三维编织复合材料冲击压缩性质的低温效应

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三维编织复合材料不需要机械加工可一次成型复杂的工程部件,具有很好的整体性和细观可设计性,在冲击载荷作用下具有很好的抗分层能力。由于以上优点,三维编织复合材料成为航空、航天等领域的重要结构材料。三维编织复合材料在实际应用中会受到低温与冲击载荷条件,研究三维编织复合材料在低温下动态冲击行为对于部件设计和安全使用具有重要意义。本文依据试验要求成功搭建分离式Hopkinson压杆测试系统和低温装置,探索低温下动态冲击压缩测试技术。根据试验要求通过三维四步法编织和真空辅助树脂传递模塑成型工艺完成三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料的制备。利用研制的低温动态冲击压缩测试技术对三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料和环氧树脂基体的冲击压缩性能测试,分别测试材料在-100℃、-50℃和23℃三个温度点以及不同冲击气压(应变率)条件下的压缩性能,结合环氧树脂基体的温度动力学性能测试,研究三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料冲击压缩性质的低温效应和应变率效应。具体方法和结论如下:(1)采用DMA-Q800对环氧树脂进行热力学性质进行测试,进行-100℃到25℃间的温度扫描。测试结果表明,环氧树脂的存储模量、损耗模量和损耗角正切随着温度的升高而降低。(2)利用设计的低温冲击压缩测试系统对三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料和环氧树脂浇注体进行压缩测试,得到不同应变率和温度下的应力应变曲线。研究发现三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料和环氧树脂浇注体具有明显的温度和应变率效应。(3)结合环氧树脂低温条件下热力学性质以及环氧树脂浇注体低温下的冲击压缩性质,对三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料和环氧树脂浇注体的冲击压缩应力应变曲线进行分析。研究发现环氧树脂浇注体的失效应力和压缩模量随着温度的升高而降低,而压缩模量随着应变率的升高而升高。三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料的压缩模量、失效应力及比能量吸收随着温度的升高而降低,面外压缩方向的失效应变随着温度的升高而升高;随着应变率的升高,压缩模量、失效应变、失效应力及比能量吸收升高。三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料在低温环境下的冲击压缩性质受环氧树脂基体和增强体结构影响,压缩模量由基体主导,失效强度主要受三维编织增强体影响。三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料在面外方向的失效模式主要为高应变率下的剪切破坏和低应变率下的基体开裂,面内方向的失效模式主要为增强体变形和基体碎裂,在低温场下随着温度的降低三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料表现出更明显的脆性破坏。
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