雙軸向緯編針織結(jié)構(gòu)熱塑性復(fù)合材料拉伸性能研究.pdf

1、熱塑性復(fù)合材料是目前發(fā)展較快、研究較廣的新型材料，它具有高應(yīng)變、低成型周期以及可再生產(chǎn)等特點(diǎn)，特別是近些年，利用高性能增強(qiáng)纖維與熱塑性纖維混合紗編織形成織物預(yù)型件，并經(jīng)熱壓成型生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料的方法被證實(shí)是簡(jiǎn)單有效的熱塑性復(fù)合材料加工方法。采用這種方法得到的熱塑性復(fù)合材料，可在紗線種類的選取與配比以及織物鋪層方面具有更大的靈活性和設(shè)計(jì)性，從而得到所需力學(xué)性能的材料。
　　 雙軸向緯編針織結(jié)構(gòu)是在緯編針織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上襯入平直的經(jīng)紗

2、和緯紗的一種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。與普通緯編針織結(jié)構(gòu)相比，它具有較高的纖維含量和較小的孔隙率，并且可充分利用伸直紗線束的力學(xué)性能，制造具有優(yōu)良力學(xué)性能的復(fù)合材料。
　　 本課題以雙軸向緯平針織結(jié)構(gòu)熱塑性復(fù)合材料為研究對(duì)象，利用高性能纖維與熱塑性纖維混合紗共編的方法形成預(yù)型件，并通過熱壓成型形成復(fù)合材料，對(duì)復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，利用細(xì)觀力學(xué)的方法對(duì)其彈性常數(shù)進(jìn)行了分析與計(jì)算，利用蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法結(jié)合束鏈模型與應(yīng)力剪滯分配方

3、法對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，從試驗(yàn)和理論上綜合分析了織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙軸向緯編結(jié)構(gòu)熱塑性復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能的影響。
　　 課題首先對(duì)不同線密度玻璃纖維以及碳纖維和芳綸為增強(qiáng)材料的雙軸向緯編針織結(jié)構(gòu)/聚丙烯熱塑性復(fù)合材料的制備以及拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，探討了雙軸向針織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸力學(xué)行為，分析了增強(qiáng)襯紗纖維含量對(duì)材料初始模量和斷裂強(qiáng)度的影響，同時(shí)對(duì)復(fù)合材料的不同斷裂形式進(jìn)行了分析，詮釋了各

4、種破壞機(jī)理。
　　 為了更好地研究復(fù)合材料的力學(xué)性能，建立了雙軸向針織結(jié)構(gòu)三維幾何模型，對(duì)特征單元體的成圈紗、襯經(jīng)紗和襯緯紗的形態(tài)進(jìn)行了理論模擬，推導(dǎo)出各子元線段長度與紗線及織物結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系，探討了影響材料成型厚度以及纖維含量的因素，為理論分析織物結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能的影響關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。
　　 通過分析成型后各子元的形態(tài)變化，對(duì)三維織物結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了適當(dāng)修正，得到成型后的織物形態(tài)。借助于橋聯(lián)模型，利用紗線的取向變化，對(duì)

5、各子元的整體剛/柔度矩陣進(jìn)行分析組合，最終得到材料的整體剛/柔度矩陣和彈性常數(shù)。由于雙軸向襯經(jīng)襯緯結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在進(jìn)行細(xì)觀力學(xué)分析時(shí)，采用體積平均的分析方法，首先將特征單元體分解為成圈紗、襯經(jīng)紗、襯緯紗和基體四部分，利用等應(yīng)力邊界條件和等應(yīng)變邊界條件對(duì)成圈紗和襯紗進(jìn)行剛/柔度組合，最終利用混合率法則和等應(yīng)力及等應(yīng)變邊界條件的最佳系數(shù)組合對(duì)四子元的剛/柔度進(jìn)行組合，從理論上得到材料的總體剛/柔度矩陣和彈性常數(shù)。分析表明采用這種分析方法所得

6、到的彈性常數(shù)理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
　　 在進(jìn)行軸向強(qiáng)力預(yù)測(cè)時(shí)，建立了載荷方向襯紗紗線強(qiáng)力與材料拉伸斷裂強(qiáng)力的關(guān)系。首先利用增強(qiáng)紗線與基體的粘結(jié)強(qiáng)度關(guān)系，定量計(jì)算了含脂束紗線斷裂的臨界長度，并利用紗線強(qiáng)力的二參數(shù)韋布爾分布模數(shù)，計(jì)算得到臨界長度下的紗線強(qiáng)力分布。借助于鏈?zhǔn)浇y(tǒng)計(jì)模型和剪滯應(yīng)力分配法則，利用蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)方法對(duì)軸向襯紗的強(qiáng)力進(jìn)行定量分析與模擬，同時(shí)結(jié)合線圈結(jié)構(gòu)本身的影響以及基體的影響進(jìn)行綜合分析，從理論上模擬了