碳纖維復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究

碳纖維復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究

0碳纖維復(fù)合材料抗菌材料模型高比強(qiáng)、高比剛、優(yōu)越的多功能性能是材料、機(jī)械科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。作為一種新型的芯結(jié)構(gòu)，它具有良好的強(qiáng)度。同時(shí)，由于內(nèi)部多個(gè)空間的巨大空間可以用于織物、埋面、儲(chǔ)量等多功能結(jié)構(gòu)。人們最初關(guān)注由鋁、鈦等材料制成的這種結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，隨著材料教學(xué)的發(fā)展，利用碳環(huán)保材料制備的新矩陣結(jié)構(gòu)逐漸增多。從結(jié)構(gòu)上看，矩陣結(jié)構(gòu)具有與傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)相同的機(jī)械強(qiáng)度，并且優(yōu)于金屬泡沫。2007年，美國(guó)弗吉利亞大學(xué)的菲涅耳姆費(fèi)倫佐內(nèi)首次采用水切割和組裝工藝制成了碳環(huán)保材料的骨頭芯結(jié)構(gòu)。該工藝沒(méi)有充分考慮裝置中纖維材料的潛力。從試驗(yàn)的角度來(lái)看，金屬絲夾芯結(jié)構(gòu)具有高比的優(yōu)越性。首先，本文介紹了材料金屬絲夾芯結(jié)構(gòu)的一些設(shè)計(jì)思想，然后介紹了一種新的制備工藝，并使用了碳預(yù)浸料的詳細(xì)條紋。在該方法中，所有纖維改善的方向都與負(fù)荷方向一致，充分發(fā)揮纖維改善的潛力。然后，在壓力和切割的基礎(chǔ)上，評(píng)估碳有機(jī)材料在世界上的結(jié)構(gòu)性能和失敗機(jī)。1碳纖維復(fù)合材料采用金融層點(diǎn)結(jié)構(gòu)人們?cè)趯?duì)金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)研究過(guò)程中,成功制備出金字塔、四面體、Kagome等各種拓?fù)錁?gòu)型的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),其中采用拉擠工藝制備出鋁合金金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如圖1所示.當(dāng)采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)制備點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)時(shí),由于復(fù)合材料工藝復(fù)雜性,往往給成型復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)帶來(lái)極大困難,在點(diǎn)陣各種拓?fù)錁?gòu)型中,以金字塔點(diǎn)陣最為對(duì)稱,所以起初學(xué)者均設(shè)計(jì)制備碳纖維復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu).Finneganetal利用水切割嵌鎖組裝工藝制備出金字塔,但是該工藝未能充分發(fā)揮桿件中纖維增強(qiáng)的潛力,本人在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出幾種設(shè)計(jì)方法,桿件中纖維均沿著載荷方向,充分發(fā)揮纖維單向增強(qiáng)的潛力.1.1次焊接法金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)主要是由四個(gè)桿件構(gòu)成金字塔單胞,那么采用單個(gè)桿件進(jìn)行組裝方式是最直接方法,考慮到二次粘接,往往在單個(gè)桿件兩端局部增大粘接面積,如圖2所示.這種桿件可以采用拉擠成型工藝或者RTM注塑工藝批量成型,其中纖維方向可以全部沿著桿件方向,然后在面板上進(jìn)行粘接組裝,最終形成復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),如圖3所示.1.2出桿件圓臺(tái)組裝工藝單個(gè)桿件在進(jìn)行組裝時(shí),容易產(chǎn)生相對(duì)滑移,桿件之間存在間隙,會(huì)影響結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能,于是在此基礎(chǔ)上提出桿件圓臺(tái)組裝工藝.桿件和圓臺(tái)是兩個(gè)基本的單元,如圖4所示,其中桿件更為規(guī)整,利用拉擠成型非常方便,纖維增強(qiáng)方向與桿件受載方向一致,圓臺(tái)是連接四個(gè)桿件并與面板粘接的單元,在圓臺(tái)中預(yù)留有四個(gè)小孔,四個(gè)桿件可以插入預(yù)留的小孔中形成金字塔構(gòu)型,然后進(jìn)行組裝,兩端粘接面板形成復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),如圖5所示.1.3復(fù)合材料用戶構(gòu)成桿件與圓臺(tái)組裝能極大發(fā)揮桿件中纖維潛力,然而整體組裝過(guò)程復(fù)雜,帶來(lái)很多組裝誤差,給二次粘接帶來(lái)困難,于是考慮先將芯子部分整體成型,再與面板進(jìn)行二次粘接,進(jìn)而提出采用模具工藝制備碳纖維金字塔點(diǎn)陣芯子,其模具如圖6所示.具體包括四部分,即上網(wǎng)架、下網(wǎng)架、硅橡膠方塊、底板.其中底板和硅橡膠方塊主要是支撐上下網(wǎng)架,首先將下網(wǎng)架與底板固定,預(yù)浸料細(xì)條鋪設(shè)在下網(wǎng)架上端,鋪設(shè)完畢放入硅橡膠方塊于方槽中,再上下網(wǎng)架合模,放置在熱壓機(jī)中,通過(guò)上下網(wǎng)架的壓力一體成型出復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣芯子.首先采用短纖維預(yù)浸料鋪設(shè)下網(wǎng)架,即在下網(wǎng)架上端面每個(gè)金字塔單胞的四個(gè)桿件均勻鋪設(shè)一定長(zhǎng)度的預(yù)浸料,在節(jié)點(diǎn)處有一半預(yù)浸料需要斷開,避免交叉點(diǎn)重合導(dǎo)致預(yù)浸料整體高度不一致,鋪設(shè)細(xì)節(jié)如圖7所示.1.4網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的制備短纖維鋪設(shè)時(shí)雖然能避免節(jié)點(diǎn)重疊,但是過(guò)程有些繁瑣,而且芯子中桿件纖維彼此不連續(xù),沒(méi)有相互約束,影響極低密度下芯子整體力學(xué)性能.采用長(zhǎng)纖維預(yù)浸料交叉鋪設(shè),在極低密度下連續(xù)的纖維能抑制屈曲,鋪設(shè)方法即為將預(yù)浸料長(zhǎng)細(xì)條縱橫鋪設(shè)在模具槽口中,然后上下網(wǎng)架合模成型.圖8即為成型之后的復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣芯子,粘接上下面板制備成為復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu).2平壓性能的研究2.1加載試驗(yàn)結(jié)果分析本文采用長(zhǎng)纖維預(yù)浸料模具熱壓工藝制備碳纖維復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu),我們?cè)O(shè)計(jì)出三組典型相對(duì)密度的平壓試驗(yàn)(即1.25%,1.81%,4.70%),從而研究其在平壓載荷下宏觀力學(xué)行為,分析其失效機(jī)理.利用INSTRON5569試驗(yàn)機(jī),參考ASTMC365/C364M-05實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣進(jìn)行加載,通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三種典型失效模式,如圖9所示.從圖9可以看出,在低密度時(shí),易發(fā)生屈曲失穩(wěn),而相對(duì)密度為1.81%時(shí),桿件發(fā)生纖維斷裂,尤其在節(jié)點(diǎn)接觸處,桿件發(fā)生纖維斷裂.在高密度時(shí),桿件產(chǎn)生分層和脫膠失效破壞,而且分層破壞從三角地帶開始萌生,進(jìn)而擴(kuò)展至整個(gè)桿件,脫膠產(chǎn)生于芯子和面板粘接部位,隨著載荷增加,膠結(jié)處承擔(dān)的載荷越來(lái)越大,以致最終不能抵抗載荷而發(fā)生脫膠行為.可見在相對(duì)較高密度下容易造成交叉點(diǎn)重疊,桿件產(chǎn)生加載盲區(qū),在受載時(shí)會(huì)從加載盲區(qū)這個(gè)缺陷產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展.2.2壓縮模量理論模型對(duì)比假設(shè)單個(gè)桿件兩端為固支,壓縮載荷下桿件與面板之間沒(méi)有相對(duì)滑移,從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度推導(dǎo)出在平壓載荷下復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論預(yù)報(bào)模型,如下所示:剛度模型:屈曲模型:斷裂模型:分層模型:其中Es為桿件的壓縮模量,σcf,σcd分別對(duì)桿件斷裂強(qiáng)度和分層強(qiáng)度,上述參數(shù)均通過(guò)單桿壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)得.芯子高度h=15mm,如圖7所示,其余參數(shù)b=4mm,d=3mm,ω=45°.對(duì)比發(fā)現(xiàn)所推導(dǎo)的理論模型能較好預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,只是在預(yù)報(bào)相對(duì)高密度的試驗(yàn)值時(shí),誤差較大,主要是因?yàn)樵诶碚撃Ｐ椭泻茈y考慮脫膠因素,其理論與試驗(yàn)值匯總?cè)绫?所示.3切割性能研究3.1典型試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線及實(shí)際模型參考ASTM剪切試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),采用INSTRON5569對(duì)四組相對(duì)密度的試樣進(jìn)行剪切應(yīng)變加載,發(fā)現(xiàn)四種典型試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線和相應(yīng)的實(shí)效模式,如圖10所示.在加載初始階段,應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈線性變化,接著產(chǎn)生不同的破壞機(jī)理,導(dǎo)致曲線開始呈現(xiàn)非線性特征,對(duì)于相對(duì)密度為0.664%的試樣,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到0.075MPa時(shí),桿件發(fā)生彎曲變形,即歐拉屈曲失效.當(dāng)相對(duì)密度大于1.25%時(shí),面芯脫膠是主要的失效模式.3.2理論模型驗(yàn)證假設(shè)桿件兩端固支,那么可以推導(dǎo)出桿件屈曲和桿件斷裂的理論公式,考慮到脫膠在實(shí)驗(yàn)中占有很大部分,建立了脫膠預(yù)報(bào)公式,具體如下所示:剛度模型:Gxz=Ec(htd/L)(cos2ω+d2/L2)/(2b+h/tanω)2(5)桿件屈曲:桿件斷裂:面芯脫膠:τcr=τaNA′/(wls)(8)其中Ec、σcf為通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得桿件的壓縮模量和強(qiáng)度,τa為膠層剪切強(qiáng)度,ls為剪切試樣長(zhǎng)度,w為剪切試樣寬度,n為單胞數(shù)量,A′為單胞端頭面積.表2中匯總了理論值和實(shí)驗(yàn)值,從表中可以發(fā)現(xiàn)理論模型能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)失效模型,在剪切剛度和強(qiáng)度預(yù)報(bào)上存在一定誤差,一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)誤差,另一方面因?yàn)榧羟欣碚撃Ｐ屯茖?dǎo)忽略面板等因素.4試驗(yàn)結(jié)果和討論本文針對(duì)碳纖維復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),開展了設(shè)計(jì)、制備、性能表征方面研究工作,闡述四種設(shè)計(jì)思想,采用其中長(zhǎng)纖維鋪設(shè)熱壓模具工藝制備試樣,該工藝能最大程度發(fā)揮纖維增強(qiáng)潛力,經(jīng)過(guò)平壓和剪切試驗(yàn)研究其力學(xué)性能和失效