雙軸向緯編針織結構熱塑性復合材料拉伸性能研究.pdf

1、熱塑性復合材料是目前發(fā)展較快、研究較廣的新型材料，它具有高應變、低成型周期以及可再生產等特點，特別是近些年，利用高性能增強纖維與熱塑性纖維混合紗編織形成織物預型件，并經熱壓成型生產熱塑性復合材料的方法被證實是簡單有效的熱塑性復合材料加工方法。采用這種方法得到的熱塑性復合材料，可在紗線種類的選取與配比以及織物鋪層方面具有更大的靈活性和設計性，從而得到所需力學性能的材料。
　　 雙軸向緯編針織結構是在緯編針織結構基礎上襯入平直的經紗

2、和緯紗的一種增強結構。與普通緯編針織結構相比，它具有較高的纖維含量和較小的孔隙率，并且可充分利用伸直紗線束的力學性能，制造具有優(yōu)良力學性能的復合材料。
　　 本課題以雙軸向緯平針織結構熱塑性復合材料為研究對象，利用高性能纖維與熱塑性纖維混合紗共編的方法形成預型件，并通過熱壓成型形成復合材料，對復合材料的拉伸性能進行系統(tǒng)的實驗研究，利用細觀力學的方法對其彈性常數進行了分析與計算，利用蒙特卡羅統(tǒng)計計算方法結合束鏈模型與應力剪滯分配方

3、法對復合材料的拉伸強力進行了預測，從試驗和理論上綜合分析了織物結構參數對雙軸向緯編結構熱塑性復合材料拉伸力學性能的影響。
　　 課題首先對不同線密度玻璃纖維以及碳纖維和芳綸為增強材料的雙軸向緯編針織結構/聚丙烯熱塑性復合材料的制備以及拉伸力學性能進行了試驗研究。通過試驗數據的分析，探討了雙軸向針織結構增強復合材料的拉伸力學行為，分析了增強襯紗纖維含量對材料初始模量和斷裂強度的影響，同時對復合材料的不同斷裂形式進行了分析，詮釋了各

4、種破壞機理。
　　 為了更好地研究復合材料的力學性能，建立了雙軸向針織結構三維幾何模型，對特征單元體的成圈紗、襯經紗和襯緯紗的形態(tài)進行了理論模擬，推導出各子元線段長度與紗線及織物結構參數間的關系，探討了影響材料成型厚度以及纖維含量的因素，為理論分析織物結構對其力學性能的影響關系奠定了基礎。
　　 通過分析成型后各子元的形態(tài)變化，對三維織物結構模型進行了適當修正，得到成型后的織物形態(tài)。借助于橋聯(lián)模型，利用紗線的取向變化，對

5、各子元的整體剛/柔度矩陣進行分析組合，最終得到材料的整體剛/柔度矩陣和彈性常數。由于雙軸向襯經襯緯結構的復雜性，在進行細觀力學分析時，采用體積平均的分析方法，首先將特征單元體分解為成圈紗、襯經紗、襯緯紗和基體四部分，利用等應力邊界條件和等應變邊界條件對成圈紗和襯紗進行剛/柔度組合，最終利用混合率法則和等應力及等應變邊界條件的最佳系數組合對四子元的剛/柔度進行組合，從理論上得到材料的總體剛/柔度矩陣和彈性常數。分析表明采用這種分析方法所得

6、到的彈性常數理論預測值與實驗結果吻合良好。
　　 在進行軸向強力預測時，建立了載荷方向襯紗紗線強力與材料拉伸斷裂強力的關系。首先利用增強紗線與基體的粘結強度關系，定量計算了含脂束紗線斷裂的臨界長度，并利用紗線強力的二參數韋布爾分布模數，計算得到臨界長度下的紗線強力分布。借助于鏈式統(tǒng)計模型和剪滯應力分配法則，利用蒙特卡羅統(tǒng)計方法對軸向襯紗的強力進行定量分析與模擬，同時結合線圈結構本身的影響以及基體的影響進行綜合分析，從理論上模擬了