（纺织工程专业论文）不同温度下树脂基三维五向编织复合材料拉伸性能的研究.pdf

独创性声明 f i i iii ii ii i i ii i 1i iiif y 17 7 3 0 3 6 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：枥枉易 签字日期：砰年；月- 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：锄枉考 签字日期：叩年弓月日 聊虢韶枣 签字日期：咖年弓月日 学位论文的主要创新点 一、本课题对三维五向编织复合材料和层合复合材料在不同温度下和不同加 热持续时间下的拉伸性能分别进行了详尽的研究，结合两种材料的结构特点分析 了拉伸性能变化的机理，并对两者的差异进行了细致的探讨。 二、在对不同温度下和不同加热持续时间下材料拉伸性能进行讨论过程中， 课题采用了拉伸性能的五个特征指标即断裂强度、断裂伸长率、弹性模量、断裂 比功和功系数。通过这些不同的特征指标从不同侧面全方位的反映了温度对材料 拉伸性能的影响。 摘要 随着三维编织复合材料应用领域的逐步扩大，恶劣的应用环境对材料对外界 温度的适应性提出了更高的要求。本课题正是基于这一事实，为三维编织在尖端 领域例如航空航天以及深海远洋等的应用而展开的。课题主要研究了不同温度以 及在不同温度下的持续时间对树脂基三维五向编织复合材料和层合复合材料拉 伸性能的影响规律，通过对不同温度和不同温度下持续时间对拉伸性能的五个特 征指标影响的细致分析，详细讨论了不同温度及其不同温度下持续时间对三维五 向编织复合材料和层合复合材料拉伸的影响规律，分析了产生这些变化的机理。 本课题在实验中选取了三维五向编织复合材料和层合复合材料作为实验对 象，选定了常温、1 5 0 和1 8 0 三个温度点以及1 5 m i n 、6 0 0 r a i n 、1 8 0 0 m i n 三个 温度持续时间作为实验条件进行一系列的对比试验。在实验过程中保持单一变量 以便使试验结果具有可比性。在对实验结果处理中，一方面通过在某一参数保持 不变的条件下对另一参数的所有试验数据进行线性拟合，以预测整体的变化规 律，另一方面，将所有的实验数据求取平均值，通过折线图详细了解具体的变化 过程，以避免由于线性拟合带来的误差。通过对实验数据的分析得出以下结论。 ( 1 ) 温度对树脂基复合材料的影响主要体现在树脂性能随温度的变化以及 由于树脂的变化而引起的纤维增强体中纤维的排列和结构的变化上。在升温的初 始阶段，两种结构的复合材料的各种性能的变化趋势基本上是相同的。但是当温 度升高到一定程度，由于增强体结构的不同，而引起对温度不同的反应，对编织 复合材料来说，纤维增强体的结构调整幅度变大，纤维趋向度和伸直度提高，断 裂同时性提高，整个材料表现出高强高模的特性，而对层合复合材料来说，由于 层与层之间树脂基质的变化，破坏了其应有的传递和转移载荷的作用，使得在单 层板没有达到最大断裂强力时便由于层间的滑脱而发生断裂。 ( 2 ) 在一定温度和外界载荷的作用下，一定的持续时间可以使得树脂基复 合材料中树脂基质变化，增强体纤维通过调整纤维的趋向可以获得更高的断裂强 力和弹性模量等指标，这个加热的过程对树脂基复合材料来说影响很大，如果长 时间的作用会使得材料丧失一定的弹性，使得材料的断裂伸长率减小，使得材料 在拉伸过程中表现出一种脆性材料的特性，抗冲击性能下降。 ( 3 ) 在1 5 0 和1 8 0 时，三维五向编织复合材料的拉伸强度比常温时的拉 伸强度分别下降了1 3 6 ( 负号说明没下降反而升高了) 和1 5 3 7 ，而层合复 合材料的拉伸强度则比常温时的拉伸强度分别下降了1 3 3 和3 4 4 2 ，这说 明，相同树脂基体的复合材料，增强体结构对复合材料的温度性能有着重要的影 响。 i 关键词：三维五向编织复合材料：层合复合材料；温度；持续时间；拉伸性能 a b s t r a c t a l o n g w i t hc o n t i n u o u s e x p a n s i o n o f t h r e e - d i m e n s i o n a l ( 3 - d ) b r a i d e d c o m p o s i t e s a p p l i c a t i o nf i e l d s ，t h ec o m p l i c a t e d e n v i r o n m e n tn e e d sah i g h e r a d a p t a b i l i t yo fc o m p o s i t ep r o p e r t i e st ot e m p e r a t u r e t h i sa r t i c l ew a sl a u n c h e du n d e r t h i ss i t u a t i o n i nt h i ss t u d y , e f f e c t i n gr u l e so ft e m p e r a t u r ea n dt h el a s t i n gt i m eo f t e m p e r a t u r et o t h es t r e t c h i n gp r o p e r t i e sw e r eo b s e r v e d t h r o u g ht h eo b s e r v a t i o no f t e m p e r a t u r ea n dt h el a s t i n gt i m et o t h ef i v ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ee f f e c tr u l e sa n dt h e a c c o r d i n gm e c h a n i s mo fv a r i a t i o no fb r a i d e dc o m p o s i t ea n dl a m i n a t e dc o m p o s i t e w e r ec a r e f u l l yd i s c u s s e d i nt h ec o m p a r i s o ne x p e r i m e n t s 3 - da n df i v e d i r e c t i o nb r a i d e dc o m p o s i t e sa n d l a m i n a t e dc o m p o s i t e sw e r ec h o s e nu n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r e ，15 0 。c ，18 0 。c ，t h el a s t i n g t i m ew e r e15 m i n ，6 0 0 m i n ，18 0 0 m i n d u r i n gt h i sp r o c e s s ，i no r d e rt oc o m p a r i s o n ， s i n g l ev a r i a t i o nw a sk e p t i no n eh a n d ，a l lt h eo t h e rv a r i a t i o n sw e r el i n e a rf i t t e dw i t h t e m p e r a t u r eo rl a s t i n gt i m eu n c h a n g e d ，i no r d e rt of o r e c a s tc h a n g e s 仃e n d s i nt h e o t h e rh a n d ，a l le x p e r i m e n t a ld a t aw e r ea v e r a g e dt oc a r e f u l l yl e a r na b o u tt h ec h a n g i n g p r o c e s sb yl i n ec h a r t t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，i tc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w s ( 1 ) t h ee f f e c t so fe n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r eo nc o m p o s i t em a i n l yr e f l e c to n t h ec h a n g e so fr e s i na n dc o r r e s p o n d i n gf i b e rc h a n g ei na r r a n g e m e n t sa n ds t r u c t u r e i n t h eb e g i n n i n g ，t h ec h a n g e sw e r es a m et ot w ok i n d so fc o m p o s i t e s w h i l ea st h e t e m p e r a t u r er o s e ，t h er e s p o n s e w a sd i f f e r e n tf o rt h ed i f f e r e n c ei ns t r u c t u r e t ob r a i d e d c o m p o s i t e ，f o ri t sl a r g ea d j u s t m e n t i nf i b e rt e n d e n c ya n ds t r a i g h t ，t h eb r e a k s i m u l t a n e i t yw a sr a i s e da n dt h ew h o l em a t e r i a lw a so fh i g h e rb r e a ks t r e n g t h t o l a m i n a t e dc o m p o s i t e ，f o rt h ec h a n g e sh a p p e n e db e t w e e nl a y e r s ，t h ee f f e c t so ft r a n s f e r a n dd e v o l v ew e r el o s t ，w h i c hm a k et h ec o m p o s i t eb r e a ku n d e rt h em a x i m u m ( 2 ) ac e r t a i nl a s t i n gt i m em a k et h ef i b e ri nr e s i nh a v eah i g h e rt e n d e n c y w h i c hm a k e st h ew h o l ec o m p o s i t eh a v eh i g h e rb r e a ks t r e n g t hf o rt h e c h a n g eo f r e s i n u n d e rac e r t a i ne f f e c to ft e m p e r a t u r ea n dl o a d i n g t h i sh e a t i n gp r o c e s sh a sa g r e a te f f e c to nt h ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t e w h e nt h i sp r o c e s sl a s t sf o rt o ol o n gt i m e ， t h em a t e r i a l sw i l ll o s tac e r t a i ne l a s t i c i t y , m a k et h ec o m p o s i t eh a sas m a l le l o n g a t i o n ， i w h i c hm a k et h em a t e r i a ls h o wb r i t t l e n e s s ( 3 ) a t15 0 a n d18 0 ，t h es t r e n g t ho ft e n s i l ep r o p e r t y o f3 - da n d f i v e d i r e c t i o nb r a i d e dc o m p o s i t e sd e c r e a s e db y - 1 3 6 ( n e g a t i v en u m b e rs h o w e di t d i dn o td e c r e a s eb u ti n c r e a s e ) a n d15 3 7 c o m p a r e dw i t hn o r m a lt e m p e r a t u r e ，w h i l e t h es t r e n g t ho ft h el a m i n a t e dc o m p o s i t ed e c r e a s e db y13 3 a n d3 4 4 2 ，w h i c h s h o wt h a ts t r u c t u r eo fr e i n f o r c e m e n th a das i g n i f i c a n ti m p a c to nt h et e m p e r a t u r e p r o p e r t i e so fc o m p o s i t em a t e r i a l sf o rt h es a m er e s i nm a t r i xc o m p o s i t em a t e r i a l s k e yw o r d s ：3 - da n df i v e - d i r e c t i o nb r a i d e dc o m p o s i t e s ；l a m i n a t e dc o m p o s i t e s ； t e m p e r a t u r e ；l a s t i n gt i m e ：s t r e n g t ho f t e n s i l ep r o p e r t y 目录 目录 第一章绪论1 1 1 三维编织复合材料概述一2 1 2温度对树脂基复合材料性能的影响研究现状4 1 3 本课题的研究意义和主要内容7 第二章实验及数据处理9 2 1试验原料及仪器9 2 2 试件制各1 1 2 3拉伸性能测试及数据处理1 3 第三章温度对树脂基复合材料拉伸性能的影响1 9 3 1温度对编织复合材料拉伸性能的影响1 9 3 2 温度对层合复合材料拉伸性能的影响2 5 3 3温度对两种复合材料拉伸性能的对比分析3 0 3 4本章小结3 7 第四章温度持续时间对树脂基复合材料拉伸性能的影响3 9 4 1 持续时间对编织复合材料拉伸性能的影响3 9 4 2持续时间对层合复合材料拉伸性能的影响4 4 4 3 持续时间对两种复合材料拉伸性能的对比分析4 8 4 4 本章小结5 3 第五章温度及其持续时间对两种复合材料拉伸性能综合作用分析5 5 5 1 对断裂应力的影响：5 5 5 2 对断裂伸长率的影响5 7 5 3对弹性模量的影响5 8 5 4 对断裂比功的影响5 9 5 5对功系数的影响6 0 5 6 本章小结6 1 第六章总结与展望6 3 6 1主要结论6 3 6 2 拟进一步的工作6 5 天津t 业人学顾：学位论文 参考文献6 7 发表论文情况和参加科研情况明7 l 附录7 2 致谢7 5 2 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪以来，随着航空、航天、汽车、船舶、能源等工业的迅猛发展，材 料的性能要求日益提高和严格，如减轻重量、提高强度、降低成本等。复合材 料正是适应这一需求逐渐发展起来的。复合材料是适应现代科学技术发展涌现 出的具有极大生命力的材料，它是两种或两种以上的、性能不同的材料由人工 构成的多相固体材料，它可以充分发挥单一组成材料的优点，克服其弱点，具 有单一材料所无法比拟的优越的综合性能。例如：复合材料比强度高、比刚度 高，且具有较好的抗疲劳性、减振性、高温性、易成型性等许多优点，以及一 些特殊的声、电、磁等优良性能，而且可根据使用条件的要求进行设计和制造， 以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能【l 】。迄今，复合材料已 广泛用于航天、航空、汽车、船舶、建筑、能源、化工、医疗、运动器械以及 生活用品等领域。 由于传统的复合材料在层与层之间没有增强纱线或纤维的联接，因而其几 何特征和力学性能在一定程度上影响了产品的使用范围。随着航天、航空技术 的发展，传统的层合复合材料已不能完全满足某些产品对性能方面的迫切需求， 如恶劣环境中高速飞行的航天器，其材料要具备轻质高强、防热、隔热等多功 能【2 1 。为了克服这些不足，在2 0 世纪8 0 年代初，国外成功研究了三维编织设 备、三维异型整体编织技术和三维编织复合材料。三维编织复合材料是指由纤 维或纱线编织成的预成型件与基体材料复合而成的复合材料，它是三维编织技 术和现代复合材料相结合的产物。三维编织结构预成型件是具有多轴纤维取向 高度整体化的连续集合体，从根本上克服了传统复合材料由于层间没有纱线通 过而容易分层的弊病。它的出现引起了各国科技界的高度重视，一些发达国家 如美国、法国、德国、俄罗斯等都投入大量的人力和物力进行研究开发，尤其 是美国航空航天局制定了六年的发展先进复合材料技术的a c t 计划，投资1 亿多美元来开发三维编织技术和自动化加工，以提高复合材料的强度和耐冲击 性，并可实现一体成型。以三维编织结构为增强相的复合材料其预制件可以一 次编织成型，纤维贯穿材料的长、宽、高三个方向，形成一种三维整体网状结 构i 毛4 ，5 6 】，相对于传统的层合板复合材料有很大的优越性。首先，三维编织复合 材料在厚度方向上提供了更大的刚度和强度；其次，它克服了传统的层合板复 合材料易分层、开裂敏感和损伤扩展快，层问强度低，抗冲击损伤性能差的缺 点；第三，三维编织复合材料拥有良好的可设计性、整体异型性及净尺寸制造 等优点。因而近年来受到工程界和学术界的极大关注，成为航空、航天等高科 技领域的重要的材料，并在交通运输、电子工业、石油化工、建筑领域及体育 天津1 ：业人学硕十学位论文 用品和医疗器械等方面得到了应用 7 , 8 , 9 , 1 0 , 11 , 1 2 】。 近年来，随着复合材料的发展，应用领域的扩大，不同的使用环境温度，对 树脂基复合材料的影响也不同。各国研究人员也对不同温度下树脂基复合材料性 能变化的研究取得了很大的成绩，特别是在力学性能、电性能、吸湿性能方面取 得了许多研究成果，在研究方法上，也有创新，这就为复合材料的应用提供了很 好的依据。 1 1三维编织复合材料概述 1 1 1 三维编织工艺原理 三维编织工艺的原理是：通过携纱器精确地沿着预先确定的轨迹在平面上 移动，使许多同一方向排列的纤维相互交织构成网状的整体结构，最后打紧交 织面而形成不同形状的预制件。随着三维编织技术的发展，人们提出了许多种 编织方法，其中，两步法【1 3 1 和四步法【1 4 1 代表了该领域的主流。每种方法有方形 编织和圆形编织两种编织形式。方形编织物相邻两个面垂直，如t 型梁；圆形 编织物截面为圆形或圆形的一部分。 四步法编织既可以只有编织纱系统，也可以有编织纱和轴纱两个纱线系 统，即：轴纱加在编织纱中间，每根轴纱周围都被编织纱交织包绕。由于纱线 的一个运动循环分为四步，故称四步法。而二步法编织必须有编织纱和轴纱两 个纱线系统。在编织过程中，轴纱静止不动，编织纱按一定的规律在轴纱问相 互交错运动，并把轴纱绑紧形成三维编织预制件。因其纱线在机器上的排列形 式经过两个运动步骤后，恢复到初始状态。 o o ooo o 9 o 9 o 9o9 o 9 o o o oo o 9 o 9 o o o9 o 9 o 9 o0o o 9 o 9 o o o oo 固o o o ooo 0b r a i d i n gy a r nc a j t i 盯圆一a x ；a ly a r nc a r r i e r 图1 - 1 三维五向编织的纱线排列示意图 第一章绪论 四步法编织又分为三维四向编织、五向编织、六向编织等。本文所用的是 三维五向编织复合材料。它是在四步法普通三维四向编织物的基础上，在编织 过程中引入了一组沿编织成型方向不动的纱线而形成的一种新的整体编织结 构。加入的不动纱线不参加编织，但被编织纤维所包围，称为第5 向不动纱或 轴纱。在三维五向方型编织中，携纱器所携带的编织纱线在编织机底盘上按行 和列的形式排列，如图1 1 所示。 1 1 2 三维编织技术的发展历程 三维编织技术是二维编织技术的拓展，开始于6 0 年代后期，主要应用于 复合材料增强织物的制作。它将纺织加工技术的研究对象由平面转向立体。传 统的三维编织是角轮驱动的工艺，1 9 6 9 年b l u c k t l 5 】提出高速斜织和编织方法。 1 9 7 1 年，g e n e r a le l e c t r i c 的研究人员开发的“o m n i w e a v e ” 1 6 】是三维编织技术的 一个新发展。这两种方法的编织机理不同于传统的编织技术，采用不连续的排 和列的运动取代了角轮连续运动，出现了四步法三维编织的雏形。1 9 7 3 年，德 国人m a i s t r e 1 7 】申请了一个专利，开发了一种编织三维织物的方法，被认为是第 一台全自动的三维编织机，可形成4 2 的编织物。1 9 8 2 年，f l o r e t i n e 1 8 】申请了 一个专利为“m a g n a w e a v e ”的机器设备，使四步法三维编织得到了彻底的完善。 同时他提出了2 1 2 l 由气动驱动的方型四步法编织机，由开关控制行和列的驱 动，纱管直径为1 5 英寸，带纱不多。 随后，美国大西洋研究公司【19 j 生产了一个大型四步法三维编织机，携纱器 6 4 1 9 4 。编织的形式为四步法1 1 编织。1 9 9 6 年，天津工业大学( 原天津纺 织工学院) 复合材料研究所研制成功了目前世界上挂纱根数最多的一台由计算 机控制的全自动三维编织机，可挂编织纱线2 万根，不动纱2 万根。编织由计 算机控制，可编织异型构件。这一成果为我国航天航空等领域研制多种急需的 三维编织复合材料提供了有利保障。鉴定专家组认为，天津工业大学的多种三 维编织工艺技术和组合式三维编织机及三维编织计算机辅助设计软件填补了我 国三维编织中异型整体编织件制作的空白，具有国际先进水平。 1 1 3 树脂基三维编织复合材料的复合固化工艺 常用的树脂基三维编织复合材料的固化成型技术包括树脂传递模塑技术 ( r t m r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ) 、树脂膜渗透技术( r f i r e s i nf i l mi n f u s i o n ) 等。 r t m 工艺全称为树脂传递模塑工艺【2 0 1 ，是树脂基复合材料成型中的一种。 最初的产生是为了克服手糊和喷射工艺中存在的种种弊端( 如效率低下、制品 强度不高、尺寸不稳定、表面质量差、原料挥发导致环境严重污染等缺点) 而 天津r 业人学硕十学位论文 开发的新工艺。r t m 工艺尤其适合制作尺寸精度要求高、结构复杂的三维编织 复合材料制件。r t m 是一种闭合模塑技术，在成型时树脂被注射进入模腔中， 在压力作用下，树脂在增强材料预制件中流动且传递到各个部位。树脂注射完 毕后，经过固化反应，制成最终产品【2 1 ，2 2 1 。在注射过程中，有时需要加以真空 辅助。在纤维增强树脂基复合材料的制备中，向r t m 模腔中铺放纤维是比较 重要的工序。铺放时纤维容易移动错位，而改变增强纤维的原设计方向和位置， 对于形状复杂的模腔铺放则更加困难。编织后的预制件克服了手工铺放纤维的 弊端，减少了模具占用时间，缩短了制品成型周期。同时，预制件的整体结构 减少了树脂高速流动冲刷对增强材料形状造成的破坏【2 引。 r f i 工艺技术【2 4 】始于2 0 世纪8 0 年代，最初是为成型飞机结构件而发展起 来的。近年来这种技术已进入到复合材料成型技术的主流之中，适宜多品种、 中批量、高质量先进复合材料制品的生产成型，它已在汽车、船舶、航空航天 等领域获得一定的应用。它是一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的树脂浸渍 技术。其工艺过程【2 5 】是将预催化树脂膜或树脂块放入模腔内，然后在其上覆以 缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体等增强材料，再用真空袋封闭模腔， 抽真空并加热模具使模腔内的树脂膜或树脂块融化，并在真空状态下渗透到纤 维层( 一般是由下至上) ，最后进行固化制得制品的一种复合材料成型工艺技术。 近年来由于环境法的要求和对产品要求的提高，使敞模成型复合材料同益受到 限制，同时也促进了r f i 技术的快速发展。 1 2温度对树脂基复合材料性能的影响研究现状 从当前的研究来看，对复合材料在不同温度下的力学性能较为关注，通过 实验，给出了很多结论。其次，学者在研究温度对它的热学性能和电学性能影 响稍多，对其他性能的影响也有研究，但是很少。 1 2 1 对力学性能的影响 综合来看，温度对力学性能影响的研究很多，因为在现实应用中，力学性 能是受关注的主要性能之一。 韩小平【2 6 】等在不同的温度环境下，利用m t s 材料试验机，采用中等应 变速率( 1 s ) 对玻璃布坏氧层板是实施了冲击拉伸试验，在同一应变率下，当 环境温度升高时，模量和拉伸强度值明显降低。 邓宗才等用2 1 个试件，研究了温度对a f r p 与混凝土间抗剪切粘结 强度的影响。研究表明：在4 0 - - 一6 0 之间的温度段内，其抗剪切粘结强度 变化较小，破坏形态均为混凝土试块的破坏；而当温度达7 0 时，抗剪切粘 4 第一章绪论 结强度降低程度非常大，且破坏形态发展为树脂与混凝土粘结层的破坏。 蒋永涛【28 】在众多环境因素中，温度是对木塑复合材料性能影响最显著的因 素之一。在一定温度范围内，木塑复合材料的抗弯性能随温度的升高而降低。 m e h d it a j v i d i 2 9 】在对纤维素复合材料和尼龙6 在不同温度下进行了动 态和静态实验研究，结果发现温度升高，弯曲强度，弯曲模量，拉伸强度拉伸 模量都会下降。而对弯曲和拉伸强度的影响最大。在抵制温度对性能的影响时， 纤维素复合材料比尼龙6 要好。 1 2 2 对吸湿性能的影响 目前在研究温度对复合材料的影响的时候，很多人会研究温度对吸湿性能 的影响，一般来说，在研究时，总是温湿度一起进行。 管国阳【3 0 】采用混合型挠曲分层试件，对不同含湿量的t 3 0 0 5 4 0 5 单向板， 在不同温度条件下层间断裂韧性进行了试验研究。结果表明：常温下，含湿量 并不会对层板的断裂韧性产生显著影响；高温下随含湿量增高层压板的韧性有 明显改普。材料含湿量较高时，随温度升高，层压板层间断裂韧性提高。栗晓鬈 飞【3 l 】经过正交试验对环境因素进行筛选，得出温度是影响复合材料腐蚀的最显 著环境因子。不同温度下，温度越高，吸水速率越快，平衡吸湿量越高。f e l l y i n 3 2 】通过实验证明，玻璃纤维环氧树脂浸润与蒸馏水环境下的吸湿率主8 ” 要取决于它所浸润的水温。水温为9 0 时，其强度和延展性都要下降。水温在 3 0 下，吸湿饱和为8 ，而且复合材料的机械性能几乎不变。吕小军【3 3 】等研 究了3 5 ( 质量分数) n a c i 溶液和去离子水两种介质分别在3 0 和8 0 两个温 度下溶液浸泡对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响。研究发现：浸泡 使复合材料的力学性能下降，8 0 下浸泡使复合材料力学性能下降更显著；低 温下介质组分对复合材料的影响不是很明显，8 0 下去离水中浸泡对复合材料 的静态力学性能破坏更显著。 1 2 3 对阻尼性能的影响 杨和振等【3 4 】通过动力测试试验研究了环境条件变化对复合材料层合板振 动特性的影响。在不同温度条件下利用锤击以及激振器实验方法测定复合材料 层合板的动力响应，采用随机子空间法( s s i ) 识别了其固有频率、阻尼以及模 态振型。研究结果表明，复合材料层合板结构固有频率及阻尼比与温度变化存 在逆相关关系，而所识别的模态振型变化并没有非常清晰的相关关系。所有试 件识别的固有频率随着温度的增加而减小。温度增加，阻尼比也会减小。 潘利剑【35 】等采用共固化工艺制备了以丁腈橡胶为黏弹性阻尼层的复合材 料，应用动态机械分析仪( d m a ) 测定了该材料损耗因子的温度谱，并对不同温 天津一：业人学硕十学位论文 度环境下该材料的阻尼性能和阻尼机制进行了分析。结果表明：当温度处于阻 尼层玻璃念和高弹态区时，共固化复合材料损耗因子较小且随温度变化不大； 当温度处于阻尼层黏流态区时，共固化复合材料的损耗因子迅速增加到最大值 后变小，最大损耗因子为1 9 2 ，约为未插入黏弹阻尼层复合材料的1 3 倍。 当温度处于黏弹阻尼层高弹态区，共固化复合材料的损耗因子基本不受阻尼层 损耗因子的减小以及界面阻尼等因素的影响。 黄瑞芬【3 6 】在报告中说，温度是另一个强烈影响材料阻尼性能的重要因素， 在对m g 基复合材料的研究中发现，高温可使复合材料的阻尼性能显著地增加， 这是因为在高温下材料界面的阻尼效果逐渐表现出来，并成为材料阻尼特性的 主要贡献者。他f l l n 用扭摆的强迫方式研究了a 1 o a 1 s i 的内耗和动态模量随 温度变化的行为，并与基体作了比较，发现复合材料在高温下内耗显著增加， 而弹性模量下降。 1 2 4 对电学性能影响 近年来，对电学性能的影响也成了人们研究的一个重要方面，尤其是对应 用到航天航空领域的复合材料，温度对电学性能影响是不容忽视的。 卢艳华【3 7 】等以乙烯基酯树脂作为基体，用不同质量分数的短切碳纤维制备 了导电复合材料，研究了材料的电阻率与温度和伏安特性的影响。认为导电复 合材料的p t c 转变温度随碳纤维质量分数的增加而升高；在温度升降过程中， 导电复合材料的升温曲线和降温曲线不能重合，存在回滞坏；随着碳纤维质量 分数的增加，回滞环的面积变小：在同一温度下，降温曲线对应的电阻率比升 温曲线对应的电阻率高一些。 李超【3 8 】等人探讨了航天透波复合材料纤维增强材料和树脂基体的研究进 展，说明在高空飞行环境下，材料厚度方向存在极大温度差，甚至发生物态变 化，材料在不同的温度和物态下具有不同的介电性能。 1 2 5 存在缺陷和不足 通过以上研究现状，我们可以看出，这方面的研究还有很大的提高空问和 进一步深化的必要。主要存在的问题和不足如下： ( 1 )研究的复合材料多为层合板结构，对三维纺织复合材料温度性能的 研究几乎没有。 ( 2 )缺乏温度对层合复合材料与三维编织复合材料制件力学性能影响 对比研究。 ( 3 )对在不同温度下所持续时间对复合材料性能影响的研究也很少。 ( 4 )理论分析尚不完善。 6 第一章绪论 1 3本课题的研究意义和主要内容 1 3 1 本课题的研究意义 通过对不同温度下对三维五向编织复合材料和层合复合材料拉伸性能的实 验研究，找出树脂基复合材料拉伸性能随温度变化、随加温持续时间变化的规 律。在理论上确定不同增强体结构对树脂基复合材料在不同温度下拉伸性能的 影响和温度及其持续时间对复合材料拉伸性能影响的规律。 在相同条件下对层合板进行实验研究，确定温度对不同织物结构复合材料 的拉伸性能的影响。在应用方面为三维五向编织复合材料及层合复合材料的应 用提供温度方面的依据，使复合材料在最适合的温度下工作。对不同温度下三 维五向编织复合材料影响的研究，将会对三维编织复合材料的温度性能有一个 新的认识，为以后更好应用复合材料奠定基础。 1 3 2 本课题的主要内容 1 对三维五向编织复合材料在不同温度下、在同一温度不同持续时间下砖 其拉伸性能变化做出研究，更好认识此材料的温度性能。 2 对比三维五向编织复合材料和层合复合材料在不同温度下的拉伸性能， 探索不同增强体结构对树脂基复合材料在不同温度条件下拉伸性能的影响。 3 总结出温度对复合材料拉伸性能影响的规律。 摹 天津工业人学硕十学位论文 8 第二二章实验及数据处理 第二章实验及数据处理 本课题的实验主要包括试件的编织、固化、层合复合材料切割以及材料的 拉伸试验。所有的试样的编织、固化、层合复合材料切割都是在天津工业大学 复合材料研究所完成的。本章通过对试验原料及仪器、试件制备，拉伸性能测 试及数据处理等的说明和介绍，系统的阐述了本课题实验的实施原则和具体流 程以及对试验数据的加工处理过程，进而为后面章节深入阐述温度及其持续时 间对拉伸性能的影响提供依据。 2 1 试验原料及仪器 2 1 1 试验原料 本课题所用的实验材料为三维五向碳环氧树脂编织复合材料，所有试件都 是在天津工业大学复合材料研究所编织加工而成。 纤维：t 7 0 0 1 2 k 碳纤维 树脂：本课题中采用的基体材料为天津津东化工厂生产的t d e 一8 6 环氧 树脂，学名为4 ，5 环氧环已烷1 ，2 二甲酸二缩水甘油酯，环氧值为0 9 0 士 0 0 2 。其分子式为： o 一删2 一e j = ；c h 2 o 一啦一c 妤h 2 o 固化剂：7 0 # 酸酐，它是由四种同分异构体混合组成的，学名为四氢邻苯 二甲酸酐( p a ) ，其分子量为1 4 6 ，固化温度1 5 0 1 8 0 。c ，固化时间约为4 2 4 小 时。 催化n - 苯胺。 2 1 2 实验仪器 在本研究中，试样的弯曲性能测试均在带有恒温箱的日本岛津 ( s h i m a d z u ) 公司的a g 2 5 0 k n e 型万能材料试验机上进行( 如图2 1 所示) 。 该试验机由计算机控制，数据自动采集并处理绘制图线，测试精度高，可以测 试多种材料的拉伸、压缩和弯曲性能。恒温箱的温度可以在常温到3 0 0 范围 9 天津。i ：业大学硕十学位论文 内可调。 嬲 嬲黝 彩 锄 砂矿 n 图2 1a g - - 2 5 0 k n e 型万能材料试验机和烘箱箱体 图2 2 t c h 一3 8 2 烘箱主机和循环水制冷设备 l o _ 口 ，、，荔锈碧wq端曝 薅；疆笏瑟瑟扩；貔彩魏糕瓣爹渺& 第二章实验及数据处理 2 2试件制备 三维编织复合材料的制备流程为：三维编织预制件的编织一预制件的复合 固化。 层合板的制备流程：剪裁碳纤维平纹布一置于模具中固化一切割成所需尺 寸。 2 2 1 试件编织工艺 本课题所用的三维编织复合材料试件的编织结构为三维五向编织结构，预 成型件均采用四步法l l 方型编织工艺，在天津工业大学复合材料研究所的三 维编织机上编织。 根据测试方案，所需预成型件为3 0 片。在给定结构参数( 编织角、纤维体 积含量等) 的基础上，参考相应的工艺计算方法计算的编织工艺参数。编织过程 中，花节长度要控制好，打紧作用一定要均匀一致。 用于拉伸性能测试的试件规格参数列于表2 1 。三维编织预成型件及复金 材料试件的外形尺寸，花节长度，花节宽度等各参数用游标卡尺进行测量，霎。 测值为任意三点的平均值。 r o 番， 表2 1 试件规格参数 2 2 2 试件固化工艺 编织物制作完成后放置一段时间，使之达到应力平衡之后进行复合固化。 本试验的预制件的固化工艺采用r t m ( r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ) i 艺，即树脂传 递模塑法。它是三维编织复合材料成型的理想选择，它有利于降低复合材料的 空隙率( 一般在1 以下) ，真空辅助的r t m 过程有利于树脂中及织物中的空气 的逃逸，为树脂的浸渍提供了空间，从而提高了浸渍速度和浸渍速率。其工艺 流程图如图2 2 所示。 天津1 ：业人学硕十学位论文 图2 2 固化- t 艺流程图 r t m 工艺对树脂的要求主要是低粘度，浸润性好，不含溶剂，注入温度 低，使用期限较长等。 2 2 3 试件的切割 复合材料的机械加工通常分为常规和非常规两类方法。常规机械加工基本 上沿用了对金属的一套切削加工工艺和装备，可以在一般木材加工机床或金属 切削机床上进行，也可以在冲床上进行冲切工作。一般的说，采用常规加工方 法较为简单，工艺比较成熟，不足的是刀具磨损快，加工质量不高和产生的切 割粉木有害人体健康。非常规机械加工有激光束加工，高压水切割，电火花加 工，超声波加工，电子束加工和电化学加工等。这些方法独特，具有常规机械 加工方法无法比拟的优点。本实验层合复合材料试件的切割加工主要采用铣床 进行加工，加工完后，用砂纸对受切割边稍作打磨，使受切割边保持平整。 2 3拉伸性能测试及数据处理 2 3 1 拉伸性能测试方案说明 本课题重点研究不同温度下树脂基三维五向编织复合材料拉伸性能，并与 相同环境下层合复合材料拉仲性能进行对比。据此，设计三维编织复合材料与 层合板的拉伸性能的测试方案如表2 2 所示。 第删二章实验及数据处理 表2 - 2 试验温度、时间条件 时l u j 1 5 m i n6 0 0 r n i n1 8 0 0 m i n 温度 曩 2 3 、 1 5 0 。c心00 1 8 0 每一种条件进行3 个试样的拉伸试验。 2 3 2 执行标准及说明 课题拉伸测试过程中，执行g b t1 4 4 6 2 0 0 5 纤维增强塑料性能试验方法 总则和g b t9 9 7 9 2 0 0 5 纤维增强塑料高低温力学性能试验准则。 ( 1 )试样的形状及尺寸 根据g b t1 4 4 7 2 0 0 5 纤维增强塑料拉伸性能试验方法等相关标准规定 试片的形状如图2 3 所示。 表2 3 试片的尺寸 参数指标数据( m m ) 总长( l ) 厚度( h ) 中间平行段宽度( b ) 央具间距离( d ) 端部加强片间距离( l o ) 端部加强片最小长度( t ) 2 5 0 4 2 5 1 7 0 15 0 5 0 第二章实验及数据处理 控制，数据自动采集并处理绘制图线，测试精度高，可以测试多种材料的拉伸、 压缩和弯曲性能。 试样的温度确定采用传感器对试样进行测试，以保证温度的正确性。图2 4 是采用传感器测试试样温度的情况。图2 5 是测试数据的系统数据采集系统的 界面。 2 3 3 拉伸测试数据处理 图2 - 5 系统数据采集系统 在探讨温度对复合材料拉伸性能的影响试验中，通过对拉伸曲线及拉伸过 程中的特征指标的提取，系统探讨了温度以及温度维持时间对复合材料性能的 影响。 ( 1 ) 断裂形态分析 为了更好的研究试样的破坏机理，试验后在s m z 1 6 8 显微镜下拍摄试样 断面照片，并对照片进行了分析。 ( 2 )断裂应力：单位面积上，材料能够承受的最大拉力。表示材料抵 抗外力破坏能力的指标。 = 去 式中：o - b ：试样断裂应力( p a ) ； 乞：试样断裂时的强力( n ) ； ( 2 1 ) 天津- t 业人学硕j 卜学位论文 b ：试样宽度( m ) ； h ：试样厚度( m ) ； ( 3 )断裂伸长率：材料拉伸至断裂时的伸长率。表示材料断裂时伸长 变形能力的指标。 = 盟10 0 乇 式中：毛：试样断裂伸长率( ) ； 乞：断裂时试样拉伸段的长度( m ) ； ， 0 ：拉伸前试样拉伸段的长度( m ) ； ( 2 2 ) ( 4 )弹性模量：是指拉伸曲线的起始部分直线段的应力应变的比值， 即曲线初始阶段的斜率。初始模量的大小表示材料在小负荷作用下变形 的难易程度，及材料的刚度。 ( 5 )断裂比功：拉断单位体积的材料所需要做的功。表示材料抵抗外 力破坏所具有的能量。 w 缈= 6 h 乇 式中：国：材料拉伸断裂比功( j m ，) ； w ：材料拉伸至断裂时，外力所做的功( j ) ； w = 宴蹦 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第二章实验及数据处理 其中，p ：材料拉伸应力( n ) ； j ：