熱塑性復(fù)合材料層合曲梁的制備及力學(xué)性能研究.pdf

1、復(fù)合材料憑借其優(yōu)越的使用性能、結(jié)構(gòu)和功能的可設(shè)計(jì)性，成為航空航天、汽車、船舶等眾多產(chǎn)業(yè)的首選材料之一。其中，樹脂基復(fù)合材料更是結(jié)合了聚合物基體和增強(qiáng)纖維的優(yōu)勢(shì)，滿足高強(qiáng)度、低質(zhì)量、低成本以及結(jié)構(gòu)功能一體化的使用要求，吸引了諸多行業(yè)的關(guān)注，使得復(fù)合材料在工業(yè)化生產(chǎn)階段的使用率以很快的速度持續(xù)增長(zhǎng)。
　　然而，熱固性樹脂基復(fù)合材料在使用過程中存在著一些缺點(diǎn)，如韌性差、抗沖擊損傷能力不足等。雖然熱塑性樹脂具備良好的韌性及物理性能、可反復(fù)

2、使用、成型時(shí)間短，熱塑性樹脂卻很少涉足結(jié)構(gòu)復(fù)合材料領(lǐng)域。究其根本原因，熔融狀態(tài)下的高粘度直接限制了熱塑性樹脂基復(fù)合材料的纖維含量。此外，作為結(jié)構(gòu)中不可或缺的復(fù)合材料層合曲梁也主要以熱固性樹脂為基體，通過熱壓灌、模塑傳遞成型等方法制備而成。
　　本文圍繞環(huán)狀對(duì)苯二甲酸丁二醇樹脂（Cyclic Butylene Terephthalate，簡(jiǎn)稱CBT），建立了熱塑性樹脂基復(fù)合材料制備體系，并將二次成型方法引入熱塑性樹脂基復(fù)合材料層合曲

3、梁的制備中，在此基礎(chǔ)上對(duì)復(fù)合材料、曲梁的力學(xué)性能進(jìn)行了較為全面的研究。具體工作如下：
　　研究了CBT在催化劑作用下的開環(huán)聚合反應(yīng)過程的流變行為。利用流變實(shí)驗(yàn)對(duì)聚合反應(yīng)開始與結(jié)束進(jìn)行監(jiān)控，討論了溫度、二氧化硅納米顆粒添加量對(duì)流變行為的影響。引入“浸潤(rùn)區(qū)間”概念，從粘度角度表征了復(fù)合材料成型過程的纖維浸潤(rùn)質(zhì)量，分析了各變量對(duì)于“浸潤(rùn)區(qū)間”的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了考慮溫度、添加顆粒效應(yīng)下CBT開環(huán)聚合過程的粘度方程。對(duì)不同溫度下的聚

4、合過程進(jìn)行了熱學(xué)性能表征，分析了納米顆粒的添加對(duì)于復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能的影響。
　　在掌握對(duì)CBT聚合特性的基礎(chǔ)上，采用原位聚合法，利用熱壓工藝，建立了基于聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（Poly Butylene Terephthalate，簡(jiǎn)稱 pCBT）的熱塑性樹脂基復(fù)合材料制備體系，在充分保證纖維浸潤(rùn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，纖維體積含量可達(dá)70％。利用熱成型方法，對(duì)該熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行了二次成型工藝的開發(fā)。設(shè)計(jì)了切實(shí)可行實(shí)驗(yàn)室用熱成型模具

5、，成功制備了復(fù)合材料層合彎曲梁，并研究了溫度、加熱時(shí)間、壓力對(duì)于成型試件的影響。
　　研究了平板層合復(fù)合材料的抗沖擊性能，給出了不同沖擊能量下的破壞模式。利用位移、速度、接觸力以及能量的時(shí)間變化曲線，深入分析了侵入破壞和穿透破壞的特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋪層數(shù)的增加，復(fù)合材料在沖擊過程中吸收的能量也隨之增加。引入四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)復(fù)合材料層合曲梁彎曲部分的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，討論了不同加工參數(shù)對(duì)曲梁強(qiáng)度的影響。利用商業(yè)有限元軟件

6、ABAQUS模擬了四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)過程，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合效果較好。
　　對(duì)引入彈性地基后彎曲梁承受外載過程進(jìn)行了理論分析。考慮了彎曲梁的曲率變化，給出了周向、徑向應(yīng)力的數(shù)值解。通過將徑向載荷處理為層與層之間的相互作用力，并利用位移、徑向應(yīng)力連續(xù)邊界條件求解層合彎曲梁的應(yīng)力分布情況，從而將該計(jì)算方法推廣至多層、不同材料組成的層合彎曲梁結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算中。給出了復(fù)合材料層合曲梁在外力載荷下的層間應(yīng)力大小，為層間強(qiáng)度提供了有效方便的計(jì)算