2.5D纤维增强复合材料缝合结构性能规律研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

在过去的几十年里,纤维增强树脂基复合材料因其轻质高强、耐腐蚀、疲劳性能好,可设计性强等特点在航空航天、国防工业、交通运输、船舶工业、石油化工等领域得到了广泛的应用。然而,传统的复合材料存在一些自身的不足,如层间强度低、层间断裂韧性差、损伤阻抗和损伤容限低、制造成本较高等问题1。为了克服传统复合材料的弱点,扩大复合材料的范围,在过去十几年中,结构设计、材料和工艺等开展了大量的研究工作。缝合复合材料与传统复合材料相比主要优势表现为2,3:(1)缝合复合材料仅在原来的工艺上增加了一个生产工序,无需大范围的改动即可制备出成本较低的三维增强复合材料;(2)缝合技术改善了复合材料的层间性能,提高了复合材料层合板的损伤阻抗、损伤容限和层间断裂韧性;(3)缝合复合材料前期制备过程中的织物裁剪和缝合均可实现连续化和自动化,生产效率高,节省劳动力;(4)缝合复合材料成型采用rtm/rfi/varim工艺,可以实现缝合复合材料的环保、高质量、低成本制备。

20世纪80年代,美国、澳大利亚、日本和欧洲一些发达国家率先开展了缝合复合材料的制备和性能的研究,其中最具代表性的是美国航空航天局于1988年提出并实施的“先进复合材料技术研究计划(act计划)”,完成了缝合/rfi半翼展机翼壁板的研制,并进行了200座飞机半翼展盒段的地面实验。l.a.migenery等4率先利用缝合技术将碳纤维引入到碳纤维增强环氧树脂复合材料中,层间性能得到了明显的改善。a.yudhanto等15研究了缝合密度(3*3和6*6)对碳纤维增强环氧复合材料的拉伸性能的影响,发现缝合复合材料的拉伸模量和泊松比均出现轻微下降;3*3缝合复合材料的拉伸强度提高约10%,6*6缝合复合材料的拉伸强度变化不大。国内缝合复合材料的研究起步较晚,北京航空制造工程研究所于20世纪90年代中后期开始了缝合/rtm (rif)复合材料的研究,对复合材料三维增强和rtm、rfi等液体成形技术开展了大量的研究的工作,在专用基体材料开发、计算机模拟仿真、复杂构型预成形体制备和rt、rfi成形技术等方面均取得了突破性进展。该研究所开发的rtm专用qy8911-1v双马树脂在工艺性和力学性能等方面均达到甚至超过国外同期类材料的水平;开发的三维rtm、rfi计算机模拟软件已用于指导模具设计和工艺参数的优化5。程小全等9研究了缝合和缝合方向对t300帘子布/qy9512单向层合板和正交对称层合板的拉伸性能的影响,发现缝合和缝合方向对单向层合板和正交层合板的拉伸强度也有不同程度的影响,不同的缝合方向对不同铺层材料有不同影响,并且缝合单向层合板与缝合正交对称层合板的拉伸破坏机制也不同。王瑞等10采用双悬臂梁(dcb)试验进行了缝合层合板的i型层间断裂韧性的研究,分析缝纫密度对层间断裂韧性性能的影响,发现缝纫密度对裂纹扩展有较大影响,最大载荷值与层间断裂韧性值(gic)随着缝合密度的增大而增大。

目前,发达国家已在缝合复合材料的缝合设备、制备技术、成型工艺和性能测试等方面取得了许多研究成果,技术储备比较成熟,已达到工程应用的水平;然而国内在缝合复合材料方面的研究起步较晚,与国外发达国家还存在一定的差距,特别是缝合工艺的影响及影响机理不明确,例如缝合方式、缝合直径、缝合密度、缝合方向等因素对缝合复合材料的平面力学性能、损伤阻抗、损伤容限和层间断裂韧性的影响,还需要进行更深入更系统的研究,以确立能够指导设计与生产的技术参数和制备工艺11-12

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2. 研究的基本内容与方案


2.1 基本内容

材料制备:1)制备预浸料。取质量份数为100份的石英纤维,混合酚醛树脂为160份;选择石英纤维作为缝线,捻度为30次/米;缝合时选择合适的角度,采用锁式缝合和链式缝合两种缝合方式。试样规格如下:

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成好英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器及设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-6周:按照设计方案,制备具有缝合结构的2.5d纤维编织体增强酚醛树脂复合材料层合板。

第7-10周:利用万能力学试验机,显微镜,sem,tg-dsc等测试及表征技术对材料的力学性能,显微结构,耐高温性能进行测试。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]wang y g, ding c, lin b.effects of meso-structure in grinding of 2.5d woven fiber-reinforced ceramiccomposites[j]. advanced materials research, 2017, 1142:152-158.

[2]kong. analytical model of elasticmodulus and coefficient of thermal expansion for 2.5d c/sic composite[j].journal wuhan university of technology materials science edition, 2013,28(3):494-499.

[3]zhao xiaolin,du jianhua, yanghongwei, et al. mechanical behavior and failure mechanism of 2.5d(shallow bend-joint,deep straight-joint) and 3d orthogonal uhwmpe fiber/epoxy composites byvacuum-assistant-resin-infused[j]. journal of wuhan university oftechnology-mater. sci. ed. 2016, 31(6):1240-1244.

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