【摘 要】
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碳纤维增强环氧树脂复合材料（CF/EP）-铝蜂窝夹芯结构由于具备优异的力学性能,在工程领域有着广泛应用。然而由于CF/EP面板与铝蜂窝芯体材料的性能差异较大,且二者之间的界面层性能较弱,在实际服役过程中,结构容易出现界面裂纹损伤和分层断裂破坏,极大影响该复合材料的整体性能和使用寿命。芳纶纤维增韧是一种适合CF/EP-铝蜂窝夹芯结构的界面增韧方法,但是对于采用芳纶短纤维增韧后该夹芯结构具体界面性能的
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碳纤维增强环氧树脂复合材料（CF/EP）-铝蜂窝夹芯结构由于具备优异的力学性能,在工程领域有着广泛应用。然而由于CF/EP面板与铝蜂窝芯体材料的性能差异较大,且二者之间的界面层性能较弱,在实际服役过程中,结构容易出现界面裂纹损伤和分层断裂破坏,极大影响该复合材料的整体性能和使用寿命。芳纶纤维增韧是一种适合CF/EP-铝蜂窝夹芯结构的界面增韧方法,但是对于采用芳纶短纤维增韧后该夹芯结构具体界面性能的提升效率如何、界面破坏形式是否较增韧前有明显改变以及界面增韧效果所对应的微观机理解释,目前缺乏针对性的研究和可量化的数据。因此,本文从宏观实验测量和微观SEM图像观测两方面,研究了低密度芳纶短纤维的界面增韧效果和增韧机制。本论文的主要工作内容如下:1.芳纶短纤维增韧薄膜及夹芯梁试件的制备方法研究:将芳纶纤维布裁剪为纤维长度为6mm的短纤维束,并采用“离心分散法”将6mm长度的纤维制备为面密度为（6.2±0.2）g/m~2的低密度芳纶短纤维增韧薄膜,用于复合夹芯结构界面层的增韧。随后采用热压固化工艺分别制备了含有和不含短纤维增韧薄膜的两类CF/EP-铝蜂窝夹芯梁试件,作为后续实验的实验组和対照组。2.增韧与未增韧试件界面断裂韧性指标的宏观定量测量与分析:参照ASTM D5528–01标准设计了测量实验所需夹芯梁试件和夹具的尺寸。采用非对称双悬臂梁（ADCB）实验,对芳纶短纤维增韧/未增韧试件的临界能量释放率GC和临界载荷P进行了定量测量,对准静态加-卸载循环过程中界面裂纹扩展的规律进行了描述和必要说明,并对实验过程中的典型位移-载荷曲线、典型界面裂纹扩展距离-临界载荷散点图、界面临界能量释放率和临界载荷对比图等进行了分析,从宏观数值层面证明了芳纶短纤维显著的增韧效果。3.芳纶短纤维发挥增韧作用的微观机理研究:使用扫描电镜观察和分析了两类夹芯梁界面的断面形貌与特征。微观观测结果显示,在界面裂纹扩展的过程中,芳纶短纤维不仅可以部分嵌入蜂窝壁板周围的树脂“圆角富余区”形成更为复杂的“复合圆角结构”,避免蜂窝壁板因与面板接触面积过小、结合强度较弱而被拔出,同时还可以在夹芯结构的界面层形成“桥联增韧结构”,进一步增强面板与芯体之间的界面结合性能,并通过纤维剥离、纤维拔出、纤维断裂等行为增加界面断裂破坏所需要的临界能量释放率和临界载荷,发挥界面增韧的作用。
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