二维三轴编织混杂层合复合材料低速冲击性能研究

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随着复合材料在航空航天等领域的的应用加大,克服单种纤维增强复合材料在冲击性能方面的局限性需求增加,因此混杂复合材料具有广阔的发展前景。目前关于编织混杂层合复合材料低速冲击及冲击后力学性能的研究较少,主要侧重于单层编织复合材料以及单向板层合复合材料的力学性能研究,因此本课题主要对二维三轴编织混杂层合复合材料的冲击性能和冲击后弯曲性能进行实验研究和理论分析,以期能为编织混杂层合复合材料的抗冲击应用设计提供参考。本文以两大类共七种结构类型试样为研究对象,第一类结构类型包含四种层合结构,分别为:3层碳纤编织片层合制得;上下两层为碳纤编织片、中间层为玻纤编织片层合制得;上下两层为玻纤编织片、中间层为碳纤编织片层合制得;3层玻纤编织片层合制得。第二类结构类型包含三种层合结构,分别为:3层均由碳纤为编织纱、玻纤为轴纱的编织片层合制得;3层均由玻纤为编织纱、碳纤为轴纱的编织片层合制得;3层均由编织纱和轴纱是碳纤和玻纤一隔一混杂排列的编织片层合制得。本课题采用落锤冲击实验和三点弯曲实验进行力学性能综合测试,利用数码相机观察表面损伤分布、体式显微镜观察横截面和纵截面的断面损伤特征。通过冲击实验所得损伤规律和数据对比初步判断材料的抗冲击性能,由不经过冲击的纯弯曲实验推出试样的弯曲性能,进而与冲击后的弯曲性能进行对比,分析得出剩余弯曲性能较好的复合材料试样,从而得出具有较优抗冲击性能的复合材料试样。上下两层为碳纤编织片、中间层为玻纤编织片制得的层合复合材料与3层均为碳纤编织片制得的层合复合材料相比,前者的冲击表面裂纹较少、冲击中心处横截面裂纹较少,而单位厚度吸收能量比后者高7.61%、最大弯曲载荷值比后者高16.46%、弯曲强度高19.52%、冲击后弯曲强度损失率低40.60%,因此可得出3层编织层合复合材料的外层为刚性材料编织片、中间层为韧性材料编织片时,可有效提高混杂材料的抗冲击性能。上下两层为玻纤编织片、中间层为碳纤编织片制得的层合复合材料与3层均为玻纤编织片制得的层合复合材料相比,前者的冲击表面裂纹较少、冲击中心处横截面裂纹较少,而单位厚度吸收能量比后者高2.21%,最大弯曲载荷值比后者高2.12%、弯曲强度高11.46%、但是冲击后弯曲强度损失率仅高5.30%,因此可得出外层为韧性材料编织片、中间层为刚性材料编织片时,可在较小程度提高混杂材料的抗冲击性能。3层均由碳纤为编织纱、玻纤为轴纱的编织片层合制得的混杂复合材料,与3层均由玻纤为编织纱、碳纤为轴纱的编织片层合制得混杂复合材料相比,前者的冲击正面裂纹较多、冲击背面裂纹较少、冲击中心处横截面裂纹较多,单位厚度吸收能量比后者高25.80%,最大弯曲载荷值比后者高18.64%、弯曲强度高15.25%、但是冲击后弯曲强度损失率高98.83%;而3层均由编织纱和轴纱是碳纤和玻纤一隔一混杂排列的编织片层合制得的混杂复合材料,冲击表面和冲击中心处横截面裂纹损伤范围较小,但单位厚度吸收能量最大、最大弯曲载荷值最高、弯曲强度值最低、冲击后弯曲强度损失率接近最低,由此可知,编织片为韧性材料和刚性材料混杂编织制得时,抗冲击性能会下降,但编织纱为韧性材料、轴纱为刚性材料的整体性能较好。3层编织层合复合材料的外层为刚性材料编织片、中间层为韧性材料编织片时,可有效提高材料的抗冲击性能;外层为韧性材料编织片、中间层为刚性材料编织片时,可在较小程度提高材料的抗冲击性能;而编织片为韧性材料和刚性材料混杂编织制得时,抗冲击性能会下降,而编织纱为韧性材料、轴纱为刚性材料时整体性能较好。
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