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三维整体复合材料夹芯结构的设计、制备与性能

邬志华  
【摘要】:复合材料夹芯结构具有轻质高强、隔热吸音减震等优点,已经广泛用于制造列车辅助件。但是,传统泡沫夹芯结构存在承载极限不够理想、面芯界面强度低、型芯强度低等问题,限制了其在主承力结构件上的应用。为了改善以上性能,本文提出了三维整体复合材料夹芯结构,并围绕这种新型夹芯结构开展了研究工作。 首先,设计了夹芯结构构型。并采用连续纤维纱线缝合工艺制备预成型体;采用真空导入模塑工艺(VIMP)注胶,在芯子中引入复合材料柱子,实现面板、柱子的共浸渍和共固化,制得表观质量较好的三维整体复合材料夹芯结构试样。 其次,进行了平压试验,研究材料和结构参数对压缩性能的影响。结果表明:①新型夹芯结构的压缩性能明显高于传统夹芯结构。②环氧树脂(EP)为基体材料的试样的压缩性能和特定性能(specific properties,指相应力学性能与密度的比值)优于不饱和聚酯树脂(UP);碳纤维(CF)为增强材料的试样的压缩性能和特定性能优于玻璃纤维(GF)。③当型芯为聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫,试样压缩性能和特定性能最佳。④压缩模量随面板厚度(t)增加或芯子厚度(h)减小而增加。⑤压缩性能随柱子直径(D)增加或柱子间距(d)减小而增加。 再次,进行了三点弯曲试验。结果表明:①新型夹芯结构的弯曲性能强于传统夹芯结构。②EP为基体材料的试样的弯曲性能优于UP,但特定性能低于UP;而CF为增强材料的试样的弯曲性能和特定性能都优于GF。③剪切性能最佳的聚氯乙烯(PVC)泡沫作为芯子材料,试样的弯曲性能最好。当芯子为PMI泡沫,比刚度最高。④弯曲刚度随t或h增加而增加。⑤弯曲性能随D增加或d减小而提高。 最后,进行了拉剪试验。结果表明:①新型夹芯结构的剪切性能高于传统夹芯结构。②EP为基体材料的试样的剪切性能优于UP,而比模量低于UP;CF为增强材料的试样的剪切性能优于GF,但是比强度低于GF。③当芯子为PVC泡沫,剪切性能最强,其次是PMI泡沫和聚酯(PET)泡沫,最差的是聚氨酯(PUR)泡沫。而且PVC泡沫为芯子的试样的特定性能最佳。④剪切性能随D增加或d减小而提高,尤其是剪切模量。


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