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与普通三维机织物体积相当的情况下,三维整体空心机织物具有更轻的质量;与一般的空心结构相比,三维整体空心机织物表现出优异的结构整体性,避免了普通空心结构层间粘接不牢、易脱层的缺点。基于这两大优势,三维整体空心机织物复合材料的性能/质量比将大大提高,是未来材料发展的一大趋势。研究与开发空心结构纺织复合材料已成为复合材料发展的实际需要并已成为国外发达国家研究与发展的重点之一。
本文采取理论与实际相结合的方式,设计了多种经向截面为六边形的三维整体空心机织物结构,分析了其结构特点。通过实际制织多种三维整体空心机织物及其复合材料并进行复合材料准静态、落锤冲击、落锤冲击后的压缩性能测试,获得了如下结论:
影响三维整体空心机织物复合材料准静态冲击时能量吸收性能的因素主要包括织物结构;纤维原料;纤维体积含量以及试样厚度。当采用相同的纤维原料而织物结构不同时,其能量吸收性能主要织物结构内六边形的面板长度B、接结长度A、D处接结方式以及C处汇合方式决定;当采用相同的织物结构而纤维原料不同时,纤维原料的拉伸强度越大、拉伸模量越小,能量吸收性能越好,纤维的断裂伸长率越大,其能量峰值较大;纤维体积含量对能量吸收性能影响较小,当试样的纤维体积含量在较大的范围内波动时,试样的单位厚度总吸收能量在很小的范围内波动:试样厚度对单位纤维体积含量总吸收能量有一定的影响。
影响三维整体空心机织物复合材料落锤冲击时能量吸收性能的因素同样包括织物结构;纤维原料;纤维体积含量以及试样厚度。当采用相同的纤维原料而织物结构不同时,织物结构的空心效果越明显,复合材料单位总吸收能量越少;当采用相同的织物结构而纤维原料不同时,在其他因素相同或相近的前提下,纤维的拉伸强度越大,拉伸模量越小,复合材料能量吸收性能越好;纤维体积含量与复合材料单位厚度总吸收能量存在近似二次方的关系;试样厚度变化较大时,厚度对其能量吸收性能影响较大,随着厚度的增加,其单位纤维体积含量总吸收能量增加。
对三维整体空心机织物复合材料进行冲击后的压缩性能测试,结果表明:当采用相同的纤维原料时,试样的残余压缩强度相近,残余压缩强度与冲击能量呈现近似线性关系;当采用不同的纤维原料时,纤维原料的拉伸模量是影响其残余压缩性能的一个关键因素。
本文以三维结构作为基本单元设计了多种三维整体空心机织物结构,是对传统三维机织物结构设计的一种创新,研究了三维空心机织物结构对复合材料抗冲击性能的影响;在复合材料力学性能研究方面,对三维整体空心机织物复合材料进行了冲击后的压缩性能初探。