随着现代工业的飞速发展,迫切要求开发不仅具有轻量化、耐腐蚀而且具有高强度、耐磨损和可设计性强的功能性材料。传统的纤维增强复合材料由于强度、稳定性和耐磨性不足,难以适应条件较为苛刻的工作环境,如撞击、冲击、挤压、拉拔、震动、摩擦等,严重制约了其发展。本文利用稳定性好、取向性和可设计性强、树脂浸润性和导流性能优异的多轴向碳纤维经编织物(MWKCF)制备复合材料,通过研究复合材料的制备工艺、力学性能及摩擦性能,旨在开发一种高强度、耐磨损和高可靠性的多轴向碳纤维经编织物增强复合材料(MWKCFC),延长复合材料在苛刻工况下的使用寿命,为MWKCFC的工程应用提供理论依据及指导。本文研究内容主要有以下几个方面:(1)为解决MWKCFC制备过程中产生的性能缺陷,首先对复合材料的制备工艺进行优化,包括碳纤维表面预处理方法、树脂固化工艺、真空工艺及复合材料表面质量。纤维预处理包含4种MWKCF纤维,依次是二轴(±45°)、二轴(0°/90°)、三轴(±45°/90°)、四轴(﹣45°/0°/﹢45°/90°)。研究表明复合材料的制备工艺极大影响着MWKCFC的各项性能,纤维预处理能显著提高纤维与树脂的界面性能,真空工艺能显著改善MWKCFC的内部缺陷,经真空处理后的二轴(±45°)复合材料冲击强度可达50KJ/m~2,压缩强度可达308.6MPa,较未真空处理相比强度提高幅度超过40%。采用树脂脱模剂进行脱模能有效改善MWKCFC的表面质量。(2)利用悬臂梁冲击试验机和万能试验机对4种MWKCFC的冲击性能和压缩性能进行测试,通过显微镜探查损伤区域形貌,揭示复合材料的损伤及破坏机理。通过对4种复合材料的冲击性能进行分析,发现4种MWKCFC均有较好的冲击性能,其中三轴(±45°/90°)复合材料表现的最为突出,在11J冲击能量下,冲击强度可达109.38KJ/m~2,其冲击强度是二轴(±45°)的2.18倍,是二轴(0°/90°)的1.5倍,是四轴(﹣45°/0°/﹢45°/90°)的1.7倍。研究4种MWKCFC冲击损伤形式,发现不同编织结构的MWKCFC损伤模式及损伤机理不同,不同角度的铺层纤维对冲击性能的贡献不同,其中90°铺层纤维对冲击性能的贡献最大,±45°次之,0°最差。对4种MWKCFC的压缩性能进行分析,发现MWKCFC的压缩强度随着织物铺层角度的增加而增大,二轴(±45°)、二轴(0°/90°)、三轴(±45°/90°)压缩强度依次是308.6MPa、457.75MPa、516.6MPa,四轴(﹣45°/0°/﹢45°/90°)复合材料的压缩强度最大,可达696.8MPa,可见增加织物铺层角度,可改善MWKCFC的压缩性能。通过研究不同增强结构的复合材料压缩失效模式,发现织物铺层角度增多,复合材料破坏变得困难,裂纹扩展受到的阻力增大,复合材料的承载能力增强。(3)利用球盘式摩擦磨损试验机、扫描电镜和激光共聚焦显微镜对MWKCFC摩擦性能进行研究。通过测试转速、载荷、温度等不同工况对MWKCFC摩擦性能的影响,发现随着载荷、转速的增加,摩擦系数和磨损率有下降趋势。在转速为800r/min,加载为20N时,摩擦系数有最小值0.108左右。温度相比于转速和载荷,对MWKCFC的摩擦性能影响较大,随着温度的升高,MWKCFC摩擦系数和磨损率呈快速增大趋势,说明MWKCFC适宜在较低温度环境中使用,高温会使复合材料表面加速破坏。通过进一步对比传统平纹碳纤维织物增强复合材料和MWKCFC摩擦磨损性能,发现MWKCFC有明显的摩擦性能优势,在同样工况下,MWKCFC摩擦系数相比平纹降低35%,摩擦稳定性更高,这充分表明了MWKCF增强复合材料不仅可获得优异的力学性能,也能获得良好的摩擦性能。