单层高厚石英织物的设计及其可成型性研究

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雷达罩作为雷达发送天线和接收天线的保护罩,除了要承受苛刻的服役环境对材料及结构的承载提出的严峻考验,还必须以最小的损失和失真来传送雷达信号,这就需要严格控制材料的均质性和尺寸容差。以高性能石英纱线制备的二维机织层合结构树腊基透波复合材料是适应这种需求的重要候选材料。其中,石英纱线由于具有相对较高的抗张强度和模量以及优良的介电性能,是目前研制高性能雷达罩的理想增强材料。而合理选择和设计石英纱线增强相的传力路径,是进一步提高树脂基复合材料雷达罩性能的关键。  复合材料雷达罩增强相传力路线的技术工艺主要包括短纤维增强技术,针刺连接技术,二维机织技术和三维整体预成型技术等多种形式。相比其它的技术工艺,以二维机织结构作为增强相可以显著地提高材料的面内性能,同时提供了优越的抗冲击性能。而采用石英纱线织造的单层织物通过层叠铺覆的工艺实现雷达罩预成型体的制备是目前的主流制备工艺。其中,石英纱线织物的结构形态主要有平纹、斜纹两种类型。平纹布采用33Tex和51Tex的石英纱线织造,厚度仅为0.1mm和0.14mm,纱线弯曲程度较大的平纹结构造成织物强度损失较大;另外斜纹多采用细度高于72Tex的石英纱线织造,较粗石英纱线的使用降低了树脂对纤维的浸润性能,进而出现树脂基雷达罩在高升温速率热冲击条件下开裂、分层破坏以及力学性能不高的问题,严重制约了雷达罩综合性能的提高。  本文主要以58Tex的超细石英纱线为研究对象,通过定义正切函数表示法精确描述经纬纱线在织物中的屈曲波形,建立石英纱线在织物中的结构相模型,描述了经纬纱不同阶段的屈曲波形与织物的织造密度,织造厚度等织物结构参数的相互关系。基于织物结构相的分析理论,设计并制备了3种织物结构(平纹、五枚缎纹和八枚缎纹),3种经纱密度(360根/10cm、280根/10cm、200根/10cm)、3种纬纱密度(200根/10cm、160根/10cm、120根/10cm),共27种织物,研究了交织结构、经、纬纱密度等结构工艺参数对织物厚度的影响。通过合理的织物结构设计和工艺控制,实现采用细度低于60Tex石英纱线织造厚度大于0.26mm高厚度织物,从而减少铺层数量,降低层间缺陷,为设计单层高厚仿形织物的组织结构优化奠定了基础。  采用像框测试方法,对设计织造的27种单层高厚石英织物的剪切性能进行试验研究。对传统的像框剪切装置进行了改进,减小了像框在运动过程中产生的摩擦力,保证了织物在试验有效区域内的纯剪切行为。测试了不同结构参数的单层高厚石英织物的载荷-位移曲线,表征了织物结构参数和剪切性能的关系。基于单层高厚八枚缎纹石英织物的细观单胞模型,建立了单层高厚八枚缎纹织物经、纬向纤维束在交叉处的摩擦力矩模型及剪切锁定后纤维束的挤压力矩模型。通过织物剪切锁定前和锁定后两个阶段的力矩平衡方程,获得剪切载荷和剪切角的关系曲线,并通过试验曲线对理论分析结果进行对比验证。  利用二维平面织造技术,将三维锥形曲面设计为平面双层锥形轮廓,实现三维曲面织物的二维仿形平面织造,并通过铺覆成型的方法完成三维锥形曲面织物的成型。基于连续介质的假设,采用有限变形理论描述了单层高厚缎纹织物的大变形行为,通过建立固定坐标系和材料坐标系,得到两种坐标系下本构矩阵的转换关系并建立了织物的本构模型。基于有限元软件ANSYS平台下,对采用单层高厚石英织物制备的二维仿形锥面缎纹织物的铺覆成型进行了模拟,并验证了本构模型以及子程序的正确性。
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