关键词：
碳/玻混杂复合材料
层间混杂
层内混杂
渗透率
拉伸性能
压缩性能
拉压比
弯曲性能
性价比分析
摘要：
高性能纤维增强复合材料具有比强度和比模量高、耐疲劳性好、耐腐蚀等一系列优点,在节能减排的大背景下,复合材料的轻质高强的特性使其成为交通运输工具的明星材料,越来越受到重视。然而,由于复合材料的原材料成本和制造成本居高不下,使其大规模应用受到严重阻碍。目前,降低复合材料的成本的主要手段集中在生产工艺和原材料成本两方面,而工艺过程的优化主要是工艺创新和快速自动化生产设备的使用,而原材料成本降低的主要方式是通过优化设计降低高成本材料用量,采用低成本纤维和树脂,以及混杂复合材料的开发。本文以采用混杂纤维复合材料降低成本为出发点,系统对层间和层内混杂复合材料的力学性能进行评估,并且对其进行性能成本分析。探究两种混杂形式的力学性能的优劣和可设计性,为实际应用提供一定的借鉴意义。本文首先对目前混杂复合材料的混杂形式进行研究,发现国内外学者对层间混杂复合材料的研究较多,采用的增强体形式也较多,包括机织物、单向经编织物、单向预浸料等混杂形式;然而关于层内混杂复合材料研究较少,目前的层内混杂形式主要包括:机织层内混杂、缠绕层内混杂,其中机织层内混杂大部分只是作为装饰件使用,而缠绕层内混杂形式结构胶不稳定,力学性能的可预测性较差。因此,本文采用碳纤维和玻璃纤维这两种目前最常用的高性能纤维,开发了一系列新颖的不同混杂比的单向经编碳/玻层内混杂织物,作为层内混杂复合材料的增强体,该织物为汽车、风电行业常用织物形式。为了系统对比层内混杂复合材料的力学性能,本文设计了一系列层内和层间混杂复合材料的铺层方案,并采用VARTM的方法成型试板。由于层内混杂复合材料的特殊性,最后探讨层内混杂复合材料测试样的切割方案。复合材料增强体的灌注成型工艺的难易程度主要由树脂粘度和增强体的渗透性能决定,因此织物渗透性能的强弱决定了增强体工艺性能的好坏。并且碳纤维相对于玻璃纤维渗透性能较弱,因此加入玻璃纤维可改善混杂织物的渗透性能。因此本文采用实验测试、理论计算和有限元分析的方法研究层内混杂复合材料的渗透率值。由实验渗透率值分析发现,随碳纤维含量的提高,混杂织物的渗透率逐渐减小,并呈现出线性关系趋势。通过理论计算和有限元数值分析法获取的渗透率值与实验值基本相符,都随碳纤维含量的增加而减小,同时验证理论计算和有限元分析法获取层内混杂织物渗透率的可行性。拉伸性能是复合材料最优异的力学性能之一,对混杂复合材料的拉伸失效模式进行分析,发现了混杂复合材料具有协同效应和失效加速效应。然后系统地对不同混杂比和铺层结构的层间和层内混杂复合材料的拉伸性能进行分析,发现层间和层内混杂复合材料的拉伸模量主要受碳纤维/玻璃纤维(C/G)混杂比的影响,随碳纤维含量的增加而线性增加。拉伸强度受铺层结构和混杂比共同影响,并且也随碳纤维含量增加而增加。对于层间混杂复合材料,由于协同效应,当玻璃纤维夹心碳纤维时,拉伸强度最大;而由于试样切割位置原因,当分散度最大时,层内混杂复合材料的拉伸强度最小。对比层间和层内混杂复合材料的拉伸性能与混杂定律值(ROM),发现层间和层内混杂复合材料模量与ROM计算的模量值几乎相同,呈现出较弱的正混杂效应,而强度呈现出相对较高的正混杂效应。由于高性能纤维的拉伸强度较高,复合材料的拉伸性能较好。然而由于压缩性能主要由纤维和树脂共同作用,复合材料的压缩性能相对较弱。本文对层间和层内混杂复合材料的压缩性能进行研究,包括:压缩强度、模量和断裂应变。研究发现,层间和层内混杂复合材料的压缩模量与拉伸模量的规律相同,主要受混杂比的影响,随碳纤维含量的增加而线性增加;而层间混杂复合材料的压缩强度主要受铺层结构的影响,体现为当玻璃纤维夹心碳纤维时,混杂复合材料压缩强度最高,相反,碳纤维夹心玻璃纤维或者呈现出非对称结构时,混杂复合材料压缩强度最低。然而,层内混杂复合材料的强度主要受C/G混杂比影响,铺层结构对其影响不明显。最后对比分析了层间和层内混杂复合材料的压缩性能发现,随碳纤维含量的增加,层间和层内混杂复合材料的压缩模量基本呈线性增加的关系,并呈现出微弱的负混杂效应;而压缩强度都呈现出正混杂效应,混杂效应的强弱受铺层结构影响。针对复合材料拉伸和压缩性能的不同,本文对比分析了层间和层内混杂复合材料的拉伸和压缩性能。发现层间和层内的拉伸和压缩模量基本相同,而层内混杂复合材料的拉伸模量稍大于压缩模量,然而拉伸强度明显大于压缩强度,并且随碳纤维含量增加,层间和层内混杂复合材料的拉伸和压缩强度比有逐渐增大的趋势。当铺层结构为玻璃纤维夹心碳纤维时,层间混杂复合材料的拉压比最好,而层内混杂复合材料的拉压比主要受混杂比的影响。弯曲性能是评价复合材料力学性能的重要参数,本文对层内和层间混杂复合材料的弯曲性能进行研究,并对其渐进失效模式进行分析。结果发现层间混杂复合材料的弯曲模量受铺层结构影响较大,通过合理地铺层设计
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