论文摘要
热塑性复合材料是目前发展较快、研究较广的新型材料,它具有高应变、低成型周期以及可再生产等特点,特别是近些年,利用高性能增强纤维与热塑性纤维混合纱编织形成织物预型件,并经热压成型生产热塑性复合材料的方法被证实是简单有效的热塑性复合材料加工方法。采用这种方法得到的热塑性复合材料,可在纱线种类的选取与配比以及织物铺层方面具有更大的灵活性和设计性,从而得到所需力学性能的材料。双轴向纬编针织结构是在纬编针织结构基础上衬入平直的经纱和纬纱的一种增强结构。与普通纬编针织结构相比,它具有较高的纤维含量和较小的孔隙率,并且可充分利用伸直纱线束的力学性能,制造具有优良力学性能的复合材料。本课题以双轴向纬平针织结构热塑性复合材料为研究对象,利用高性能纤维与热塑性纤维混合纱共编的方法形成预型件,并通过热压成型形成复合材料,对复合材料的拉伸性能进行系统的实验研究,利用细观力学的方法对其弹性常数进行了分析与计算,利用蒙特卡罗统计计算方法结合束链模型与应力剪滞分配方法对复合材料的拉伸强力进行了预测,从试验和理论上综合分析了织物结构参数对双轴向纬编结构热塑性复合材料拉伸力学性能的影响。课题首先对不同线密度玻璃纤维以及碳纤维和芳纶为增强材料的双轴向纬编针织结构/聚丙烯热塑性复合材料的制备以及拉伸力学性能进行了试验研究。通过试验数据的分析,探讨了双轴向针织结构增强复合材料的拉伸力学行为,分析了增强衬纱纤维含量对材料初始模量和断裂强度的影响,同时对复合材料的不同断裂形式进行了分析,诠释了各种破坏机理。为了更好地研究复合材料的力学性能,建立了双轴向针织结构三维几何模型,对特征单元体的成圈纱、衬经纱和衬纬纱的形态进行了理论模拟,推导出各子元线段长度与纱线及织物结构参数间的关系,探讨了影响材料成型厚度以及纤维含量的因素,为理论分析织物结构对其力学性能的影响关系奠定了基础。通过分析成型后各子元的形态变化,对三维织物结构模型进行了适当修正,得到成型后的织物形态。借助于桥联模型,利用纱线的取向变化,对各子元的整体刚/柔度矩阵进行分析组合,最终得到材料的整体刚/柔度矩阵和弹性常数。由于双轴向衬经衬纬结构的复杂性,在进行细观力学分析时,采用体积平均的分析方法,首先将特征单元体分解为成圈纱、衬经纱、衬纬纱和基体四部分,利用等应力边界条件和等应变边界条件对成圈纱和衬纱进行刚/柔度组合,最终利用混合率法则和等应力及等应变边界条件的最佳系数组合对四子元的刚/柔度进行组合,从理论上得到材料的总体刚/柔度矩阵和弹性常数。分析表明采用这种分析方法所得到的弹性常数理论预测值与实验结果吻合良好。在进行轴向强力预测时,建立了载荷方向衬纱纱线强力与材料拉伸断裂强力的关系。首先利用增强纱线与基体的粘结强度关系,定量计算了含脂束纱线断裂的临界长度,并利用纱线强力的二参数韦布尔分布模数,计算得到临界长度下的纱线强力分布。借助于链式统计模型和剪滞应力分配法则,利用蒙特卡罗统计方法对轴向衬纱的强力进行定量分析与模拟,同时结合线圈结构本身的影响以及基体的影响进行综合分析,从理论上模拟了双轴向复合材料轴向拉伸的断裂强力,模拟结果与实测结果较为接近,证明理论分析方法的可行性和有效性。通过对双轴向针织结构热塑性复合材料力学性能的试验测试和理论分析与模拟,我们对这种结构复合材料的力学性能有了较全面的理解,为以后更深入地研究和设计复合材料的结构和性能奠定了良好的基础,同时本文的分析方法对以后其他类似材料的分析具有一定的借鉴作用。
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