增韧-定型双功能织物的制备及其复合材料性能研究

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层合复合材料由于具有轻质高强等优良的力学性能,在各个领域都得到了广泛的应用,但因受到外来冲击时容易发生层间的分层损伤导致材料使用寿命缩短、力学性能下降等问题,所以抑制分层、提高复合材料断裂韧性成为该领域研究的重点。本文基于层合复合材料的层间增韧思想设计并制成一种预定型-增韧双功能的织物,使其在复合材料制作过程中无论是前期的铺层阶段还是后期复合材料力学性能测试阶段都能比未处理样品性能得到较大提升。研究主要结果如下:  通过梳理和热压工艺设计并制作出前期“预定型”织物,探究了基布和定型材料、增韧材料的结合方法以及定型剂/增韧剂比例,结果表明:在增韧剂和定型剂附着方式上,相比分层模式,混合模式更能表现出织物性能的优越性。此外,研究还发现合适的定型剂克重区间为15-20g/m2,合适的增韧剂克重区间为15-40g/m2。定型剂加增韧剂含量占织物总克重的7%-13%为合适的比例区间。  在复合材料力学性能测试阶段,在尽可能减少定型剂含量的情况下,增韧剂含量在20-30g/m2区间内能提供复合材料较好的层间韧性。10g/m2PP+20g/m2PI有最小的损伤面积,10g/m2PP+30g/m2PI有最大的断裂能量释放率。定型剂(PP)对复合材料层间韧性增加略有阻碍作用,但是无论是单独使用增韧剂(PI)还是与定型剂混合使用,都能使复合材料层间韧性得到大幅提升,并且随着增韧剂克重的增加呈现一个先上升后下降的趋势。此外,通过电镜发现聚酰亚胺短纤维在树脂中的无序分布以及其对上下层间的桥联作用是复合材料增韧的主要原因。  有限元分析结果表明,刚度、能量释放率是影响模型断裂韧性的主要因素。在分层失效阶段,刚度越大越容易导致层间应力的突然下降从而发生裂纹扩展现象;能量释放效率越大,材料拉伸载荷和位移都随之增大,增韧层赋予的塑性耗散能越大整体能量释放率的越大,表现为材料层间韧性的增加。对于低速冲击模型来说,复合材料板吸收的内能和粘性损耗是主要的能量吸收方式,反映在模型上为节点单元的应力应变随时间的波动,这与树脂基体受到破坏、基体和纤维的界面脱粘以及纤维断裂和部分纤维从基体树脂中的拔出有关。
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