碳纤维综合力学性能与复合材料拉伸强度的离散性研究

论文摘要

碳纤维具有高强高模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳,热膨胀系数低等诸多卓越的性能在工程领域得到广泛应用,然而由于实验条件和实验设备等各方面的限制,对碳纤维微观力学性能的实验研究还很不成熟,尤其是碳纤维压缩性能、断裂韧性的研究还处于初步探讨阶段,在这样的背景下,完成对碳纤维综合力学性能的分析具有重要的工程和学术意义;同时,由于碳纤维本身存在各种各样的内部和外部缺陷,使得其拉伸性能存在较大的离散,为了从理论上分析碳纤维拉伸性能的离散程度对复合材料强度的影响,本文采用剪滞理论和Monte-Carlo模拟方法建立了二者之间的细观力学模型,给出了二者之间的离散关系,为复合材料的优化设计、性能评价提供理论指导。本文针对日本东丽产的高强和高模碳纤维和国产碳纤维（CCF）,分别进行了拉伸性能、压缩性能、断裂韧性的实验研究,同时分析了碳纤维拉伸性能离散性对复合材料强度的影响,综合来说,本文的主要内容如下:1.碳纤维压缩强度的实验研究:本文首先通过欧拉失稳理论初步估算了碳纤维单丝发生横向变形的临界长度;考虑到碳纤维是脆性材料,在压缩载荷作用的情况下变形较小,难以通过直接的方法获得相应的压缩强力,因此在设计实验的过程中通过将纤维的变形转换为测试悬臂梁的变形,进而利用平衡关系得到纤维的变形和压缩强力,完成了碳纤维单丝压缩强度的实验分析。2.碳纤维断裂韧性的实验研究:为了获得不同拉伸强度的碳纤维单丝,需要制作具有不同缺陷的碳纤维单丝试件,由于碳纤维本身的直径只有7μm左右,无论采用磨蚀方法还是采用TiC或TiN等化学试剂蒸气溶解的方法,都难以有效控制缺陷的位置和大小,为了解决这一问题,本文采用聚焦粒子束（FIB）表面刻蚀技术在制作了碳纤维单丝的一系列缺陷,在此基础上,采用Griffith理论和镜像理论的方法估算得到碳纤维的断裂韧性参数KIC。3.碳纤维拉伸强度的实验研究:由于在碳纤维本身的微观结构中存在弱节,表现在宏观上即是强度离散和体积效应,同时碳纤维的弱节结构也各不相同,因此使其拉伸性能各不相同,这便形成了强度离散的本质原因,为了分析碳纤维的拉伸性能,本文分别采用Weibull和Gauss两种概率分布形式对碳纤维的拉伸性能进行了统计归纳,并进行了一一讨论分析;通过理论分析后认为:纤维隔距越长,直径越大,拉伸强度就越低,所以在本文中分别从纤维的测试隔距和直径两方面分析了试件体积对测试强度的影响。4.碳纤维单丝与复合材料拉伸强度的离散性关联:碳纤维单丝本身的强度离散影响着复合材料宏观的力学性能,本文根据碳纤维单丝拉伸强度的Weibull分布,采用剪滞理论,同时考虑界面相、残余应力对复合材料强度的影响,采用Monte-Carlo模拟方法,预报了复合材料的纵向拉伸强度,并归纳分析了复合材料纵向拉伸强度的概率分布,并就Weibll分布和Gauss分布两种概率分布进行了分析和比较,得到了纤维单丝和复合材料之间的离散性关联关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究综述
• 1.2.1 碳纤维复杂的微观结构
• 1.2.2 碳纤维的分类与研发历程
• 1.2.3 碳纤维压缩强度的研究
• 1.2.4 碳纤维断裂韧性的研究
• 1.2.5 碳纤维弱节以及拉伸强度的研究
• 1.2.6 复合材料离散性分析的目的和方法
• 1.3 本文主要研究内容和研究思路
• 第2章 碳纤维单丝压缩强度的实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 压缩实验装置的设计
• 2.3 压缩实验
• 2.3.1 碳纤维试件的制取
• 2.3.2 实验过程
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 压缩应力-时间曲线
• 2.4.2 纤维长度对压缩强度的影响
• 2.4.3 纵向压缩模量的估算
• 2.4.4 纤维拉伸强度与压缩强度的关系
• 2.5 本章小结
• 第3章 碳纤维单丝断裂韧性的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 基本理论
• 3.2.1 Griffith 断裂理论和镜像方法
• 3.2.2 最小二乘法
• 3.3 实验
• 3.3.1 聚焦粒子束技术（FIB）
• 3.3.2 碳纤维单丝试件的制取
• 3.3.3 实验结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 碳纤维拉伸性能的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 Weibull 分布函数及特点
• 4.3 碳纤维拉伸强度的实验过程
• 4.3.1 基本理论
• 4.3.2 拉伸实验
• 4.3.3 实验步骤
• 4.3.4 拉伸力学性能指标的计算
• 4.4 实验结果分析
• 4.4.1 碳纤维单丝的断裂强力
• 4.4.2 碳纤维单丝的拉伸强度
• 4.4.3 碳纤维单丝的拉伸模量
• 4.4.4 体积效应
• 4.5 本章小结
• 第5章 碳纤维单丝与复合材料拉伸性能的离散性关联
• 5.1 引言
• 5.2 常用统计术语
• 5.3 基于 Monte-Carlo 的纵向拉伸强度预报
• 5.3.1 Monte-Carlo 理论
• 5.3.2 纤维的链式模型
• 5.3.3 复合材料中的应力传递
• 5.3.4 Monte-Carlo 模拟程序设计
• 5.3.5 算例
• 5.4 复合材料的强度分布
• 5.4.1 强度基准值的样本大小的确定
• 5.4.2 Weibull 统计分布
• 5.4.3 Gauss 统计分布
• 5.4.4 各种类型的统计分布比较
• 5.5 碳纤维单丝拉伸强度与复合材料拉伸强度之间的离散性关联
• 5.5.1 碳纤维单丝拉伸强度的形状参数与复合材料强度之间的关系
• 5.5.2 碳纤维拉伸强度尺度参数与复合材料强度之间的关系
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录Ⅰ
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历