三维层联机织物铺层复合材料失效行为研究
三维层联机织复合材料(2.5DWC)由于具有良好的抗冲击损伤容限、耐疲劳性能而应用于航空航天等领域。但三维织机因经、纬纱层数的限制使织物产品存在最大厚度，导致单层2.5D机织物厚度无法满足一些复合材料制品的设计需求，同时织造较厚的织物会加大纤维的损伤。与二维织物相比，2.5D机织物作为铺层单元在满足制品设计厚度的同时可显著减少设计层数，这一方面有利于提升效率、降低生产成本；另一方面，较少的层数可降低复合材料分层失效的风险。因此本文对三维层联机织铺层复合材料(2.5DWLC)的失效行为进行了研究，为其在工程中的应用提供理论依据和参考。 本文首先织造了厚度为0.8mm、1.33mm、2mm的2.5D机织物，每种厚度织物分别沿经向铺设5层、3层、2层以制备3种复合材料2.5DWLiC(i=0.8、1.33、2)，同时制备了4mm厚的2.5DWC作为参考对照，探究了单层厚度对其拉伸、弯曲、压缩失效行为的影响。拉伸实验表明：单层厚度的增加有利于拉伸性能的提升，且会加深各单层之间破坏应变的差异，导致拉伸过程中2.5DWLC各层断裂不同步，失效机制主要包括了纤维断裂和抽拔、界面脱黏、基体开裂以及分层。压缩实验表明：随着单层厚度的增加，2.5DWLC压缩模量增大，当铺层数大于两层时，边缘层会产生显著的弯曲屈服应力而对压缩强度的提升产生影响，失效机制主要为扭结带的形成与失效、基体开裂以及分层。弯曲试验表明：弯曲性能并未随着单层厚度的增加而增大，表现为铺层数为偶数时有利于弯曲性能提升，失效机制主要为扭结带失效、纤维断裂、基体开裂以及分层。 其次，选择2.5DWL1.33C进行开孔拉伸(OHT)、开孔压缩(OHC)实验，探究了孔径为6mm、10mm、14mm对2.5DWLC拉伸、压缩失效行为的影响。OHT实验表明：对比2.5DWC，应变的积累总量、OHT强度降低，且随着孔径的增加，这种影响梯度逐渐减缓，孔径的变化对于OHT模量影响不大，损失率约保持在6％以内；分析失效试样知，孔的左右两侧基体开裂、纬纱拽出，纱线抽拔现象在靠近孔两侧的位置较多，而纱线断裂在远离孔的位置较多，且靠近孔处纱线优先产生损伤，而孔的上下两端几乎未产生损伤，失效机制主要为纱线抽拔和断裂、基体开裂以及分层。OHC实验表明：3种孔径的试样均在达到最大应力的97%时，层间基体损伤最为严重，纤维和单层受到挤压呈现屈曲受损，应力-位移曲线出现波动，随着孔径的增大，OHC强度降低，失效机制主要为纤维扭结带的形成与失效。 最后，选择孔径为10mm的2.5DWL1.33C进行开孔补强实验，探究了不同缝合补强工艺对OHT失效行为的影响。结果表明，缝合工艺降低了OHT强度，而对OHT模量影响较小，当远离孔的针距减小时，应力集中加深，从而使得孔边的应力集中被分散，有利于OHT强度的提升，且远离孔的位置纱线抽拔现象增加，缝合失效试样未发生分层现象，改善了层间性能；失效机制主要为纱线抽拔和断裂、基体开裂。
三维层联机织物铺层复合材料;力学性能;开孔直径;开孔补强;失效机制
天津工业大学
硕士
纺织工程
吴宁;商青琳
2022
中文
TS106.69
2023-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）