【摘 要】
:
三维编织复合材料具有卓越的结构整体性,轻质高强和抗分层等特性。在大气环境服役过程中,热氧老化导致的三维编织复合材料结构件强度降解和退化是无法避免的问题。与此同时,老化降解的编织复合材料还可能受到各类冲击损伤的威胁,例如飞行器高速状态的飞鸟撞击和冰雹碰撞等。结构件的老化降解对其抵抗外部物体动态冲击能力造成显著的影响。因此,探讨和揭示三维编织结构复合材料在不同热氧老化环境下的动态力学响应,对编织复合材
论文部分内容阅读
三维编织复合材料具有卓越的结构整体性,轻质高强和抗分层等特性。在大气环境服役过程中,热氧老化导致的三维编织复合材料结构件强度降解和退化是无法避免的问题。与此同时,老化降解的编织复合材料还可能受到各类冲击损伤的威胁,例如飞行器高速状态的飞鸟撞击和冰雹碰撞等。结构件的老化降解对其抵抗外部物体动态冲击能力造成显著的影响。因此,探讨和揭示三维编织结构复合材料在不同热氧老化环境下的动态力学响应,对编织复合材料结构件的耐久性、安全服役性能和寿命预估具有至关重要的意义。本文旨在发现三维四向(3D4d)、三维五向(3D5d)编织结构复合材料大气环境热氧老化前后冲击断裂性质变化规律。采用实验和多尺度有限元相结合的分析方法,研究老化时间和温度对三维编织结构复合材料冲击断裂强度降解影响,揭示热氧老化后编织复合材料冲击断裂损伤机理,为编织复合材料在大气环境安全服役提供理论和实验参考。论文主要研究内容如下:(1)树脂浇注体和3D4d和3D5d编织复合材料老化处理。根据动态热机械分析实验方法(DMA)测试环氧树脂聚合物的玻璃化转变温度,并以此温度设定老化温度为90℃和180℃,老化时间为0、2、4、8、16天。(2)树脂浇注体和3D4d和3D5d编织复合材料老化前后性质变化实验表征。分别利用光学摄像设备,红外光谱分析表征热氧老化过程中环氧树脂聚合物表面形貌和化学性质变化;利用扫描电子显微镜(SEM)观察热氧老化过程中三维编织复合材料界面损伤情况。利用单轴动、静态压缩实验表征环氧树脂浇注体热氧老化后的力学响应。利用动、静态断裂实验表征3D4d和3D5d编织复合材料断裂行为和力学响应。(3)基于编织复合材料内部纱线真实交织情况,构建多尺度有限元模型。通过引入老化后树脂性质,预测微观结构纱线模型,中观尺度模型(内单胞,面单胞和角单胞)、宏观尺度均质模型的材料性质。根据上述计算结果,构建细观结构-宏观结构跨尺度有限元模型,探究热氧老化引起的树脂基体降解,纱线性质变化以及纱线/树脂基体界面性质改变对3D4d和3D5d编织复合材料冲击断裂力学性能影响,揭示3D4d和3D5d编织复合材料在大气环境中热氧老化后冲击强度降解机理。研究主要结论为:(1)温度和氧气相互作用促进了环氧树脂老化进程。当老化温度较低(90℃)或老化时间较短时,后固化作用主导环氧树脂力学性能增强;相反,当老化温度升高(180℃)、暴露时间延长时,环氧树脂内部大分子链段的热分解和表层小分子氧化成为影响树脂力学性能的主要因素。(2)在热氧老化过程中,编织复合材料老化降解不仅受到树脂基体热解和氧化影响,同时受到界面弱化的作用。老化时间和老化温度对三维编织结构复合材料冲击断裂性能有显著的影响。低温(90℃)老化16天时,环氧树脂基体的老化主导复合材料力学性能变化,编织复合材料冲击断裂强度受树脂基体后固化作用而增强。高温(180℃)老化16天时,编织复合材料纱线/基体界面性能减弱。界面性质弱化和树脂基体热氧老化降解共同导致编织结构复合材料冲击断裂性能急剧恶化。(3)通过多尺度有限元法,成功预测90℃和180℃老化16天时编织复合材料宏观均质模型材料性质。根据纱线在编织结构内的实际交织情况建立中观尺度的编织结构内单胞,面单胞和角单胞模型,并进一步推导面、角单胞模型的周期性位移边界条件施加方程。通过引入老化树脂在动态情况下弹性参数,预测微观尺度纱线单胞,中观尺度编织内单胞,面单胞和角单胞性能。最终,将得到的中观尺度单胞模型性能赋予均质模型,得到90℃和180℃老化16天时3D4d和3D5d编织复合材料宏观均质模型材料性质,对编织复合材料部件在老化环境中的设计和使用具有重要指导意义。(4)基于细观结构-宏观结构跨尺度有限元模型方案,有效模拟3D4d和3D5d编织结构复合材料老化后动态断裂力学响应和损伤形貌。结果显示:3D4d和3D5d编织复合材料模型所得冲击断裂载荷位移曲线均与实验结果吻合性良好。编织增强体是主要的承力结构,对于3D5d编织复合材料模型,内部轴纱应力水平高于编织纱线。纱线/树脂基体界面弱化导致180℃老化的复合材料模型呈现较低的应力分布和最严重断裂损伤。界面弱化导致应力不能有效在树脂基体和纱线结构之间传递,造成增强体结构应力水平较低,增强体结构承担总应力减小,复合材料模型整体冲击断裂性能随之降低。引入轴纱提高了3D5d编织复合材料抵抗冲击断裂的能力,从比能量吸收角度分析,冲击断裂过程中,轴纱贡献了最大能量吸收能力。本文研究结果阐明了老化时间和老化温度对3D4d和3D5d编织复合材料冲击断裂性质影响规律,从树脂基体热氧老化降解和纱线/基体界面损伤揭示了编织复合材料老化后冲击断裂性质降解机理。研究结果对服役于热氧老化环境中的编织结构复合材料的结构设计和材料选择具有指导价值。
其他文献
由于冬季供暖政策和相关设计标准的规定,我国夏热冬冷地区的居住建筑迄今为止未布置类似中国北方地区的集中连续供暖系统。这一气候区冬季的典型气候特征为潮湿寒冷,故建筑的室内热环境质量较差。为改善较差的室内热环境,近10年来,家庭独立供暖在夏热冬冷地区已逐渐成为一种普遍的行为,并具有“人在供暖、人离停暖”的按需间歇供暖模式特征。另一方面,由于这一地区夏季炎热并存在梅雨季,故环境空气通常表现为高温高湿的特征
Spinning is the textile industry’s lifeblood industry,where the fibre is drawn out,twisted,and wrapped onto a bobbin by using state-of-the-art twisting techniques.Textile intelligent spinning systems
近年来,一维纳米材料因其出色的结构与功能特性得到迅速发展,逐渐成为功能纳米器件领域的重要组成部分。它的合成方法多样,包括液相法、模板法、电化学沉积法等,但由于合成后排布的无序性,一维纳米材料无法在功能器件中发挥其独特的结构优势,因此对一维纳米材料进行有序化组装是其应用的重要一环。界面工程指通过调控溶剂之间的表面张力、密度等参数,在多相界面处发生的物理化学过程。它作为一种纳米材料的组装方法,具有高效
WC-Co硬质合金具有优异的硬度、韧性、耐磨性及抗弯强度等性能,被广泛应用于切削工具、钻探工具、拉拔模具、耐磨涂层等领域。但是,Co是稀缺的战略资源,在众多领域的需求都在不断增加。我国Co资源贫乏,主要依赖进口。为应对Co需求增加和资源稀缺问题,许多学者开展了无Co硬质合金的研究。其中,WC-Al2O3复合材料具有较高的硬度和优异的耐腐蚀性能,是一种有应用前景的无Co硬质复合材料。然而,脆性依然是
三维机织结构复合材料具有轻质高强、高效净型制造、可设计性优异等特点,在结构工程材料领域具有巨大的应用潜力。近年来,三维机织复合材料开始被用于制造发动机涡轮叶片、飞机起落架等。在复杂极端服役环境中,比如飞机在高空将长时间处于-50℃低温环境,复合材料结构件将遭遇偶发的冰雹、飞鸟冲撞,以及维护工具掉落碰撞等,因此研究三维机织复合材料低温环境下的动态冲击响应及热力耦合失效机理,对于复合材料结构件设计以及
电致变色材料的研究已有50多年的历史,电致变色器件在组装形式、电致变色效果、材料的种类等方面都取得了较大的进展。近年来,多孔结构电极因有效的提高了电致变色器件的各项性能而受到广泛关注。然而随着柔性电子、可穿戴设备和人工智能等领域的飞速发展,以及器件集成化和微型化的大趋势下,基础研究和产业界均对电致变色领域提出了高柔性、多色彩以及多功能性等新的需求。多孔电极及器件在和满足以上迫切需求和实现新功能的过
随着新一代生物医疗器件和可穿戴电子设备的发展,心脏起搏器、脑部传感器、脊椎刺激器等越来越多的器件应用于健康医疗领域。但仍旧存在着炎症反应、外接电池供电、器件失效后需要二次手术将其取出等问题。因此,制备具有良好生物相容性、可植入体内供电、可体内降解吸收的植入式自供能电子器件及连接导线具有重要意义。摩擦纳米发电机可以将机械能转变为电能,为其它电子器件供能,然而制备具有优异输出性能、高灵敏度的全降解生物
太阳能蒸汽发生器作为一种环境友好的清洁能源技术能有效缓解全球水资源短缺的难题,其中太阳能驱动界面水蒸发能将太阳能局域于空气-水界面处加热,以减少热量损失和提高热能利用率,从而被作为水净化的一种有效途径。通过对光热材料、光热体系的热管理以及水传输供应这三大影响因素进行调控,能有效调节光热体系的水蒸发速率和效率。近年来,各种光热材料如金属基、碳基、半导体基和聚合物材料已被广泛应用于光热界面的构筑,但也
为提高车辆的抗侧倾性能,主动横向稳定杆技术已成为研究的热点。磁阻电机式主动横向稳定杆采用磁阻电机作为驱动装置,与无刷直流电机和液压泵驱动的主动横向稳定杆相比,具有结构简单、无退磁、响应快及良好的抗堵转能力的优点。然而,磁阻电机式主动横向稳定杆是由机械、电磁和电气控制参数多参量耦合的典型机电复合传动系统。针对系统存在多参量耦合特性,本文从机电耦合角度出发,开展机械-电磁耦合下系统的非线性振动和电气-
疝是人体组织或器官部分离开正常解剖位置,从先天或后天形成的缺损、薄弱部位或人体组织间隙进入另一部位的一种疾病。如今,疝修补术是世界上最常见的普通外科手术之一,在美国每年有数百万人受此影响。自从1950年代第一例使用补片材料来修补疝缺损以来,已经出现了许多种补片,大量报道已显示使用补片确实改善了手术结果。然而,慢性疼痛、感染、瘘管、力学支撑失效、疝复发等并发症在手术后仍然很常见,导致这些并发症的主要