（紡織材料與紡織品設(shè)計專業(yè)論文）三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料壓縮應(yīng)變率效應(yīng)[紡織材料與紡織品設(shè)計專業(yè)優(yōu)秀論文].pdf

三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料壓縮應(yīng)變率效應(yīng) 摘要 三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料是一種新型的三維復(fù)合材料， 由于它優(yōu)良的機械性能和較低的生產(chǎn)成本，已經(jīng)引起人們的極大興趣 和廣泛關(guān)注。緯編間隔針織物是一種典型的三維針織結(jié)構(gòu)，它有兩個 表面層和一個中間層，間隔紗線在厚度方向?qū)⑸舷聝蓚€表層連接，三 維緯編間隔針織增強復(fù)合材料具有較大的抗分層力和良好的破壞韌 性，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得復(fù)合材料具有卓越的抗沖擊性能，廣泛應(yīng)用 在航海，汽車和軍事等領(lǐng)域，因此研究它在高應(yīng)變率下的力學(xué)性能以 及分析它在沖擊載荷下的響應(yīng)對材料的設(shè)計和應(yīng)用具有非常主要的 意義。然而到目前為止，對這種材料的研究還很少，本文對三維緯編 間隔針織增強復(fù)合材料在動態(tài)下的力學(xué)性能進行了探討，有效的填補 了這一空白。 本文利用s c r i m p 成型工藝完成三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料 的成型，并分別利用分離式的h o p k i n s o n 壓桿裝置( s h p b ) 和in e w m t s 材料試驗機對復(fù)合材料試樣以及樹脂基體進行了動態(tài)和準(zhǔn)靜 態(tài)的壓縮試驗，動態(tài)的應(yīng)變率從7 0 0 s 至2 4 0 0 s 間變化。通過分析和 對比準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和動態(tài)壓縮試驗。我們發(fā)現(xiàn)三維緯編間隔針織增強 復(fù)合材料和樹脂基體均為應(yīng)變率敏感材料，隨著應(yīng)變率的增大，三維 緯編間隔針織增強復(fù)合材料面內(nèi)、面外的壓縮剛度和失效應(yīng)力線性增 大，而失效應(yīng)變則線性減小。通過分析試樣的破壞形態(tài)，三維緯編間 隔針織增強復(fù)合材料的面外、面內(nèi)的破壞模式也存在著差異，復(fù)合材 料在沖擊破壞時面外主要的破壞模式是層間的剪切，而面內(nèi)的破壞 模式主要為分層破壞。 關(guān)鍵詞三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料，分離式s h p b 壓桿，壓縮， 沖擊，應(yīng)變率 c o m p r e s s i v eb e h a v i o ro fb i a x i a ls p a c e rw e f tk n i t t e df a b r i c r e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa tv a r i o u ss t r a i nr a t e a b s t r a c t a san o v e lt y p eo f3 - dk n i t t e dc o m p o s i t e sm a t e r i a l ，t h es p a c e rw e f t k n i t t e dr e i n f o r c e dc o m p o s i t e si sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ei n t e r e s t sa n d a t t e n t i o nd u et oi t so u t s t a n d i n gm e c h a n i c a la n dc o m p e t i t i v ep r o d u c t i o n c o s t t h es p a c e rw e f tk n i t t e df a b r i ci st h e3 - dc o n s t r u c t i o n ，w h i c hi s m a d eo ft h r e el a y e r s ，t h eu p p e ra n dl o w e rl a y e r so ft h ef a b r i ca r e i n t e r l a c e dw i 戧1t h ec h a i ny a m st h r o u g ht h et h i c kd i r e c t i o n t h e c o m p o s i t e sm a d ef r o mt h i sf a b r i ch a v eh i i g hr e s i s t a n c eo fd e l a m i n a t ea n d f r a c t u r e t h es t r u c t u r eo ft h es p a c e rw e f tk n i t t e dl e a dt ot h ec o m p o s i t e s h a v et h eo u t s t a n d i n gd a m a g et o l e r a n c eu n d e rt h ei m p u l s i v el o a d i n g i t p o s s e s s e sag r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a li nt h ef i e l do fa u t o m o t i v e ，m a r i n e p a r t s ，m i l i t a r y i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ha n da n a l y z et h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so nt h ei m p a c tl o a d i n gf o rt h em a t e r i a ld e s i g na n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n h o w e v e r ，t h e r ei s n or e f e r e n c e sc o n c e r n e dw i t ht h o s eu pt o n o w t h i sp a p e rf i l l st h eb l a n k s p a c e rw e f tf a b r i c i sm a d ei nt ot h ec o m p o s i t e sb yt h es c r i m p p r o c e s sa n dt h e nt e s t e db yt h es h p b a th i g hs t r a i nr a t ea n dn e wm t sa t q u a s i s t a t i c s t a t er e s p e c t i v e l y , h i g hs t r a i nr a t ev a r i e sf r o m7 0 0 s t o 2 4 0 0 s b yc o m p a r e dt h er e s u l to fh i 【g h s t r a i n - r a t et ot h eo n e so ft h e q u a s i s t a t e ，i ti sf o u n dt h a tt h es p a c e rw e f tk n i t t e dr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s i ss e n s i t i v i t yt ot h es t r a i nr a t e ，w h a t e v e rt h eo u t p l a t eo ri n - p l a t ed i r e c t i o n c o m p r e s s i v es t i f f n e s sa n df a i l u r e s t r e s s l i n e a r l yi n c r e a s e d w i t ht h e i n c r e a s eo ft h es t r a i nr a t e ，w h i l ef a i l u r es t r a i nl i n e a r l yd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s e do f t h es t r a i nr a t e a st h es t r a i nr a t e i n c r e a s e d ，t h e r e i sad e f e r e n c eb e t w e e nt h e o u t - p l a t ea n dt h ei n - p l a t ec o m p r e s s i v e t h em a i nf a i l u r em o d ea to u t - o f - p l a n ec o m p r e s s i o ni st h ei n t e r l a m i n a rs h e a rf a i l u r ea n dt h ei n - p l a n e d i r e c t i o ni st h ed e l a m i n a t i o n w h e nt h es t r a i nr a t ei sl o w ，t h ec o m p o s i t e s i sd e s t r o y e ds l i g h t l yw h i l ei ti sc o m p l e t e l yb r o k e na th i 【g hs t r a i nr a t e l i u w e n j i a n ( t e x t i l em a t e r i a la n d t e x t i l ed e s i g n ) s u p e r v i s e db yd r g ub o h o n g k e yw o r d s3 - ds p a c e rw e f tk n i t t e df a b r i cr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ， s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r , c o m p r e s s i o n ，i m p a c t ，s t r a i n r a t e 附件一： 東華大學(xué)學(xué)位論文原刨性聲明 本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)。所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的 指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包 含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對 所寫的內(nèi)容負(fù)責(zé)，并完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：支l l 曼建 日期： ) 霸巧年d 月0 8 日 附件二： 東華大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家 有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)東華大學(xué)可 以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等 復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密口，在年解密后適用本版權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密口。 學(xué)位論文作者簽名：立1 譴 日期：拋年2 月加 指導(dǎo)教師簽名：顧筠連 日期：) d 旺糾拍輯 第一帝綜述 第一章綜述 1 1 引言 復(fù)合材料是一種新型材料，它具有強度高，剛度大，重量輕等優(yōu)點，并且它 可以根掘使用條件的要求進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足各種特殊需要，從而極大的提高 了工程結(jié)構(gòu)的性能。近二十年柬，復(fù)合材料得到了飛速的發(fā)展，它最初在航天、 航空等尖端技術(shù)領(lǐng)域顯示其優(yōu)越性，繼而在建筑、機械、汽車、能源、化工等部 門得到r 益廣泛的應(yīng)用。到t 2 0 世紀(jì)3 0 年代，出現(xiàn)了玻璃纖維增強塑料復(fù)合材料， 這種材料性能良好，廣泛應(yīng)用在船舶、航空等領(lǐng)域，然而僅僅局限在單向或短纖 層合復(fù)合材料的形式。盡管層合板已經(jīng)長期使用，但是由于制造原因和某些力學(xué) 性能較差，例如層合結(jié)構(gòu)需要人工鋪疊，勞動強度大，費用高，生產(chǎn)周期長，不利 于生產(chǎn)復(fù)雜的形狀構(gòu)件，而且層合板的沖擊損傷抗力和面內(nèi)的力學(xué)性能較差，使 得二維的層合板的斷裂韌性較差，不易承受橫向和層問的剪切，在沖擊載荷的作 用下很容易產(chǎn)生分層，使得它在許多結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用受到限制。為了提高復(fù)合材料 的層日j 強力，人們結(jié)合傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型工藝和紡織技術(shù)研究丌發(fā)了三維紡織 結(jié)構(gòu)增強復(fù)合材料，f l p 3 - d 紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，它是將高性能的纖維或紗線利用 紡織技術(shù)編織而成三維結(jié)構(gòu)，再經(jīng)樹脂浸漬整理而成的新型復(fù)合材料，這種結(jié)構(gòu) 就能有效地克服層合復(fù)合材料的各種缺陷。用于三維復(fù)合材料的增強結(jié)構(gòu)，具有 完全整體而連續(xù)的、在空間多軸向面內(nèi)及面外纖維取向，尤其是厚度方向的增強， 從根本上克服了層合板的嚴(yán)重分層現(xiàn)象，而且預(yù)制件厚度方向的整體結(jié)構(gòu)性使復(fù) 合材料的性能如強度、剛度、抗沖擊性等性能得到了全面的提高。 距今為止，典型的三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要有三維編織、三維機織、三 維針織和三維縫合復(fù)合材料川。三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料能夠適應(yīng)大批量生產(chǎn)，既 可以裁減出各式各樣的紡織預(yù)成形件，又可以直接加工獲得所需的形狀，以適應(yīng) 特殊的需要。在這幾種成形技術(shù)中針織技術(shù)特別適合制造形狀復(fù)雜的構(gòu)件，例如 t 形管，央層織物等，尤其針織的全成形技術(shù)可以一次成形復(fù)雜構(gòu)件，有效的降 低了生產(chǎn)成本和減少了生產(chǎn)周期【2 1 。 然而人們對針織復(fù)合材料的研究并不多，針織復(fù)合材料被忽視的原因主要有 第一章綜述 兩個，其一是針織線圈結(jié)構(gòu)，其二是它的纖維體積含量不足1 3 1 ，它們一方面賦予 針織復(fù)合材料良好的成形性，但是另一方面它又導(dǎo)致材料中纖維的卷曲，致使其 拉伸和壓縮強度均低于相同纖維體積含量的其它類三維紡織復(fù)合材料。 1 23 d 緯編間隔針織增強復(fù)合材料的現(xiàn)狀 三維緯編日j 隔針織增強織物是種典型的3 d 針織增強結(jié)構(gòu)，它是近年柬出 現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)。它作為聚酯復(fù)合材料的增強結(jié)構(gòu)始于= 十世紀(jì)九十年代，緯 編間隔織物一般通常用高性能纖維或紗線制成，它具有兩個表面層和一個i 日j 隔 層，該織物的兩個表面分別在兩個針床上完成【4 l ，在針織過程中，甘j 隔紗線在厚 度方向?qū)⑸舷聝蓚€表層連接，最后完成整個織物的織造。其可以根據(jù)不同的設(shè)備、 工藝編織不同的表面層，而且可以調(diào)節(jié)織物的厚度，即問隔距離可以從2 6 0 m m 范圍內(nèi)變化，因此緯編問隔針織物是真乖意義上的三維針織物。緯編l 丑j 隔針織增 強織物是在緯編問隔織物的基礎(chǔ)上在線圈橫列以及線圈縱列的方向分別稱入增 強紗線，這些面內(nèi)方向存在的增強紗線，使得織物在面內(nèi)方向的變形減少到零， 同時也使復(fù)合材料的面內(nèi)性質(zhì)，譬如強度和剛度都會顯著的增加。 三維緯編日j 隔針織物具有卓越的性能，它容易被壓縮，在加工過程中，織物 可以自適應(yīng)鑄模的外形而改變，用高性能的玻璃纖維制成的緯編間隔增強針織物 在經(jīng)樹脂浸漬后制成的復(fù)合材料具有較高壓縮強度和抗撕裂性能，抗壓載荷可到 達2 0 0 0 k g c m 2 ，可以用于工業(yè)地板1 5 】摯子6 1 等材料。 三維緯編問隔針織增強復(fù)合材料的日j 隔層可以有效地減少復(fù)合材料的重量， 可以很好的滿足重量要求輕，壓縮和彎曲強度要求好的材料要求，例如汽車工業(yè)。 用玻璃纖維制成的問隔織物復(fù)合材料車身具有重量輕，剛度商和良好的抗沖擊性 能，而且i 日j 隔結(jié)構(gòu)還常用在央芯材料上，它比傳統(tǒng)材料具有重量輕，加工快，不 易腐蝕等優(yōu)點，而且碰撞后不易發(fā)生芯部脫層，廣泛應(yīng)用在儲罐、船泊等工業(yè)制 造中。 第一章練述 1 3 復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能研究 應(yīng)變率即應(yīng)變變化的速率，復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能的研究就是分析材料在 不同應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)，包括應(yīng)力，應(yīng)變，剛度的變化以及破壞模式的變化等 等。不同的材料在不同的應(yīng)變率的響應(yīng)是不同的，國內(nèi)外對復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué) 性能的研究比較多，然而大部分的文獻針對的是二維的單層或?qū)雍习?，對三維復(fù) 合材料的研究比較少，而對三維緯編1 日j 隔針織增強復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能的研 究至今還沒有。 高應(yīng)變率下材料的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)的研究必須采用合適的動態(tài)加載和動態(tài)測 量技術(shù)。目l i f 最有效、方便的動態(tài)試驗裝置是分離式s h p b 技術(shù)【7 1 以及其它的輔 助裝置。 c t s u n f 8 i 利用分離式s h p b 裝冒研究了偏軸玻纖環(huán)氧復(fù)合材料在不同應(yīng)變 率下的力學(xué)性質(zhì)，并分機了實驗中影響分離式s h p b 裝胃的因素，譬如試樣與壓 桿的界面摩擦，剪切波以及輸入波上升沿的加載時1 日j 等因素，并對其作了詳細(xì)的 理論分析。他的研究表明復(fù)合材料為應(yīng)變率敏感材料，隨著應(yīng)變率的提高，材料 的力學(xué)性能也隨之發(fā)生顯著的變化，其變化規(guī)律是隨著應(yīng)變率的增大，應(yīng)變減小， 應(yīng)力增大，模量也隨之變大。c t s u 玎并針對影響試驗的各個因素提出了一些建 設(shè)性的意見和建議。 h m h s i a o 和m d a n i e l 9 1 對碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的壓縮和剪切的動態(tài)力學(xué)性 質(zhì)進行了研究，同時也對復(fù)合材料中纖維的卷曲對復(fù)合材料應(yīng)變率響應(yīng)的影響進 行了探討。他們對不同纖維方向復(fù)合材料的力學(xué)性能進行了測試，得到了面內(nèi)和 面外的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，試驗結(jié)果顯示，隨著應(yīng)變率的提高，在對材料9 0 。方向 的測試中，他們發(fā)現(xiàn)材料的剛度變化不明顯，而強度和應(yīng)變卻顯著變化，在材料0 。方向上，復(fù)合材料的強度和剛度明顯的增大，而應(yīng)變并沒有顯著的變化，他們 認(rèn)為這可能與發(fā)生在復(fù)合材料中的剪切作用以及其破壞模式的變化存在著一定 的關(guān)系。在3 0 。和4 5 。方向上的壓縮測試則可以考察應(yīng)變率對復(fù)合材料面內(nèi)剪切 性能的影響，其應(yīng)變率效應(yīng)是剪切強度明顯變大。與此同時他們還測試了纖維彎 曲狀態(tài)下復(fù)合材料的動念力學(xué)性能，它呈現(xiàn)的應(yīng)變率響應(yīng)與非彎曲狀態(tài)下的較相 似。 第一帝綜述 孫寶忠，楊柳，顧伯洪【】研究三維編織復(fù)合材料的壓縮應(yīng)變率響應(yīng)，通過準(zhǔn) 確的試驗他們發(fā)現(xiàn)三維編織復(fù)合材料為應(yīng)變率敏感材料。它的壓縮剛度隨著應(yīng)變 率的增大而增大，而失效應(yīng)力，失效應(yīng)變的變化不明顯。 a m o lj a d h a v l 】等對纖維復(fù)合材料的動態(tài)壓縮應(yīng)變率效應(yīng)的作用進行了研 究。研究結(jié)果表明雖然纖維不是應(yīng)變率敏感材料，但是復(fù)合材料卻存在的較強的 應(yīng)變率效應(yīng)。在測試?yán)w維方向上隨著應(yīng)變率的增大，失效應(yīng)力和失效應(yīng)變也隨之 增大，但是當(dāng)失效應(yīng)力達到某數(shù)值之后，失效應(yīng)力隨應(yīng)變率變化的趨勢不再像 原來明顯了，麗失效應(yīng)變上f j 會隨著應(yīng)變率的增大而一直變大，另一方面隨著纖維 角度的變小，其應(yīng)變率效應(yīng)逐漸的變大，這種現(xiàn)象可能是因為纖維復(fù)合材料的破 壞模式隨應(yīng)變率變化而引起的。 m g u d e a 和u y i l d i r i m l l2 l 等對s 2 玻纖s c 5 環(huán)氧機織復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué) 性能進行了研究，研究表明材料的剛度和失效應(yīng)力對應(yīng)變率都是敏感的，并通過 電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的破壞模式主要是韌性破壞而且還同時伴隨著基體和 纖維層的丌裂。 t e t a y 和h g a n y 等 1 3 1 對機織緞紋環(huán)氧復(fù)合材料以及純環(huán)氧樹脂基體的動 態(tài)壓縮力學(xué)性質(zhì)進行了研究，他們比較了這兩種材料的動態(tài)壓縮應(yīng)變率行為，尤 其在低應(yīng)變率范圍內(nèi)，試驗表明它們的剛度部隨應(yīng)變率的增大而變大，在動態(tài)加 載下應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)不僅是應(yīng)變的函數(shù)，而且還是應(yīng)變率的函數(shù)，他們并根掘 試驗數(shù)掘建立了一系列的經(jīng)驗公式。 孫寶忠，顧伯洪等【1 4 】通過分離式s h p b 裝置研究了三維機織復(fù)合材料的壓縮 應(yīng)變率效應(yīng)，并通過對比準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)的試驗，發(fā)現(xiàn)三維機織為應(yīng)變率敏感材料。 壓縮剛度和失效應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增大而增大，失效應(yīng)力則減小。 m v h o s u r ；和j a i e x a n d e r 【1 5 j 等利用分離式：s h p b 裝霄分析了碳纖環(huán)氧層合板 的高應(yīng)變率的壓縮效應(yīng)，分別對厚度方向和面內(nèi)方向進行了測試，并將動態(tài)的應(yīng) 力- 應(yīng)變與靜念條件下的結(jié)果進行了比較，在試驗的應(yīng)變率范圍內(nèi)，材料的強度 存在著明顯的增大趨勢，而剛度的變化取決于多方面的原因，譬如纖維的排列方 向，基體的粘彈特性、破壞界面的作用時i 日j 等。在破壞模式上，面外存在典型的 剪切破壞，面內(nèi)主要是分層破壞。最重要的是h o s u r 提出了分離式s h p b 壓縮試驗 只有在試樣完全被破壞后，其試驗所得的數(shù)掘爿具有可信性的重要觀點。 第一帝綜述 o k e n w a1 o k o l i i 怕i 針對應(yīng)變率以及破壞模式對機織玻纖增強復(fù)合材料的能量 吸收性能的影響進行了試驗和理論的分析。通過拉伸和剪切實驗，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料 的能量吸收與應(yīng)變率呈線性關(guān)系，這種關(guān)系在高、低應(yīng)變率范圍內(nèi)都存在。在低 應(yīng)變率下復(fù)合材料的破壞模式主要是纖維的斷裂和抽拔，而在高應(yīng)變率下主要的 破壞模式則是基體的破壞。復(fù)合材料的能量吸收隨應(yīng)變率的變化而線性增大，可 以認(rèn)為這與復(fù)合材料破壞模式的發(fā)塵變化是存在著相互聯(lián)系的。隨后他還研究了 玻纖環(huán)氧【0 。9 0 。】復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的泊松比效應(yīng)7j ，結(jié)果發(fā)現(xiàn)泊松比 對應(yīng)變率并不敏感。 a m o sg i l a t a ，r o b e r tk g o l d b e r g b i s l 等利用反射式s h p b 裝霄對碳纖傭：氧 i m 7 9 9 7 2 【0 。4 5 。9 0 。似5 ?！繌?fù)合材料進行了動態(tài)的拉伸試驗，通過大量的試 驗數(shù)掘，得到了隨著應(yīng)變率的增大，材料各個方向上的剛度都會隨之增大，而斷 裂應(yīng)力和應(yīng)變在各個方向上的變化并不一致的結(jié)論，在0 。和9 0 。方向上應(yīng)力、 應(yīng)變的變化不明顯，在+ 4 5 。方向上卻存在這顯著的增大，這表明復(fù)合材料的應(yīng) 變率效應(yīng)是與基體的性質(zhì)密不可分的。 r 0 o c h o l a ，k m a r c u s l l 9 1 等分別對玻纖、碳纖維增強復(fù)合材料在不同應(yīng)變 率下的力學(xué)性能進行了研究，并將動念試驗結(jié)果與靜態(tài)下的進行了對比，試驗發(fā) 現(xiàn)這兩種材料均是應(yīng)變率敏感材料，隨著應(yīng)變率的增大，玻纖、碳纖增強復(fù)合材 料的斷裂應(yīng)力變大，斷裂應(yīng)變減小，而且還比較了其能量吸收性能，他們認(rèn)為復(fù) 合材料能量吸收的變化與復(fù)合材料在高應(yīng)變率下破壞模式的變化有關(guān)。 b a z l e 。a g a m a , j o h n ，w g i l l e s p i e l 2 0 l 等研究了平紋s 一2 玻纖復(fù)合材料高應(yīng)變率 的響應(yīng)。一方面通過面內(nèi)、面外兩個方向的大量試驗發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的最大應(yīng)力 一應(yīng)變呈非線性變化，而且高應(yīng)變下的斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變均比靜念下要大，另 一方面又利用s e m 技術(shù)研究了其破壞模式，面外的破壞模式主要是基體丌裂、纖 維斷裂以及纖維束的抽拔，而面內(nèi)的破壞模式主要是分層、基體丌裂，以及徑向 的丌裂等。 國內(nèi)對復(fù)合材料的高應(yīng)變率的研究也取得了一定的進展。 顧紅軍，趙囡志【2 1 等對高聚物復(fù)合材料動力學(xué)性能進行了實驗研究，通過分 離式s h p b 裝詈分析了四種不同材料層合板以及橡膠復(fù)合的高聚物復(fù)合材料在沖 第章綜述 擊載荷下的動力學(xué)性質(zhì)，分杌了良好的吸能效果，實驗中發(fā)現(xiàn)四種高聚物復(fù)合材 料透射波幅值與入射波幅值的比值較低，表明其吸能率較高。 劉瑞堂，張曉欣用h o p k i n s o n 壓桿技術(shù)測試材料動態(tài)斷裂韌性，他們采用 三點彎曲試樣進行動態(tài)斷裂試驗，應(yīng)用試驗數(shù)值法確定動態(tài)應(yīng)力強度因子的響應(yīng) 曲線，進而測試材料動態(tài)斷裂韌性。 燕瑛，樓暢等【2 州對二維和三維機織復(fù)合材料力學(xué)性能的細(xì)觀分析與實驗研 究，建立了預(yù)測機織復(fù)合材料彈性性能和強度的方法并進行了相應(yīng)的實驗研究， 系統(tǒng)地研究了織物幾何和結(jié)構(gòu)參數(shù)對機織復(fù)合材料性能的影響，研究了沖擊后的 拉伸與壓縮性能及疲勞剩余強度和壽命，建立了基于有限元分析和失效準(zhǔn)則預(yù) 測沖擊能門檻值的方法，給出了預(yù)估疲勞壽命的公式。 1 4 目i j i 研究工作存在的問題 隨著針織復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，人們對針織復(fù)合材料尤其是三維針 織復(fù)合材料的力學(xué)性能的研究也不斷的深入，然而在動態(tài)力學(xué)研究領(lǐng)域，對三維 緯編間隔針織增強復(fù)合材料的研究還比較少，還存在著很大的空白。為了能夠充 分了解三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料在不同應(yīng)變率的力學(xué)響應(yīng)，我們還需要對 以下兩個方面進行更深入的研究。 i 三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料的應(yīng)變率效應(yīng) 通過文獻，我們得知復(fù)合材料在不同的應(yīng)變率下其力學(xué)性質(zhì)存在著或多或少 的差異，尤其對于三維緯編l 日j 隔針織增強復(fù)合材料，其動態(tài)力學(xué)性質(zhì)，譬如各個 力學(xué)指標(biāo)與應(yīng)變率存在著怎樣的關(guān)系? 三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料面內(nèi)、面 外的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)是否存在著差異? 各個應(yīng)變率下復(fù)合材料的破壞模式的差 異? 2 基體的應(yīng)變率效應(yīng) 不同的基體具有不同的物理機械性能，在基體j 增強材料形成一個完整的整體 后，其性質(zhì)會發(fā)生顯著的變化。為了研究三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料的動態(tài) 壓縮性能，就有必要研究基體在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)。 第一章綜述 1 5 本文工作任務(wù)和內(nèi)容 到目| j i 為止，國內(nèi)外對三維復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)的研究較少，而對三維緯 編間隔針織增強復(fù)合材料的研究至今還沒有，因此丌展這方面的研究是十分迫切 和具有實際意義的，此研究可以為三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料的研究、生產(chǎn) 以及設(shè)計應(yīng)用提供理論根掘和試驗指導(dǎo)。本論文將從以下幾個方面進行試驗研 究。 1 三維緯編| 日j 隔針織增強復(fù)合材料的制備。 2 對三維緯編| 日j 隔針織增強復(fù)合材料以及樹脂基體進行動態(tài)壓縮試驗。 3 樹脂基體的動態(tài)壓縮應(yīng)變率效應(yīng)。 4 三維緯編問隔針織增強復(fù)合材料面外、面內(nèi)的動態(tài)壓縮應(yīng)變率效應(yīng)。 參考文獻 川z h e n gm i n gh u a n 昌s r a m a k r i s h n a ，m i c r o m e c b a n i c a lm o d e l i n ga p p r o a c h e sf o rt h e s t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho f k n i t t e df a b r i cc o m p o s i t e s ：ar e v i e wa n dc o m p a r a t i v es t u d y ， c o m p o s i t e s ：p a r ta 2 0 0 0 ；3i ：4 7 9 - 5 0 1 【2 】2k h l e o n g ，e j f a l z o n ，m k b a n n i s t e ra n di h e r s z b e r y a ni n v e s t i g a t i o no f t h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo f w e f t - k n i tm i l a n o - r i bg l a s s e p o x yc o m p o s i t e s ，c o m p o s i t e ss c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ；5 8 ：2 3 9 2 5 1 【3 】b g o m m e r s ，1 v e r p o e s ta n de v a nh o u r e 。a n a l y s i so fk n i t t e df a b r i cr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ： p a r t o n e f i b e r o r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i o n c o m p o s i t e s ：p a r t a ，1 9 9 8 ；2 9 a ：1 5 7 9 1 5 8 8 【4 】k o w a l s k ik ，b e d n a r s k ig s t r u c t u r ea n df e a t u r e so fan e wg r o u po fk n i t t e ds p a c e rf a b r i c s m e l l i a n dt e x t i l b e r i c h t e ，1 9 9 9 ，8 0 ( 5 ) ：e 9 8 一e 9 9 【5 】邱冠雄間隔織物在紡織復(fù)合材科中的戍川針織j 業(yè)，1 9 9 8 。4 【6 】b a r t e l sv t t h e r m a lc o m f o r to fa e r o p l a n es e a t s ：i n f l u e n c eo f d i f f e r e n ts e a tm a t e r i a l sa n dt h e 7 第一審綜述 u o f l a b o r a t o r yt e s tm e t h o d s a p p l i e de r g o n o m i c s ，2 0 0 3 ，3 4 ( 4 ) ：3 9 3 3 9 9 【7 】b a z l eag a m e , s e r g e yll o p a t n i k o v j o h nwg i l l e s p i ej r h o p k i n s o nb a re x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e ：ac r i t i c a lr e v i e w a p p lm e c hr e v ，2 0 0 4 ；5 7 ( 4 ) 【8 t a ln i n a n ，j t s a i ，c t s u n u s eo f s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a rf o r t e s t i n go f f - a x i sc o m p o s i t e s i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f i m p a c te n g i n e e r i n g2 0 0 1 ；2 5 ：2 9 1 - 3 1 3 9 】h m h s i a n aa n di m d a n i e l b s t r a i nr a t eb e h a v i o ro fc o m p o s i t em a t e r i a l s c o m p o s i t e sp a r t b ，1 9 9 8 ；2 9 b ；5 2 1 5 3 3 【1 0 】b a o z h o n gs u n ，l i uy a n ga n d8 0 h o n gg u s t r a i nr a t ee f f e c to nf o u r - s t e pt h r e e d i m e n s i o n a l b r a i d e dc o m p o s i t e sc o m p r e s s i v eb e h a v i o r a i a aj o u r a l ，2 0 0 5 ；4 3 ( 5 ) ： 【1i a m o lj a d h a v ，e y a s s uw o l d e s e n b e t ，s u - s e n gp a n g h i g hs t r a i nr a t ep r o p e r t i e so fb a l a n c e d a n g l e - p l y g r a p h i t e e p o x yc o m p o s i t e s c o m p o s i t e s ：p a r cb 2 0 0 3 ；3 4 ：3 3 9 3 4 6 【1 2 】m g u d e n ，u y i l d i r i m ，i w h a l l e f f e c to fs t r a i n r a t eo nt h e c o m p r e s s i o nb e h a v i o ro f a w o v e ng l a s s f i b e r s c 1 5 c o m p o s i t e p o l y m e r t e s t i n g2 0 0 4 ；2 3 ：7 1 9 - 7 2 5 【1 3 t e t a y 。h g a n y a n dv p w s h i m a n e m p i r i c a l s t r a i n r a t e d e p e n d e n t c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p f o r g l a s s f i b e r r e i n f o r c e d e p o x y a n d p u r ee p o x y c o m p o s i t e s s t r u c t u r e ，1 9 9 5 ；3 3 ：2 0 1 - 2 1 0 【1 4 】b a o z h o n gs u n ，b o h o n gg u ，x i nd i n g c o m p r e s s i v eb e h a v i o ro f3 - da n g l e - i n t e r l o c kw o v e n f a b r i cc o m p o s i t e sa tv a r i o u ss t r a i nr a t e s p o l y m e rt e s t i n g ，2 0 0 5 ；2 4 ：4 4 7 - - 4 5 4 【1 5 】m v h o s u r , j a l e x a n d e r u k v a i y a , s j e e l a n i h i g hs t r a i n r a t ec o m p r e s s i o nr e s p o n s eo f c a r b o n e p o x y l a m i n a t ec o m p o s i t e s c o m p o s i t e ss t r u c t u r e 2 0 0 1 ；5 4 ：4 0 5 - 4 1 7 【1 6 1o k e n w a1 o k o l i t h ee f f e c t so f s t r a i nr a t ea n df a i l u r em o d e so nt h ef a i l u r ee n e r yo f t h ef i b e r r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s c o m p o s i t e ss t r u c t u r e 。2 0 0 1 ；5 1 ：2 9 9 - 3 0 3 【1 7 o i o k o l i ，g f s m i t h t h ee f f e c to f s t r a i nr a t ea n df i b e rc o n t e n to nt h ep o i s s o n sr a t i oo f # a s s e p o x yc o m p o s i t e s 【1 8 1 a m o sg i l a t , r o b e r tk g o l d b e r g ，g a r yd r o b e r t s e x p e d m e n t a ls t u d yo fs t r a i n r a t e d e p e n d e n tb e h a v i o ro fc a r b o n e p o x yc o m p o s i t e c o m p o s i t e ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 2 0 0 2 ；6 2 ：1 4 6 9 1 4 7 1 9 r o o e h o l a ，k m a r c u s ，g n n u r i c k ，t f r a n z m e c h a n i c a lb e h a v i o u ro f g l a s sa n dc a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa tv a r y i n gs t r a i nr a t e s c o m p o s i t es t r u c t u r e s 2 0 0 4 ；6 3 ：4 5 5 4 6 7 【2 0 】b a z l e g a m a , j o h nw g i l l e s p i e ，j r h a s s a nm a h f u z , r o s h a np r a i n e s ，a n w a r u lh a q u e ， 8 第一審綜述 s h a i kj e e l a n i ，t r a v ia b o g e t t i ，b r u c k ek f i n k j o u r n a lo f c o m p o s i t e sm a t e r i a l s 。2 0 0 1 ： 3 5 ：1 2 0 1 1 2 2 7 【2 l 】顧紅軍，趙國，占，張海波，張偉高聚物復(fù)合材料動力學(xué)性能實驗研究材，料科學(xué)與 1 ：科，2 0 ( 4 ) ： 【2 2 】劉瑞堂，張曉欣，姜風(fēng)春，歐貴寶h j h o p k i n s o n , q ；, 桿技術(shù)測試材料動態(tài)斷裂韌性的方法研 究哈爾濱i 科人學(xué)學(xué)報，2 0 0 0 ；2 1 ( 6 ) ：1 8 - 2 5 【2 3 】燕瑛，樓暢，成傳賢，章怡j ，楊旭機織復(fù)合材料力學(xué)性能的細(xì)觀分析與實驗研究復(fù) 合材料學(xué)報，2 0 0 1 ：1 8 ( 2 ) ：1 0 9 1 1 3 - o 第一市 二維緯編間阮針織增強復(fù)合村 的成型 第二章三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料的成型 2 1 引言 復(fù)合材料的力學(xué)性能除了與它的預(yù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)外，還受基體和復(fù)合 材料成型工藝的影響。本章主要介紹了選擇合適的樹脂以及利用s c r i m p 成型工 藝完成對三維緯編間隔針織增強復(fù)合材料的制作。 2 2 三維緯編間隔針織增強織物預(yù)構(gòu)件 緯編| 1 日j 隔織物通常指在織造機器( 機織、針織機) 上直接制成的具有長、寬， 厚的三維針織物，其結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。緯編間隔針織織物通常具有三層結(jié)構(gòu)， 即兩個表面層和一個i 日j 隔層，一般來說在雙層拉舍爾針織機上完成，兩個針床能 獨立生產(chǎn)不同結(jié)構(gòu)和性能的表面層，在針織過程中紗線問歇于兩組針之日j 交換形 成穿過厚度的紗線芯杠，連接在表面層預(yù)形件的芯杠有垂直方向白霄或成4 5 。傾 斜，緯編i 日j 隔針織物的外形上的獨特之處在與它具有較大的厚度，但是這種厚度 不單單是指通過使用較裉的紗線簡單織造而成，或者是下機后通過與其它織物拼 合而成，而是指在厚度方向存在著增強纖維，并將上下兩個表層連接成一個整體 結(jié)構(gòu)，因此它的厚度是實際意義上的。 三維緯編問隔針織增強織物，是在緯編間隔針織物的基礎(chǔ)上，在線圈橫列和 線圈縱列分別添入增強的纖維或紗線由于增強紗線呈伸直狀態(tài)，不存在彎曲，則 可以有效的增加織物的強力，并將緯編1 h j 隔針織物的變形降到了最低。其結(jié)構(gòu)如 圖2 - 2 所示，圖2 - 3 為三維緯編h j 隔針織增強織物實物圖。 第一辛 二維緯編間隔針織增強復(fù)合材 的成型 圖2 1 = 維緯編間隔針縱物結(jié)構(gòu)幽 i 璽1 2 - 2 二維緯編問隔針織增強織物結(jié)構(gòu)幽 第一審 二維緯編問碥針織增強復(fù)合材 的成型 幽2 3 二維緯編間隔針織增強織物實物蚓 本課題組所使用的三維緯編日j 隔針織增強織物預(yù)構(gòu)件的工藝規(guī)格如下表2 一l 所示 表2 - 1 二維緯編間隔針織增強織物規(guī)格 結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)值 纖維材料e 玻璃纖維 單纖肖靜( u m ) 8 針織紗線細(xì)度( t e x ) 8 1 2 增強紗線細(xì)度( t e x ) 2 4 0 0 間隔紗線細(xì)度( t e x ) 2 4 0 0 線網(wǎng) 針織物橫列( c m )1 2 密度 線圈 縱列( c m ) 1 2 - 1 2 - 第一章 二維緯編舊船針織增強復(fù)合村f 的成型 2 3 樹脂的選擇 作為復(fù)合材料基體的高性能樹脂體系，它的各項性能必須滿足實際應(yīng)用的需 要，首先基體要具有適當(dāng)?shù)恼扯?，能夠適應(yīng)工藝的要求。本試驗根據(jù)緯編間隔針 織物的結(jié)構(gòu)特性，選用s c r i m p 工藝，所以基體的粘度不易過大，樹脂粘度太大， 樹脂流動時需要較大的真空壓力，這樣就容易使l 日j 隔層的增強紗線被沖刷錯位， 而粘度太小，樹脂可能在浸澗纖維束之前就充滿模具，導(dǎo)致制品中的疏松缺陷， 其次樹脂應(yīng)具有較長的適用期以及當(dāng)樹脂充滿后又能快速地固化，以縮短制品的 成型周期【2 】。在樹脂的性能上，所選的樹脂應(yīng)住強度、模量、韌性、剛溫、剛環(huán) 境老化和纖維粘結(jié)性能等方面滿足制品的技術(shù)要求。 目i i 使用的樹脂多為聚合物基樹脂，它可以分為兩種：熱固性和熱塑性樹 脂。熱固性樹脂又分不飽和聚酯、乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂等。經(jīng)綜合 考慮，本試驗選用上海新華樹脂廠生產(chǎn)的3 0 7 3 不飽和聚酯，固化劑為過氧化甲 乙酮，促進劑為辛酸鈷，樹脂液的配置比例為1 0 0 ：4 ：2 。不飽和聚酯的技術(shù)參 數(shù)如表2 2 所示。 表2 - 23 0 7 3 不飽和聚熊的技術(shù)參數(shù) 外觀 酸值車占度 凝救時間土要特性 在過氧化物的引發(fā)r 可以 微黃至淡黃色液 2 6 ，3 4o 3 6 o 。6 63 0 r a i n 膠聯(lián)，聚合抗水性燈。強度 體高 2 4s c r i m p 成型 s c r i m p ( s e e m a n nc o m p o s i t er e s i ni n f u s i o nm o l d i n gp r o c e s s ) 即西曼復(fù) 合材料樹脂注入成形法。此成型工藝是近年束在r t m 工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種 第一帝 二維緯編問騙針織增強復(fù)合材f 的成型 獨特的復(fù)合材料成型工藝1 3 l