三维四向编织-三维五向编织碳_环氧复合材料实验研究_百汇总
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三维编织复合材料力学性能研究进展
的有限元分析手段也被引入到编织复合材料的性能研究中。 由于编织复合材料细观结构非常复杂，所以常用的处理方法 为先简化复合材料的细观结构，再结合有限元方法对力学性 能进行分析和预测。HAO 等[41]基于三胞模型研究了三维四 向编织复合材料的拉-拉疲劳行为，使用 ABAQUS 建立不同 编织角和纤维含量的单胞模型，分析了疲劳加载方向对疲劳 损伤进程的影响，并且讨论了单胞模型结构参数对疲劳行为 的影响，结果表明，平行于编织方向疲劳行为优于垂直方向； 沿着编织方向，疲劳寿命随编织角增大而减小；纤维体积含 量与疲劳寿命正相关。
国内外在近 30 年内对三维编织复合材料的细观结构与 观力学性能之间的关系进行了研究和探索 取得了一些突出 的成就 并逐渐发展成力学和材料领域的一个热门研究方 向。在试验方面，自 20 世纪 80 年代起，MACANDER 等[3] 就对三维编织复合材料的拉压剪弯等典型静态力学性能进 行了系统的试验研究；KALIDINDI 等[4]研究了纤维体积含量 和编织角对材料力学性能的影响；SHIVAKUMAR 等[5]进一 步揭示了三维编织复合材料的压缩强度和失效机制。关于三 维编织复合材料冲击力学行为和断裂形态随应变率的变化 趋势也有相关报道[6-7]。
科技与创新┃Science and Technology & Innovation
文章编号：2095－6835（2021）13－0108－06
2021 年 第 13 期
三维编织复合材料力学性能研究进展
吴亚波，江小州，刘 帅，袁 航，张尧毅，惠永博，侯荣彬
（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610056）
国内也不乏试验研究三维编织复合材料力学性能的相 关报道。张迪等[29]对比研究三维多向编织和层合板复合材料 的力学性能。四种三维多向编织结构分别利用三维四向、三 维五向、三维六向和三维七向编织工艺制备；三种层合复合 材料利用帘子布制成，分别为 0°单向板、90°单向板和层合 板［0 /（ ± 45）2 /90］2s。同时进行拉伸、压缩和剪切试 验。结果表明与三维编织试样相比，0°单向板的拉伸和压缩 性能最高，而其他层合试样的各项性能均较低；对于编织试 样，编织角越小，纵向拉伸和压缩性能越高，剪切性能越低； 发现编织结构和编织角是影响材料破坏模式的重要因素。李 翠敏等[30]研究了三维编织碳纤维复合材料的剪切性能，结果 表明，三维五向较三维四向编织复合材料剪切性能好；三维 编织复合材料剪切强度沿长度方向随着编织角的减小而增 加；切边三维编织复合材料试件受剪切破坏时在加载点附近 侧表面裂缝沿纱线走向分布，上下两表面发生弯曲破坏。李 苏红等[31]试验分析评价了编织结构参数对复合材料拉伸性 能的影响，且对复合材料的破坏模式进行了研究。实验结果 表明，编织角、复合材料尺寸、纤维体积含量、轴向纱数与 编织纱数之比等对复合材料的性能有较大的影响，复合材料 有两种破坏模式，一种是裂纹沿纤维束扩展，另一种是纤维 束拉断，后者为主要破坏模式。 2 三维编织复合材料力学性能的理论研究 2.1 几何模型和力学模型
国内外在近 30 年内对三维编织复合材料的细观结构与 观力学性能之间的关系进行了研究和探索 取得了一些突出 的成就 并逐渐发展成力学和材料领域的一个热门研究方 向。在试验方面，自 20 世纪 80 年代起，MACANDER 等[3] 就对三维编织复合材料的拉压剪弯等典型静态力学性能进 行了系统的试验研究；KALIDINDI 等[4]研究了纤维体积含量 和编织角对材料力学性能的影响；SHIVAKUMAR 等[5]进一 步揭示了三维编织复合材料的压缩强度和失效机制。关于三 维编织复合材料冲击力学行为和断裂形态随应变率的变化 趋势也有相关报道[6-7]。
科技与创新┃Science and Technology & Innovation
文章编号：2095－6835（2021）13－0108－06
2021 年 第 13 期
三维编织复合材料力学性能研究进展
吴亚波，江小州，刘 帅，袁 航，张尧毅，惠永博，侯荣彬
（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610056）
国内也不乏试验研究三维编织复合材料力学性能的相 关报道。张迪等[29]对比研究三维多向编织和层合板复合材料 的力学性能。四种三维多向编织结构分别利用三维四向、三 维五向、三维六向和三维七向编织工艺制备；三种层合复合 材料利用帘子布制成，分别为 0°单向板、90°单向板和层合 板［0 /（ ± 45）2 /90］2s。同时进行拉伸、压缩和剪切试 验。结果表明与三维编织试样相比，0°单向板的拉伸和压缩 性能最高，而其他层合试样的各项性能均较低；对于编织试 样，编织角越小，纵向拉伸和压缩性能越高，剪切性能越低； 发现编织结构和编织角是影响材料破坏模式的重要因素。李 翠敏等[30]研究了三维编织碳纤维复合材料的剪切性能，结果 表明，三维五向较三维四向编织复合材料剪切性能好；三维 编织复合材料剪切强度沿长度方向随着编织角的减小而增 加；切边三维编织复合材料试件受剪切破坏时在加载点附近 侧表面裂缝沿纱线走向分布，上下两表面发生弯曲破坏。李 苏红等[31]试验分析评价了编织结构参数对复合材料拉伸性 能的影响，且对复合材料的破坏模式进行了研究。实验结果 表明，编织角、复合材料尺寸、纤维体积含量、轴向纱数与 编织纱数之比等对复合材料的性能有较大的影响，复合材料 有两种破坏模式，一种是裂纹沿纤维束扩展，另一种是纤维 束拉断，后者为主要破坏模式。 2 三维编织复合材料力学性能的理论研究 2.1 几何模型和力学模型
三维全五向编织复合材料的弯曲性能研究
“ ｏ” 代 表挂 编织 纱 的携 纱 器 ， 运 动方 式 与 三 维 四向 编 织结 构 中运 动规 律 一 样 ， 由行 、 列交替运动组成 ， 四步一个 循 环 ， 轨迹为“ ｚ ” 型， 经 过 ｓ个 循环 后 回到 起始位 置 ， 其 中 Ｓ＝（ Ｉ ｎ ｎ＋ｍ＋ ｎ ） ／ （ ｍ与 ｎ的最 小公倍 数 ）（ ｍ、 ｎ分别为编织纱行数和列数 ） ， 如编织纱 Ｈ＿ 】 ； “ ０” 代 表 只沿 ｘ方 向 ， 即 随行 往 复运 动 的轴 纱携 纱
“ ” 代表 的轴纱携纱器位置 固定 ， 不沿任何方向运
动， 如携 纱器 Ｑ。每完 成 四步 一个 编织 循 环 后 ， 所 有
收稿 日期 ：２ ０ １ ３ － ０ １ － ３ ０ 基金项 目：中国博士后科学基金 （ ２ ０ １ ２ Ｍ５ ２ ０ ９ ９ ５ ） ；苏北科技发展计 划 （ Ｂ Ｃ ２ ０ １ ２ ４ ６ ５ ） ；生态 纺织教育部重 点实验室 （ 江南 大学 ）开放 课题 （ Ｋ Ｌ Ｅ Ｔ １ １ １ ２ ） 作者简介 ：曹海建 （ １ ９ ７ ９ 一 ） ，男 ，博士 ，副研究 员 ，主要从事纺织复合材料方 面的研究 ，ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ 一１ １ ５ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ。 ｒ
Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ万能材料 试验 机对 比测试上述编 织复合材料 的弯曲性能 ， 研 究轴 纱、 编 织角、 纤维体积分数 等结构参数 对材料 弯曲性能
的影响。结果表 明， 编织复合材料的 弯曲性能 随着编织角的增加 而减 少 ， 随 着轴纱、 纤维体积 分数 的增大 而增加 ； 三维全 五 向
维五 向编 织材 料 的纤维 体积 分 数和力 学 性 能 的大 幅 度提 高 。因此 ， 刘振 国 等人 提 出可 在所 有 编 织 空 隙 中加入 轴纱 以最 大程 度地 提 高编织 复 合 材料 的纤 维体 积分 数和 力 学 性 能 ， 并 将 此 结 构 材 料 称 为 三 维
三维五向编织复合材料强度的有限元分析
０ 引 言
Ｔ ｎ 建 立 了整体 试 件 的有 限元 模 型 并 考 虑 了材 料 ａｇ ］ Ｅ 的非 线 性特 征 ： 宝君 ｌ 采 用 多 相 有 限 元 法 ， 立 了 庞 ８ ］ 建 该类 材 料 的 损 伤非 线 性模 型 ； 子 兴 【 基 于一 种 经 卢 ９ Ｊ 验性 强 度失 效准 则 ． 测 了三维 四 向编织 复合 材料 的 预
Ｉｓｔ ｅｏ ｅｔｅＣ ｍ ｏｉ ， ｉｎｉ Ｐ ｌ ｅｈ ｉ Ｕ ｉｅ ｉ ， ｉ ｊ ３０ ６ ） ｎｔｕ ｆ ｘ ｌ ｏ ｐ ｓｅ Ｔａｊ ｏｙ ｃｎｃ ｎｖｒ ｔ Ｔａ ｉ ｉｔ Ｔ ｉ ｔ ｎ ｔ ｓｙ ｎ ｎ ０ １０
（ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｅ ｈ ｎｃ ｌ ｎ ｌ ｔ ｎ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｔ ａ ｊ ｏ ｔ ｈ ｉ Ｕ ｉｅ ｉ ， ｉ ｊ ２ ｃ ｏ ｌ ｆ ｃ ａ ｉ ｄＥ ｅ ｒ ｉ Ｅ ｇ ｅ ｎ ， ｉ ｉ Ｐ ｌ ｅ ｎ ｎｖｒ ｔ Ｔａ ｉ Ｍ ａａ ｃｏ ｃ ｎ ｉ ｎｎ ｙ ｃ ｃ ｓ ｙ ｎｎ ３０ ６ ） ０ １０
三 维 五 向编织 复合 材 料 强 度 的有 限元 分 析
李金 超 陈 利 邢静 忠
３０６ ） ０ １０
３ ０６ ） ０ １０
（ 天津工业大学复合材料研究所 ， １ 天津市和教育部共建先进 纺织复合材料重 点实验室 ， 津 天
（ 天 津 工业 大 学 机 械 电 子 学 院 ， ２ 天津
的正 应 力破坏 ． 已有 文献 的观 测 结果 一 致。 与 关键 词 三维五 向 ， 编织 复合材料 ， 限元分 析 ， 有 强度
Ｆ ｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔＡｎ ｌｓｓ ｆ ｒ Ｓ ｒ ｎ ｔ ｆＴ ｒ ｅ Ｄｉ ｎ ｉ ｎ ｌ ｉ ｉｅ Ｅ ｅ ｎ ａ ｙ ｉ ｏ ｔｅ ｇ ｈ ｏ ｈ ｅ — ｍｅ ｓｏ ａ Ｆ ｖ — ｒ ｃｉ ｎ ｌＢｒ ｉ ｅ ｍｐ ｓｔ ｓ ｉｅ Ｄｉｅ ｔ ａ ａ ｄ ｄ Ｃｏ ｏ ｉ ｏ ｅ
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三 维 五 向编织 复合 材 料 强 度 的有 限元 分 析
李金 超 陈 利 邢静 忠
３０６ ） ０ １０
３ ０６ ） ０ １０
（ 天津工业大学复合材料研究所 ， １ 天津市和教育部共建先进 纺织复合材料重 点实验室 ， 津 天
（ 天 津 工业 大 学 机 械 电 子 学 院 ， ２ 天津
的正 应 力破坏 ． 已有 文献 的观 测 结果 一 致。 与 关键 词 三维五 向 ， 编织 复合材料 ， 限元分 析 ， 有 强度
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三维编织与层合复合材料力学性能对比试验
三维编织与层合复合材料力学性能对比试验张迪;郑锡涛;孙颖;范献银【摘要】对比研究利用相同碳纤维、基体和相同制备工艺（RTM）加工的三维多向编织和层合板复合材料的力学性能。
四种三维多向编织结构分别利用三维四向、三维五向、三维六向和三维七向编织工艺制备；三种层合复合材料利用帘子布制成，分别为0°单向板、90°单向板和层合板[0／（±45）2／90]2s。
采用相同的拉伸、压缩和剪切试验方法对各类试样进行试验。
结果表明：与三维编织试样相比，0°单向板的拉伸和压缩性能最高，而其他层合试样的各项性能均较低；对于编织试样，编织角越小，纵向拉伸和压缩性能越高，剪切性能越低；编织结构也是影响编织试样力学性能的重要因素。
同时，对试样的破坏模式也进行了讨论，发现编织结构和编织角是影响材料破坏模式的重要因素。
%The mechanical properties between three-dimensional (3D)braided and laminated composites were comparatively studied. These two sorts of composites were produced by the same carbon fiber,resin matrix and the same preparation process (RTM).There were totally four kinds of 3D multi-directionally braided composites,which contain 3D four-direction (3D4d ),3D five-direction(3D5d),3D six-direction (3D6d)and 3D seven-direction (3D7d)braiding respectively.And the three kinds of laminated composites manufactured utilizing tire cord fabric were 0°,90°and[0 /(45)2 /90]2s laminates.The mechanical properties of braided and laminat-ed specimens were measured by the same tension,compression and shear testingmethods.The results show that the properties of lami-nated compositesare worse than that of 3D-braided composite except 0°unidirectionallaminates.As to the braided composites,the smaller the braiding angleis,the better longitudinal properties and worse shear properties are.The braiding fabric is also an important factor which affects the mechanical properties.Meanwhile,the failure modes were also discussed,and the results show that,braiding fabric and the braiding angle are the main factors that affect the failure mode.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】8页(P89-96)【关键词】复合材料;三维编织;试验;力学性能;破坏模式【作者】张迪;郑锡涛;孙颖;范献银【作者单位】西北工业大学航空学院，西安 710072;西北工业大学航空学院，西安 710072;天津工业大学复合材料研究所，天津 300160;西北工业大学航空学院，西安 710072【正文语种】中文【中图分类】TB332近30年来，国内外学者开展了大量针对三维编织复合材料的研究工作[1～10]。
三维五向编织复合材料单胞实体模型及参数化
三 维 编 织 复 合 材 料 优 良 的力 学 性 能 主 要 取 决 于 编 织预 制 件 中组分 材 料 的物 理性 质 及 纱线 编织 结 构 ． 自２ 纪 ８ ０世 ０年代 以来 ， 内外 对 三维 编 织 复 合材 料 国 的细 观结 构 进 行 了大 量 的研 究 工 作 ， 取得 了很 大 的 并
了便 于应 用 数 化 ；三 维 五 向 ； 织 ；复合 材 料 ； 胞 Ｐ ＯＥ； 编 单
中 图 分 类 号 ： Ｓ０ ． ；Ｂ ３ Ｔ １ ２６ Ｔ ３ ２ ５ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ７ — ２ Ｘ（０ ８ ０ — ０ １ ０ ６ １ ０ ４ ２ ０ ）５ ０ ０ — ３
Ｐａ ａ ｅ ｅ ｉｅ ｉ ｅ ｌｏ Ｄ ｉ ｅ ｒ ｍ ｔ ｒ ｚ ｄ ｕｎ ｔｃ ｌ ｆ３一 ｆｖ —ｄｉｅ ｔ０ ｌｂｒ ｉ ｄ ｃ ｍ ｐｏ ｉｅ ｒ ｃ ｉ ｎａ ａ ｄｅ ｏ ｓｔ ｓ
Ｌ ｉ— ｈ ｏ，Ｃ Ｉ ｎ ｃａ Ｊ ＨＥ Ｌ Ｎ ｉ
（ ｅ ａｏａｏｙｏ Ａ ｖｎ ｅ ｅｔｅＣ ｍ ｏｉ ｔｒ ｌ ｏ ｎｓ ｆ ｄ ｃｔ ｎ Ｔａｊ ｏ ｔｃｎｃＵ ｉｅｓｙ Ｔａｊ Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔ ｆ ｄａ ｃｄＴ ｘ ｌ ｏ ｐｓ ｅＭａ ｉ ｓ ｆ ｉｒ ｏ ｕ ａ ｏ， ｉ ｉ Ｐ ｌ ｅｈ ｉ ｎｖｒ ｔ ｉ ｉ ｒ ｉ ｔ ｅ ａ Ｍｉ ｔ ｙ Ｅ ｉ ｎｎ ｙ ｉ， ｎ ｎ
进展． 自从 Ｐ ｎ ｅ ［ 过 Ｃ Ｄ建 模模 拟 三 维 编织 纤 维 ａ ｄ ｙｌ 通 Ａ
和 纱 线空 间 的交织 情 况 与 规律 ， 得 在 编织 物 织造 前 使
就 可 动态 地 观 察 到编 织 物 的形 成 过程 和 空 间结 构 ； 冯 驰 等 ｌ 于 纱 线 实 际 尺 寸 ， 建 立 三 维 编 织 预制 件 单 ８ ＿ 基 在
三维四向复合材料微观模型的研究现状及展望
摘要
三维四 向复合材料是 一种新结构形式的复合材料 ， 具有优 良的 力学性 能、 冲击损伤性 能及 耐烧蚀性 抗
能， 受到各 国学者的重视 。在 讨论 目前较为成功的“ 字型 、六 面体截 面” 米” “ 交织型 、双扭线” “ 型等单胞微观 模型 的基
础 上 ， 出 了“ 提 贝塞 尔” 胞模 型 。 该模 型 较 好 地 模 拟 了三 维 四 向 复 合 材 料 纤 维 的 走 向 与 微 观 结 构 ， 下 一 步 深 入 研 单 为
ｐ ｒｙ，ｓ ｏ ｋ ｄ ｍａ ｅ ｒ ｓｓ ａ ｔｐ ｏ ｅ ｔ ｎ ｉ － ｅ ｉｔ ｎ ｒ ｐ ｒｙ ａ ｅ ｆ ｉｌ ｏ ｄ Ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｓ ｍ ｅｍｏ ｅ ｓ ｃ ｅ ｓ ｕ ｅｔ ｈ ｃ － ａ ｇ － ｅ ｉｔ ｎ ｒ ｐ ｒ ｙ ａ ｄ ｆｒ ｒ ｓ ｓａ ｔ ｐ ｏ ｅ ｔ ｒ ａｒｙ ｇ ｏ ． ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ． ｏ ｒ ｕ ｃ ｓ ｆ ｌ ｅ ｍｉｒ ｎ ｔｃ ｌ ｇ ｏ ｔ ｙ — 一 ｃ ｏ ｕ ｉ ｅｌ ｅ ｍｅ ｒ — “＊” ｔ ｐ ｄ ｌ ｈ ｘ ｎ ｕ ａ ｅ ｔ ｎ ｒ ｓ ｄ ｌ ｌ ｍｎ ｓ ａ ｅ ＂ ｔ ｐ ｄ ｌ ｎ Ｏ ｏ 一 ｙ ｅｍｏ ｅ ，“ ｅ ａ ｇ ｌ ｒｓ ｃ ｉ ＂ｃ ｏ ｓｍｏ ｅ ，“ ｅ ｉ ｔ ｓ 一 ｙ ｅｍｏ ｅ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｃ ａ ａ ｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ Ｂ ｓ ｎ ｔ ｅｄ ｓ ｕ ｓｏ ａ ｍｏ ｅ ｏ Ｂ ｚｅ ”ｉ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ． ｉ ｍｏ ｅ ｓｍｕ ａ ｅ ｈ ｉ ｅ ｓ ｉ ｃ ｉ ｎ ａ ｄ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ． ａ ｅ ｏ ｈ ｉｃ ｓ ｉ ｎ。 ｄ ｌ ｆ“ ｅ ｉｒ Ｓ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ Ｔｈ ｓ ｄ ｌ ｉ ｌｔ ｓ ｔ ｅ ｆ ｒ ｄ ｒ ｔ ｎ ｂ ｅ ｏ ｍｉｒ ｔ ｕ ｔ ｒ ｆ Ｄ 一 ｉｅ ｔ ｎ ｌｂ ａｄ ｄ ｃ ｍｐ ｓ ｔ ｓｗｅｌ ａ ｄ ｆ ｕ ｄ ｈ ａ ｅ ｏ ｈ ｕ ｔ ｅ ｅ ｅ ｒ ｈ ｃ ｏｓｒ ｃｕ ｅｏ ３ ４ ｄ ｒ ｃ ｉ ａ ｒ ｉ ｅ ｏ ｏ ｉ ｌ， ｎ ｏ ｎ ｓ ｔ ｅｂ ｓ ｓ ｆ ｒｔ ｅ ｆ ｒｈ ｒ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ ｅ Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ｃ ｍｐ ｓｔ ｓ Ｄ ｎ － ｉｅ ｔ ｎ ｌｂ ａｄ ｎ ，ｕ ｉ ｃ ｌ ｍｏ ｅ ，ｆｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔｍ ｅｈ ｄ ｏ ｏ ｉ ，３ ａ ｄ ４ ｄ ｒ ｃ ｉ ａ ｒ ｉ ｉ ｇ ｅ ｏ ｎ ｔ ｅｌ ｄ ｌ ｉ ｉｅ ｅｅ ｎ ｔ ｏ
编织原理典型结构剖解三维四向三维五向(PPT-52)
RTM注射机
真空辅助成型工艺
辅助树脂被织物吸收，不仅可降低孔隙 率，预成形纤维更紧密，真空形成的负 压，树脂就顺真空通路沿预成形体各层 面流动，从而充分浸渍纤维，并使纤维 /树脂分布均匀。
多层织物真空辅助成型（视屏）
真空吸胶工艺
几种结构浸透性对比
A：多层机织布 B：多层针织布 C：正交三向机织布
RTM成型工艺
RTM工艺是指把低粘度、无溶剂液体 树脂在一定压力下注入模腔,浸渍预先 固定在模具内的纤维增强体,并在一定 温度下固化成型的工艺 。
RTM工艺特点
(1)RTM工艺分增强材料预成型坯加工和树脂注射固化两个步骤,这 两个步骤可分开进行，具有高度的灵活性和组合性，能实现“材料 设计”。 (2)RTM是闭模成型工艺，增强材料与树脂的浸润由带压树脂在密 闭模腔中快速流动来完成，而非手糊和喷射工艺中的手工浸润，又 非预浸料工艺和SMC工艺中的昂贵机械化浸润，是一种低成本、 高质量的半机械化纤维/树脂浸润方法。 (3)RTM工艺采用了与制品形状相近的增强材料预成型技术,织物/树 脂的浸润一经完成即可固化，因此可用低黏度快速固化的树脂，并 可对模具加热而进一步提高生产效率和产品质量。
应用
基础研究：原材料、复合技术、 材料/结构/功能一体化 研发
高新工程、基础设施建设 机遇与挑战
轻质、多功能先进复合材料 用量将不断增长 现状
1983年美国AVCO公司在ASMT工厂安装了BR900型 和BR2000型两台编织机。采用缠绕/针刺工艺，使用该自 动编织工艺生产立体织物，可使成本降低1/3，生产周期 缩短了1/2。
德国HERZOG公司
研制成功由计算 机控制、全自动 、模块式的三维 编织机，可实现 板块、加筋织物 的制造。
三维编织炭纤维预制件压缩性实验研究
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关键词 ： 三维编织炭纤维预制件 ； 纤维体积含 量； 压缩参数 ； 微观 结构 中图分类号 ：２ ８ Ｖ ５ 文献标识 码： Ａ 文章编号 ：０６２ ９ （０ ９ ０ －６００ １０ －７３ ２０ ）６０ ９ －４
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关键词 ： 三维编织炭纤维预制件 ； 纤维体积含 量； 压缩参数 ； 微观 结构 中图分类号 ：２ ８ Ｖ ５ 文献标识 码： Ａ 文章编号 ：０６２ ９ （０ ９ ０ －６００ １０ －７３ ２０ ）６０ ９ －４
三维编织复合材料开孔前后剪切性能的开题报告
三维编织复合材料开孔前后剪切性能的开题报告一、研究背景在航空航天、航海、交通等领域，复合材料的应用越来越广泛。
其中，三维编织复合材料是一种新型的复合材料，由于其独特的结构和性能，已经成为当前研究的热点。
同时，由于应用条件的限制，三维编织复合材料在使用过程中往往需要进行钻孔或剪切等加工操作。
在这种情况下，开孔会导致复合材料的剪切性能发生改变，严重的话甚至会导致复合材料的损伤和破坏。
因此，在实际工程应用中，需要对开孔前后复合材料的剪切性能进行测试和研究，为更好地应用三维编织复合材料提供理论和实验依据。
二、研究目的本研究旨在探究三维编织复合材料开孔前后的剪切性能的变化规律，从而为三维编织复合材料的实际应用提供科学依据。
具体研究目标如下：1. 研究开孔对三维编织复合材料剪切强度的影响。
2. 探究开孔对三维编织复合材料应变率的影响。
3. 研究不同开孔形状对三维编织复合材料剪切性能的影响。
4. 分析开孔前后三维编织复合材料内部结构的变化。
三、研究内容和方法1. 样品制备采用手工编织法制备三维编织复合材料。
在制备过程中，控制编织方式、编织密度、编织方向等参数，使得样品具有一定的组织结构和力学性能。
2. 开孔实验在三维编织复合材料上进行开孔实验，通过控制开孔形状、大小和位置等参数，制备不同类型的开孔样品。
开孔后，记录样品的长度、宽度、厚度等信息。
3. 剪切实验利用万能试验机对不同条件下的三维编织复合材料进行剪切实验，记录剪切力、剪切位移和剪切应变等信息。
4. 成像分析通过扫描电子显微镜和光学显微镜等方法，对开孔前后样品的内部结构和形貌进行成像分析，探究剪切性能改变的原因。
四、预期成果和意义本研究将探究三维编织复合材料开孔前后剪切性能的相关规律，预计能够得到如下成果：1. 揭示开孔对三维编织复合材料剪切强度和应变率的影响规律。
2. 探究不同开孔形状对三维编织复合材料剪切性能的影响。
3. 分析开孔前后三维编织复合材料内部结构的变化。
编织原理典型结构剖解三维四向三维五向(PPT-52)
RTM工艺特点
(4)增强材料预成型体可以是短切毡、连续纤维毡、纤维布、无皱折 织物、三维针织物以及三维编织物，并可根据性能要求进行择向增 强、局部增强、混杂增强以及采用预埋和夹芯结构，可充分发挥复 合材料性能的可设计性。 (5)RTM工艺的闭模树脂注人方法可极大地减少树脂的有害成分对 人体和环境的毒害，满足先进工业国家对苯乙烯等有害气体挥发浓 度越<0.4MPa)，有利于制备 大尺寸、复杂外形、两面光洁的整体结构。 (7)模具可根据生产规模的要求选择不同的材料，以最大限度降低成 本。
透波类
– 石英、高性能玻纤、 陶瓷复合材料系列
飞船返回舱 战略导弹
航天飞机
ALBANY的2D编织
ALBANY的3D机织
碳-碳复合材料 碳-陶瓷复合材料
美国NASA在1990年采用先进复合材料技术 （ACT）－关于复合材料机翼和机身主结 构计划启动，到1999年止得出的结论为： 编织方案特别适合于受复合载荷的机身框 和舱窗间加筋板，缝合机翼获得了成功。
RTM注射机
真空辅助成型工艺
辅助树脂被织物吸收，不仅可降低孔隙 率，预成形纤维更紧密，真空形成的负 压，树脂就顺真空通路沿预成形体各层 面流动，从而充分浸渍纤维，并使纤维 /树脂分布均匀。
多层织物真空辅助成型（视屏）
真空吸胶工艺
几种结构浸透性对比
A：多层机织布 B：多层针织布 C：正交三向机织布
中材科技股份有限公司 南京玻璃纤维研究设计院
• 南京玻纤院的立体织物经过三十多年的 发展，目前已拥有正交（非正交）非制 造织物、穿刺织物、三维编织织物、机 织立体织物、整体内联织物等多种结构 的立体织物及编织工艺、设备，是国内 工艺门类最全，提供织物最多的单位， 独创了双组份穿刺技术、整体封顶编织 技术、完整单元体结构的三维编织技术 等，已完成从模仿跟踪国外到自主创新 、集成发展的转化，现已成为国防科技 工业的重点配套单位，是我国立体织物 的研究、试制及生产基地。
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第16卷1999年第4期10月复合材料学报ACT A M AT ERIA E COM PO SIT A E SIN ICA V ol.16No.4Octo ber 1999收修改稿、初稿日期:1998-09-25,1998-08-25三维四向编织碳/环氧复合材料实验研究宝君杜严勇摘要讨论了三维四向编织碳/环氧复合材料力学性能研究的实验方法。
通过实验得到了弹性常数及反映材料非线性行为的力学性能指标随编织角的变化规律,并分析讨论了编织参数对该类材料破坏模式的影响作用。
关键词编织复合材料,力学性能,实验研究中图分类号T B332复合材料力学性能的实验研究在复合材料的开发与应用中发挥着重要作用。
尤其是在材料设计研究中,实验研究对于评价加工工艺及原材料性能对复合材料性能的影响具有十分重要的意义。
迄今已有许多种实验方法,其中有些方法比较简单,已经制定了标准;然而,有些实验方法涉及复合材料固有的复杂性,尚不够成熟,有待进一步进行研究。
三维编织复合材料是近几年开发研制的新型复合材料,在航空航天等高科技领域具有广阔的应用前景。
其性能表征及测试方法都未形成成熟的标准,需要进一步进行研究探讨。
A .B .Macander 等人[1]于1986进行了一组实验,结果表明,三维编织物能大幅度地提高复合材料强度和刚度。
Fukuta [2]对Carbon/epo xy 三维三向、三维四向及层合板材料冲击后的压缩强度进行了比较研究。
比较发现,三维编织复合材料的冲击压缩强度较层合材料高,说明其具有优秀的强度保持性。
L .W .Gause 等[3]通过实验证实良好的抗损坏性是复合材料三维编织结构所具有的突出特点。
F .K .Ko [4~5]用玻纤/环氧和碳纤/PEEK 完成了类似实验。
佐藤等[6]对火箭喷管用石墨材料、二维C /C 复合材料、三维C /C 复合材料的热冲击强度及其断裂韧性进行了实验研究。
实验结果发现,二维C/C 复合材料由于纤维强化面内和层合方向存在各向异性,导致层间剥离破坏。
而三维C/C 复合材料的热冲击破坏韧性是AT J 石墨的19倍以上,显示出其具有非常卓越的抗热冲击性能。
孙慧玉等[7]对编织复合材料的力学性能也进行了实验研究。
为了探讨三维四向编织复合材料力学性能与编织参数间的关系及编织复合材料力学性能的实验研究方法,以碳/环氧三维四向编织复合材料为对象进行了拉伸及压缩实验,得到了有关实验数据,并对实验结果进行了分析讨论。
1实验原理及方法利用岛津DSS-10T 材料试验机对试件进行加载,采用汉中中原电测仪器厂BA120-5AA-C15%应变计,通过KYOW A-DPM 613A 型动态应变仪测量其变形。
(南京鑫鼎纤维材料有限公司,210044试件材料为三维四向碳/环氧编织复合材料,由天津纺织工学院复合材料研究所研制。
基体材料为T DE -85#环氧树脂,增强纤维为T 300碳纤维,纤维束规格为12K ,采用树脂传递模塑(RT M 工艺制成。
拉伸试件采用板状形式,其尺寸如图1所示。
用铝片对板状试件的两端进行加强,为消除偏心拉伸给实验结果带来的影响,在试件的正反面分别粘贴纵向工作应变片R 1、R 2及横向工作应变片R ′1、R ′2,在补偿块上粘贴纵向补偿片R 3、R 4及横向补偿片R ′3、R ′4。
纵向应变利用由纵向工作应变片R 1、R 2及纵向补偿片R 3、R 4所组成的全桥线路进行测量;类似地,横向应变利用横向工作应变片及横向补偿片进行测量。
图1拉伸试件Fig .1Tensile specim en 图2压缩试件Fig .2 C om pres sion specimen图3压缩试件表面云纹干涉图Fig.3Th e interface diagram of compress ive specimen压缩试件尺寸如图2所示。
为消除偏心拉伸给实验结果带来的影响,在试件的正反面分别粘贴纵向工作应变片R 1、R 2及横向工作应变片R ′1、R ′2。
在补偿片上,粘贴纵向补偿片R 3、R 4及横向补偿片R ′3、R ′4,测量方法与拉伸实验相同。
图3为编织复合材料试件在纵向压缩时其侧表面的云纹干涉图。
由图可见,在压缩试件与试验机横梁相接触的局部区域存在不均匀应变区,除此以外从整体上看,试件的宏观变形是均匀的。
2实验结果的分析与讨论2.1材料弹性常数杨氏弹性模量随编织角变化的实验结果如图4所示。
图中E L 为纵向杨氏弹性模量,即沿编织方向的杨氏弹性模量。
E T 为横向杨氏弹性模量,即垂直于编织方向的杨氏弹性模量。
其中“▲”为通过拉伸实验测得的纵向杨氏弹性模量的实验点,“●”为通过压缩实验所测得的纵向杨氏弹性模量实验点。
从实验结果可见,由拉伸实验与压缩实验所测杨氏弹性模量均分布在一个带型区域内,随编织角(编织纤维束与编织方向的夹角的增加纵向杨氏弹性模量递减。
尽管实验点分散较大,但本文的实验结果与庞宝君[8]采用有限元法和等效夹杂法所进行的理论预报曲线具有相同的变化趋势。
实验点的分散可能137第4期庞宝君,等:三维四向编织碳/环氧复合材料实验研究与编织复合材料试样材质本身的分散、试件的装卡对中、测量的误差等因素有关。
横向杨氏弹性模量是通过压缩实验得到的,实验点与两种理论预报结果吻合均较好。
图4杨氏弹性模量Fig.4Youn g s m od ulus 图5横向应变系数随编织角的变化Fig.5Tr ans vers e strain r atio图5为不同编织角的横向应变系数实验结果。
图中 x z 实验点较为分散,但采用有限元法与等效夹杂法预报的理论曲线[8]也有显著的差异,从实验点的分布趋势来看,实验点介于两种理论预报曲线中间。
相对地说, zy 实验点分散度较小,且两种理论对 z y 的预报结果也比较一致, zy 实验点与两种理论预报曲线均比较吻合。
图6单轴拉伸应力-应变全曲线Fig.6T he uniaxial stress -s train curve 图7等效弹性模量随应变的变化Fig.7 Variation of effective elas tic m od ulus s s train2.2应力-应变曲线图6为编织角 =48.84°的三维四向碳/环氧编织复合材料拉伸卸载循环应力-应变曲线,即应力-应变全曲线。
应力-应变全曲线的包络线,可以作为拉伸应力-应变曲线。
曲线近乎双线性,而且,非弹性范围比弹性范围宽,呈现出较好的延性。
由应力-应变全曲线可见,随变形量的增加,卸载后再加载的模量逐渐减小。
其卸载后再加载的等效弹性模量随拉伸应变的变化如图138复合材料学报第16卷7所示。
最初,其等效弹性模量为常数,当达到初始破坏应变时开始减小,然后随变形量的增加而递减,当变形达到极限应变时试件断裂。
图7表明了复合材料内部损伤从发生、发展直至损伤积累到一定程度试件破坏的损伤演化过程。
四向编织复合材料轴向拉伸极限断裂应变是其应力应变关系的重要参数,其数值应与编织角、基体及增强纤维的极限断裂应变有关。
拉伸极限断裂应变随编织角变化的实验结果如图8所示。
由图可见,在限于所进行实验的编织角范围( =20°~50°内,拉伸极限应变随编织角的增加而递增。
图中曲线为对实验点进行拟合而得到的,其表达式为:u =(1-tg 2 f +tg 2m 其中, u 及 f 分别为三维四向编织复合材料及增强纤维沿轴向方向的拉伸极限断裂应变。
m 为基体材料的拉伸极限断裂应变。
图9为初始破坏应力及极限断裂应力随编织角的变化规律实验结果。
图中虚线为对初始破坏应力实验点进行拟合得到的曲线,实线为对极限断裂应力实验点进行拟合而得到的,近乎于直线。
类似地,在限于所进行实验的编织角范围内极限断裂应力随编织角的增加而线性递减。
极限断裂应力与初始破坏应力的差值与极限断裂应力的比值反映了材料非线性范围的大小。
由图9可见,在编织角 =20°~50°范围内,随编织角的减小其非线性范围逐渐减小,其编织复合材料的破坏由延性破坏趋向于脆性破坏。
图8拉伸极限应变随编织角的变化Fig.8Th e ultimate tens ile s tr ain 图9初始破坏应力及断裂应力Fig.9S tres s of impending failu re an d s tres s of fractu re2.3材料破坏模式分析图10为拉伸破坏及断口照片。
由断口照片可见,从基体中拔出的纤维束保持圆柱状。
图11为拉伸实验过程中试件表面云纹干涉图照片。
从宏观上来看,试件表面云纹基本上与试件轴线垂直,并比较均匀。
因此,试件表面可以看作是一个宏观均匀的应变场。
然而,沿轴线方向明亮条纹的分界线都在表面编织花节的分界线上,而编织花节分界线处是基体材料,可见在纤维束之间的基体存在较大的变形。
由此可见,在细观上编织复合材料内部的变形场是非均匀的。
139第4期庞宝君,等:三维四向编织碳/环氧复合材料实验研究图10拉伸破坏及断口Fig.10Failure and fractography of the ten sile ob liqueintersection图11拉伸试件表面云纹干涉图Fig.11T he interfere diagram of tens ile s pecimen 图12横向压缩剪切型破坏Fig.12S hear-failure und er lateral compress ion 图12为横向压缩剪切型破坏的照片(编织角 =21.98°。
由照片可见,破坏后的断口与压缩方向大约成45°方向,类似于铸铁压缩的破坏断口。
图13为横向压缩塑性型破坏的照片(编织角 =48.84°。
压缩后的试件呈腰鼓状,类似于低碳钢压缩屈服破坏。
从以上两照片的对比中可以发现,不同编织角的四向编织复合材料在横向压缩作用下,具有不同的破坏型式。
随编织角的增大其破坏形式将由编织角 =21.98°的“脆性”破坏过渡到编织角 =48.84°的“塑性”破坏。
图13横向压缩塑性破坏Fig.13Yield-failur e under lateral com pres sion 图14纵向压缩松散破坏Fig.14Relax ing-failure under axial comp res sion图14为编织角 =21.98°的纵向压缩松散型破坏照片。
当纵向压力达到一定数值时,基体材料丧失约束纤维束的能力,试件突然发生松散型破坏。
140复合材料学报第16卷第4期庞宝君, 等: 三维四向编织碳/ 环氧复合材料实验研究 141 3结论与讨论本文中探讨了编织复合材料力学性能研究的实验方法, 通过实验得到了关于三维四向碳/ 环氧编织复合材料力学性能的有关实验结果: ( 1 得到了三维四向碳/ 环氧编织复合材料的纵向弹性模量、横向弹性模量、横向应变系数随编织角的变化规律; ( 2 得到并分析了循环加载卸载的应力应变曲线的变化规律; ( 3 得到了一些反映材料强度及非线性行为的材料力学性能指标随编织角的变化规律; ( 4 分析讨论了编织角对材料破坏模式的影响作用。