【摘 要】
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碳纤维2.5D机织复合材料具有优异的力学性能、可设计性和近净成型等突出优势,已被广泛应用在航空航天、交通运输、风电叶片等领域。服役过程中,材料经常承受类似冰雹坠落、工具掉落、飞起的碎片和石头等低速冲击载荷。目前,受限于碳纤维脆性大和横向性能差特征,碳纤维2.5D机织复合材料展现出了较低的抗冲击损伤容限,大大限制了其应用。本文以2.5D机织结构为研究对象,开展了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维与
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碳纤维2.5D机织复合材料具有优异的力学性能、可设计性和近净成型等突出优势,已被广泛应用在航空航天、交通运输、风电叶片等领域。服役过程中,材料经常承受类似冰雹坠落、工具掉落、飞起的碎片和石头等低速冲击载荷。目前,受限于碳纤维脆性大和横向性能差特征,碳纤维2.5D机织复合材料展现出了较低的抗冲击损伤容限,大大限制了其应用。本文以2.5D机织结构为研究对象,开展了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维与碳纤维混杂结构设计,采用真空辅助树脂传递模塑工艺（VARTM）制备了碳纤维2.5D机织复合材料（C-2.5DWC）和碳/聚乙烯混杂2.5D机织复合材料（H-2.5DWC）,采用试验研究或数值模拟的方法,研究了2.5D机织复合材料在弯曲、单次和重复低速冲击载荷下的力学性能和损伤机制。论文主要研究内容及结论如下:（1）针对碳纤维2.5D机织复合材料及碳/聚乙烯混杂2.5D机织复合材料,结合声发射（AE）、数字图像技术（DIC）和微断层扫描技术（Micro-CT）三种先进实时表征技术,开展了经向（90°）和纬向（0°）试样的三点弯曲测试,分析了其内部损伤形貌及损伤分布,探讨了渐进损伤演化模式,阐明了失效机理。结果表明,与C-2.5DWC相比,H-2.5DWC展现出优异的韧性特征。而针对2.5D混杂机织复合材料,经向和纬向试样弯曲力学响应截然不同。其中,经向H-2.5DWC试样展现出了更高的弯曲强度和比吸能,但纬向H-2.5DWC试样展现出更小的损伤体积。（2）围绕碳纤维2.5D机织复合材料及碳/聚乙烯混杂2.5D机织复合材料,选用5 J/mm和15 J/mm冲击能级,均开展了单次低速冲击试验。在此基础上,针对5 J/mm冲击能级的试样,分别进行了同样能级的第二次和第三次重复低速冲击。之后,通过Micro-CT分析了内部损伤形貌,并定量描述了损伤体积,理清了失效机理。结果表明,“纤维混杂”方式能够显著改善复合材料的损伤容限。在单次或重复低速冲击载荷下,相比于C-2.5DWC,H-2.5DWC均具有较小的损伤体积,展现出了更加优异的抗冲击损伤容限。（3）基于低速冲击载荷下2.5D机织复合材料呈现出的“局部”损伤特性,提出了细观-宏观混合力学分析方法,利用刚度损伤折减法,开展了5 J/mm和15 J/mm单次低速冲击下碳纤维2.5D机织复合材料及碳/聚乙烯混杂2.5D机织复合材料的数值计算,并与试验结果进行了对比,理清了渐进损伤机制。结果表明,所提出的细观-宏观混合模型计算的力学响应曲线和失效模式与试验结果吻合较好。与C-2.5DWC相比,在5 J/mm冲击能级下H-2.5DWC中的UHMWPE纤维展现出更高的应力水平,在15 J/mm冲击能级下UHMWPE纤维和碳纤维共同承载,呈现出良好的协同作用。
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