碳纤维复合材料压缩强度预报及其影响因素探究
碳纤维复合材料较低的压拉比是限制其作为主承力结构应用的短板因素，复合材料的三要素:碳纤维、树脂基体和纤维/树脂界面均对复合材料的压缩性能影响较大。本文在压缩强度预测模型的理论计算基础上，开展复合材料压缩性能影响因素的权重分析，探讨了碳纤维和树脂基体等因素对复合材料压缩强度的影响，基于宏观/微观压缩失效形式提出了复合材料的压缩失效机制，建立了复合材料压缩强度实验数据和理论预测值的数据关联。 1、基于Berbinau-Modified Budiansky压缩强度联合预测模型，选择四个经典碳纤维复合材料体系性能参数，分析碳纤维和树脂基体等因素对压缩强度的影响权重，影响因素排序如下:纤维弹性模量、纤维体积分数、树脂弹性模量、纤维微屈曲半波长、纤维初始偏角。 2、设计制备有机刚性链段增刚的树脂基体，分别探究T700碳纤维体积分数（55％、60％、65％和70％）以及T700、T800和M40J三种碳纤维的弹性模量(231GPa、290GPa和399GPa)对复合材料压缩强度和失效机制的影响。纤维体积分数为55％时，复合材料压缩强度的预测值和实验值分别为1192MPa和1113MPa，偏差为7.1％，压缩失效形式以单侧剪切面、楔形劈裂和帚式溃散为主;纤维体积分数提升至70％时，复合材料压缩强度的预测值和实验值分别为1516MPa和1537MPa，偏差为1.37％，压缩失效形式以纤维溃断、纵向劈裂和纤维扭结带为主。纤维弹性模量为231GPa时，复合材料压缩强度的预测值和实验值分别为1338MPa和1298MPa，偏差为3.08％，压缩失效形式以纤维扭结带和分层屈曲为主;纤维弹性模量提升至399GPa时，复合材料压缩强度的预测值和实验值分别为1689MPa和1527MPa，偏差为10.61％，压缩失效形式以纤维溃断和纤维扭结带为主。 3、设计制备未增刚、有机刚性链段增刚和有机刚性链段/无机纳米刚性粒子协同增刚的三种树脂基体，探究不同树脂弹性模量(3.8GPa、4.2GPa、4.7GPa)对复合材料压缩强度和失效机制的影响。树脂弹性模量为3.8GPa时，复合材料压缩性能的预测值和实验值分别为1210MPa和1123MPa，偏差为7.19％，压缩失效形式以帚式溃散和分层屈曲为主;树脂弹性模量提升至4.2GPa时，复合材料压缩性能的预测值和实验值分别为1338MPa和1298MPa，偏差为3.08％，压缩失效形式中纤维扭结带的数量显著增多;树脂弹性模量提升至4.7GPa时，复合材料压缩性能的预测值和实验值分别为1520MPa和1587MPa，偏差为4.41％，压缩失效形式逐渐过渡到以纤维扭结带和纤维溃断为主。
树脂基复合材料;碳纤维;压缩强度;预测模型;失效形式
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
李刚
2019
中文
TQ327.3;TQ320.774
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）