高性能纖維針刺氈三維重構及其復合材料性能表征.pdf

1、采用碳纖維或石英纖維等其他高性能纖維制作而成的針刺氈，是三維針刺復合材料的主要原材料。針刺氈的加工流程簡單、自動化程度高，不僅可以顯著提高三維針刺復合材料的層間性能，還可以使其降低生產(chǎn)成本、縮短加工周期。隨著此類針刺氈的應用越來越廣泛，深入研究它們的結構、性能變得越來越重要。本文通過對碳纖維針刺氈的結構分析建立了其三維模型，并進一步研究了碳纖維針刺氈增強復合材料的彈性性能、層間剪切強度及導熱性能，主要內容包括:
　　(1)采用隨機

2、取樣法對三種碳纖維針刺氈中的纖維長度做了統(tǒng)計分析，提出純彎梁模型來模擬碳纖維在針刺氈中的非伸直狀態(tài)?；趦山M分二參數(shù)混合Weibull分布對纖維長度和彎曲半徑的測量數(shù)據(jù)進行了擬合，驗證結果表明曲線具有較高的擬合度。纖維取向的測量結果表明，碳纖維在針刺氈平面內基本是均勻分布的。通過以上工作實現(xiàn)了對碳纖維針刺氈內部結構的參數(shù)化表征。
　　(2)針對伸直纖維和彎曲纖維分別建立了碳纖維模型，并在此基礎上建立了纖維生長模型。提出了纖維移動法

3、，它通過纖維的不斷移動來尋找模型中的合適位置，避免與模型中已有纖維相交。利用Python語言編寫建模腳本文件，然后在商業(yè)有限元軟件ABAQUS中執(zhí)行，最后基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立了碳纖維針刺氈的三維模型。
　　(3)建立了三種碳纖維針刺氈的三維模型，分別是封閉模型、開放模型和裁剪模型。提出了多種方法對不同尺寸裁剪模型的結構參數(shù)做了全面的統(tǒng)計和分析，結果表明，隨裁剪模型尺寸增加，纖維的平均長度也不斷增加。分析結果和裁剪模型可以用來預測碳纖維

4、針刺氈增強復合材料的彈性性能。模擬了包括壓縮過程和針刺過程的預針刺工藝，研究了針刺作用下纖維的移動路徑、纖維形貌以及纖維之間的相互作用。
　　(4)對碳纖維針刺氈增強復合材料的彈性性能進行了實驗分析和理論預測，探討了裁剪尺寸對復合材料縱向拉伸性能的影響。結果表明，在一定范圍內，碳纖維針刺氈增強復合材料的彈性性能隨樣品尺寸的增加而減小。在建立復合材料的三維有限元模型時，采用了嵌入單元技術，并提出了等效浸膠纖維束的概念。與混合律和夾雜

5、理論比，采用有限元方法的預測結果更接近實驗值。預測結果從側面驗證了碳纖維針刺氈三維模型的有效性。
　　(5)對三種2.5D機織物層合復合材料力學性能的分析結果表明，加入碳纖維針刺氈會顯著提高復合材料的層間剪切強度，針刺作用則會使層間剪切強度進一步提高。三種復合材料的層間失效機理各不相同。碳纖維針刺氈的加入使2.5D機織物層合復合材料的平面內力學性能得到了小幅提升，但是針刺作用會使平面內力學性能大幅下降。
　　(6)基于瞬態(tài)熱