編織復(fù)合材料在特種環(huán)境下雷擊損傷特性研究.pdf

1、纖維增強復(fù)合材料因其優(yōu)良的比強度、比剛度、疲勞抗性、環(huán)境適應(yīng)性、可設(shè)計性等特點被廣泛應(yīng)用于航空航天等尖端工業(yè)領(lǐng)域。隨著技術(shù)水平，各種廉價纖維原材料以及低成本成型工藝的相繼出現(xiàn)與發(fā)展，纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用范圍逐漸擴展到汽車工業(yè)、體育用品、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等諸多民用領(lǐng)域。特別在電力行業(yè)，近幾年，在國網(wǎng)智能電網(wǎng)以及國家大力提倡綠色、可持續(xù)能源利用的大背景下，人們越來越多的關(guān)注于將先進纖維增強復(fù)合材料應(yīng)用于各種傳統(tǒng)電力產(chǎn)品的制造上，以克服其自身缺

2、陷，提高設(shè)備的可靠性及工作壽命。由于大部分電力設(shè)備長期工作在室外，雷電沖擊對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞特性的評估，及其力學(xué)性能的影響是亟需研究的課題之一。因此，本文圍繞雷電沖擊對纖維增強復(fù)合材料構(gòu)件的影響進行了如下方面的工作：
　　以廣泛使用的單向編織型碳纖維織物作為增強體、環(huán)氧樹脂作為基體制作單向試樣件。采用實驗方法得到材料橫向、縱向及厚向力學(xué)、電學(xué)和熱解動力學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)，并對測試結(jié)果的準確性進行了評估，為后續(xù)實驗及仿真分析奠定基礎(chǔ)。<

3、br>　　采用實驗方法研究了兩種鋪層設(shè)計的碳纖維編織/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板在干燥環(huán)境下受到不同強度模擬雷電沖擊后的電擊破壞特性及剩余力學(xué)性能，并對材料電擊破壞特性與力學(xué)性能進行了系統(tǒng)分析與機理解釋。研究顯示，雷電沖擊對復(fù)合材料造成了三種典型破壞形式，并隨著電擊強度的增加及鋪層角度的改變呈現(xiàn)出不同形態(tài)的變化。微觀掃描分析發(fā)現(xiàn)電擊會對樹脂與纖維界面造成嚴重破壞。此外，雷電沖擊會改變試樣件的力學(xué)失效位置與作用機理，兩種試樣件的剩余模量與強度

4、均隨著雷電沖擊次數(shù)的增加而呈現(xiàn)相同幅度的下降趨勢。
　　本文研究了濕熱效應(yīng)對這兩種鋪層復(fù)合材料試樣件在受到雷電沖擊后的破壞形態(tài)影響，以及試樣件的力學(xué)性能在這種濕熱-雷擊耦合沖擊下的變化特性。結(jié)果顯示，濕熱效應(yīng)會改變材料的導(dǎo)電特性并且顯著增大三種典型破壞區(qū)域的面積，但鋪層角度對破壞形態(tài)的影響則趨于不明顯。微觀掃描結(jié)果顯示纖維與樹脂間粘結(jié)強度在濕熱作用下顯著降低并在雷電沖擊下嚴重破壞，出現(xiàn)層間與層內(nèi)的分層開裂現(xiàn)象。力學(xué)測試首次發(fā)現(xiàn)濕熱

5、效應(yīng)對特定鋪層的試樣件會產(chǎn)生特殊的硬化作用。此外，鋪層角度也會影響濕熱效應(yīng)對材料力學(xué)性能的作用效果。
　　本文研究了一種特殊設(shè)計的碳纖維布/玻璃纖維布混合鋪層編織復(fù)合材料層合板在干燥及濕熱條件下受到不同強度等級模擬雷電沖擊后的破壞特性。與碳纖維復(fù)合材料相比，混合鋪層試樣件受電擊沖擊后表現(xiàn)出三種不同的破壞形式。濕熱效應(yīng)會嚴重降低玻纖與碳纖的層間粘結(jié)強度。在雷電沖擊下，玻纖、碳纖及內(nèi)部分層破壞區(qū)域均顯著擴大，并出現(xiàn)完全脫膠現(xiàn)象。這種混

6、合鋪層結(jié)構(gòu)因其表層玻璃纖維對雷電能量產(chǎn)生了聚積作用嚴重加深了雷電對其造成的破壞程度。
　　本文建立起一套完整的復(fù)合材料雷電沖擊損傷仿真計算模型，可以對材料的溫度場、電場、應(yīng)力場、熱燒蝕場同時進行分析。在燒蝕計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文首次采用基于原位強度的LaRC破壞準則并結(jié)合復(fù)合材料漸進失效理論編寫出一套復(fù)合材料受雷電沖擊后剩余力學(xué)性能表征的計算方法。仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。這套方法可以應(yīng)用于低強度雷電沖擊對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能破