航空航天、船舶和公共交通等领域,作为结构材料和功能材料,极大地促进了这些领域的发展。夹层结构的出现更大程度地适应了现代工业尤其是航空和高速列车等领域中对于高强度、高刚度和超轻材料的需求。为改善蜂窝夹层复合材料本身的缺陷,Carstensen等提出了一种新型的Z-pin增强泡沫夹层复合材料——X-cor。 X-cor作为一种新兴的夹层结构形式刚刚起步,包括基本力学性能等都还有待进一步地研究。本文在考察文献资料和国内工艺设备条件的基础上,自行制备了X-cor夹层结构,包括Z-pin角度为15°、夹芯厚度为12.7mm和Z-pin角度为25°、夹芯厚度为8mm两种结构,同时,每组皆有相同批次和尺寸的未增强试件作为对比。 通过试验研究了X-cor增强泡沫夹层复合材料的基本力学性能,包括面内剪切、平面压缩和三点弯曲试验。通过与相同批次和尺寸的未增强件进行对比,发现X-cor增强能够大幅度地提高泡沫夹层结构的基本力学性能,尤其是能够弥补由于泡沫强度和刚度较低而带来的泡沫夹层结构剪切和压缩性能较差的缺陷,从而使得该种材料能够用于飞机、潜艇和列车机车等的主承力结构,具有良好的应用前景。 通过试验观察和对试验结果进行分析,并与相同条件的未增强件进行对比,本文研究了X-cor增强泡沫夹层结构的基本力学响应和破坏机理。可以发现,Z-pin的存在优化了材料的力学性能,改变了材料的破坏模式,使得该种材料从初始裂纹的产生到结构的彻底破坏都有着与未增强件不同的变形过程。 提出了X-cor增强泡沫夹层结构的剪切模量预测单胞模型,理论值与试验值符合良好。在模型的基础上考察了该种材料结构中各参数对X-cor剪切模量的影响,X-cor的剪切模量随着Z-pin体积分数、模量和直径而增大,在体积分数一定的情况下,Z-pin角度为45°时材料的剪切模量达到最大值。可以看出,X-cor增强泡沫夹层结构具有良好的可设计性,可以通过改变材料各参数来达到优化其力学性能的目的。 根据试验结果并结合文献资料,本文也对X-cor的强度预测模型进行了初步的研究和讨论。通过引进约束修正系数改进了Cartie’等提出的基于弹性基础上压杆屈曲的压缩强度模型,所得理论预测值与试验值更加接近。同时,根据不同的假设讨论了X-cor的剪切强度预测模型,比较了它们之间的差异,为进一步建立更符合实际的理论模型打下基础。


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