论文部分内容阅读
短纤维增强热塑性复合材料由于其较好的力学性能、易加工性、可回收性以及较低的生产成本,而在医疗、电子、汽车、航空航天以及军事等领域得到了广泛的应用。作为一种高性能热塑性材料,聚醚醚酮（Polyetheretherketone,PEEK）及其复合材料具有高强度、高模量、耐冲击、耐腐蚀等优异性能,在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。目前关于PEEK基体及复合材料的研究主要集中在其准静态力学性能试验、损伤行为分析和本构模型等方面。然而,对PEEK复合材料的动态力学性能测试和失效机理研究却相对匮乏,导致对PEEK复合材料的率相关力学行为和破坏机理的认识也不够深入。另一方面,随着航空结构设计对轻量化和高能源效率的持续追求,结构的非线性动力学问题越来越突出,迫切需要更进一步的研究航空材料的动态力学性能。因此,本文针对短纤维增强PEEK复合材料在动态载荷作用下的力学行为和破坏机理开展了系统的试验研究,重点分析了应变率、增强相和温度对短纤维增强PEEK复合材料力学失效行为的影响规律,并建立了相应的力学本构模型。本文的主要工作内容以及得出的重要结论如下:（1）采用电子万能试验机和分离式Hopkinson压杆,开展了PEEK复合材料在准静态和动态压缩加载下力学行为的试验研究,通过高速摄像机和扫描电镜表征了试样的变形、破坏过程以及断口形貌特征,结合应力应变响应,分析了材料的率相关失效特性,揭示了界面性能的率敏感性及其对材料破坏机理的影响规律。结果表明,PEEK复合材料的应变率敏感性相比PEEK基体更明显,且短纤维的加入使材料的压缩强度得到了明显的提高。PEEK复合材料的压缩破坏应变会随应变率的提高而降低,其主要的失效形式均为纤维与基体之间界面脱粘和纤维拔出,其应变率敏感性主要源于纤维与基体之间界面的应变率敏感性;在高应变率下,材料剪切变形所引起的局部生热会导致基体相变,进而弱化界面层的粘结作用、促进裂纹的快速扩展以及材料的最终破坏。因此,界面性能是影响短纤维增强PEEK复合材料压缩性能的一个主要因素。另一方面,通过对比研究注射成型和挤压成型的短玻璃纤维增强PEEK复合材料（SGFR-PEEK）试样发现,制备工艺所导致的纤维角度分布,会对材料的应变率敏感性和延展性产生显著影响;相比之下,注塑成型材料的延展性更高。（2）开展了PEEK复合材料在常温下的准静态和动态拉伸力学试验研究,采用数字图像相关（DIC）技术测量了试样表面的位移场和应变场,得到了不同应变率下的应力应变曲线,结合能量色散X射线谱（EDS）和扫描电镜（SEM）检测,分析了材料在准静态与动态拉伸载荷作用下变形和破坏机制的差异性,揭示了PEEK复合材料的率相关失效机理。结果表明,PEEK基体的拉伸强度并无明显的应变率敏感性,而它的破坏应变则随着应变率的提高而有所降低。但短纤维增强后的PEEK基复合材料的拉伸强度却显现出明显的应变率敏感性,且破坏应变随着应变率的提高而有所提高,这种应变率敏感性的变化主要是由于PEEK复合材料在准静态和动态下的破坏机理的不同造成的。与压缩加载下的结果类似,界面强度的应变率敏感性在PEEK复合材料拉伸破坏机理中扮演着非常重要的角色,但材料拉伸性能对界面率敏感性的相关性更强,且不会受到基体相变的影响。与准静态下相比,动态拉伸加载下拔出纤维的表面更粗糙、附着更多的树脂基体,界面断裂韧性更高;在动态下,通过对比碳纤维和玻璃纤维两种增强相发现,短碳纤维增强PEEK复合材料（SCFR-PEEK）的主要破坏形式为界面层的脱粘以及纤维的拔出,而SGFR-PEEK复合材料的拉伸强度则由纤维破坏主导。（3）开展了PEEK复合材料在高温（100°C）与低温（-30°C）环境下的准静态和动态拉伸试验研究,结合断口表面形貌特征的分析,阐述了PEEK复合材料力学行为对温度的敏感性,以及应变率效应和温度效应的相关性。结果表明,PEEK基体及其复合材料的拉伸强度和破坏应变均表现出显著的温度敏感性。高温下,PEEK基体界面韧性的提高和强度的下降是影响PEEK复合材料破坏机理的主要因素;反之,在低温下则为韧性的降低和强度的提升。在高温下,PEEK复合材料的主要破坏形式为界面层的脱粘以及纤维的拔出,而在低温下由于基体和界面韧性的降低导致纤维破坏起主导作用。另一方面,PEEK复合材料拉伸强度和破坏应变对应变率的敏感性也会受到温度效应的影响。（4）建立了考虑温度效应和应变率效应的改进后的唯象本构模型和ZWT本构模型,并基于系统的力学性能测试数据,分别确定了PEEK复合材料的本构参数,对PEEK复合材料在不同加载条件下的力学响应进行了描述;其中唯象本构模型通过描述时温效应的WLF方程对Maxwell模型部分进行改进,而ZWT本构方程则通过引入参数和温度的函数关系予以改进。本文所建立的本构模型对拉伸应力应变响应吻合效果较好,对压缩应力应变响应的拟合略有不足;对比两种本构模型,改进后的ZWT模型对线性段应力应变曲线的描述更为精确,改进后的唯象本构模型的优势则是可采用一套参数描述材料在不同温度及不同应变率下的应力应变响应。本文所获得的本构模型可应用于类似的短纤维增强热塑性复合材料结构的仿真分析和结构设计。