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三维编织复合材料结构合理,整体性好,异型件可一次编织成型,克服了传统复合材料层合板层间性能差、抗冲击性能低和损伤容限低的缺点,因而广泛应用于航空航天、国防军工、汽车制造、生物医药以及民用基础建设等多种领域。材料的力学性能决定着其应用前景,因而要正确地认识其力学性能,其中,拉伸是更多复杂载荷下的最基本承载条件。然而,目前国内外并无针对三维编织复合材料拉伸性能测试的标准,现有关于三维编织复合材料拉伸性能方面的试验研究也主要集中在编织结构、切边状况、纤维体积含量、编织角度等方面,而极少研究试件尺寸效应(试件长度、宽度和厚度)对其拉伸性能的影响情况,因此仍需要进行大量的理论和实验研究来揭示其力学性能。本论文分别研究了试件长度、宽度和厚度的变化对三维编织复合材料拉伸性能和试验重演性的影响,旨在为制定适合于三维编织复合材料的拉伸试验方法提供一部分参考。
课题利用四步法三维编织技术和树脂传递模塑技术制造三维编织复合材料,详细介绍了试样各组份材料及其相关物理参数以及试件成型过程所涉及的各个工艺步骤。文中对编织角为20°的三维四向编织T400/TDE86复合材料分别设计了七种不同尺寸的试件,重点研究试件的尺寸效应对材料拉伸强度、模量和泊松比的影响,并分析了试件长度、宽度和厚度的变化对拉伸试验重演性的影响。
研究表明,对于编织角为20°的三维四向编织复合材料,七种不同尺寸试件的拉伸破坏均属于典型的脆性断裂,试件尺寸的改变对材料应力-应变关系没有影响。分析发现厚度的改变对拉伸性能的影响最为明显,长度的改变影响最小。随着试件长度的增加,其拉伸强度仅有小幅度下降,而拉伸模量和泊松比几乎没有变化。随着试件宽度的增加,拉伸强度和模量均逐渐下降,而泊松比有稍微的增大。随着试件厚度的增加,试件拉伸强度会下降,但幅度较小,拉伸模量也逐渐下降,而泊松比增大趋势明显。对比试件尺寸效应对拉伸试验重演性的影响,表明试件长度和宽度对试验重演性的影响较大,从试验重演性角度考虑,试件长度应选择250mm,宽度选择25mm为宜。试件厚度对试验重演性的影响不明显,结合三维编织复合材料的结构特点以及实际生产应用情况,试件厚度通常选择2-5mm,当然,也可根据实际需要选择厚度更大的试件。