双轴向经编增强织物缝合工艺对复合材料力学性能影响的研究

摘要

传统复合材料层合板的最大缺点是各向异性、层间强度低、层间断裂韧性差、冲击损伤容限低，从而限制了它在轻型结构中的应用。 穿过增强织物厚度方向的缝合可以有效地改善增强复合材料的层间性能和损伤容限；同时，缝合技术也可用于缝合连接立体织物，形成三维编织不能一次成型的复杂构件；还可以通过一定设计，把平面材料组合成各种无接点的整体结构材料进行缝合。因此，缝合技术在复合材料上的应用具有很大的发展空间。 轴向经编织物以其优越的物理机械性能而在增强复合材料中应用越来越广。本课题对现有的普通工业用缝纫设备进行局部简单改造，使之试验性地用于双轴向经编增强织物的缝合，缝合时采用了3种缝合线、7种缝合密度及2种缝合线轨迹，利用真空辅助树脂转移模型(VARTM)法对缝合预制件进行不饱和聚酯树脂的注塑，固化成型后，按照标准将板材切割成所需试验尺寸。 参照ASTM标准，本课题自制了双悬臂梁(DCB)试件所用的铰链夹具，着重测试了缝合复合材料和非缝合复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性值。结果发现：相对于非缝合复合材料，缝合使复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性值有了明显的提高。同时本课题也制作了单边切口弯曲(ENF)试件，对复合材料的Ⅱ型层间断裂韧性值进行了试探性测试，从测试结果做定性分析得出：缝合同样也提高了复合材料的Ⅱ型层间断裂韧性值。层间加载破坏过程是一个声发射过程，本课题用声发射信号来描述整个层间裂缝的扩展过程。 为了研究缝合工艺参数对缝合复合材料性能的影响，本课题对多种缝合工艺参数的缝合复合材料进行了Ⅰ型层间断裂韧性测试，并同时测试了拉伸和弯曲性能。试验数据显示：在只变动一个缝合工艺参数，其它缝合工艺参数相同的情况下，随着缝合密度的增大，Ⅰ型层间断裂韧性值提高的幅度越大，复合材料的拉伸、弯曲性能的降低幅度也越大；缝合线越粗，强力越大，Ⅰ型层间断裂韧性值提高的幅度越大，拉伸、弯曲性能降低的幅度也越大；采用改进锁式缝合比采用锁式缝合Ⅰ型层间断裂韧性值提高的幅度大，且复合材料的拉伸、弯曲性能的降低幅度小，因此，采用改进锁式的缝合效果好。以上可以看出：缝合虽然提高了复合材料的层间强度，但同时对织物纤维造成了一定的损伤，降低了复合材料的拉伸弯曲性能。在此基础上，根据实际需要以拉伸与弯曲强度为约束条件，以层间断裂韧性值为目标，优化出了一组缝合工艺参数。 最后，还指出了本课题中的一些不足之处，并为今后的进一步研究提出了一些建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 纺织结构复合材料

1.1.1纺织结构复合材料的概念

1.1.2纺织结构复合材料的发展

1.1.3纺织结构复合材料的应用

1.1.4用于纺织结构复合材料的预制件种类

1.2 缝合技术在纺织结构复合材料中的应用及其发展

1.3本课题的研究内容

本章小结

第二章双轴向经编织物的生产工艺及其力学性能

2.1经编取向结构

2.1.1单轴向经编织物结构

2.1.2双轴向经编织物结构

2.1.3多轴向经编织物结构

2.2纤维原料及其力学性能

2.2.1玻璃纤维种类

2.2.2玻璃纤维的机械性能

2.2.3双轴向经编织物用玻璃纤维纱的拉伸性能

2.3双轴向经编织物的编织工艺及其力学性能

2.3.1双轴向经编织物的编织工艺

2.3.2双轴向经编织物的拉伸性能

本章小结

第三章双轴向经编织物的裁剪缝纫性能

3.1缝纫技术发展简史

3.2缝合复合材料用缝合方式及其缝合线轨迹

3.2.1双边缝合

3.2.2单边缝合

3.3缝合复合材料的缝合工艺参数

3.3.1缝合线类型

3.3.2缝合线股数

3.3.3缝合线直径

3.3.4缝合密度

3.3.5缝合式样

3.3.6缝合角度

3.4实验用缝纫机的成缝机件与成缝原理

3.4.1成缝机件

3.4.2锁式线迹的形成方法

3.5双轴向经编织物裁剪铺层缝合工艺

3.5.1缝合线种类

3.5.2缝合密度

3.5.3缝合线轨迹

3.6多层织物缝合的实物图

3.7缝合预制件编号

本章小结

第四章织物增强复合材料的制造工艺

4.1纺织结构复合材料常用树脂

4.1.1不饱和聚酯树脂

4.1.2环氧树脂

4.1.3酚醛树脂

4.2复合成型方法

4.2.1 手糊或湿法铺覆工艺

4.2.2真空袋压、真空成型和热压罐成型

4.2.3模压成型

4.2.4注射模塑成型

4.2.5树脂传递模塑法(RTM)

4.3试验用复合材料的成型工艺

4.3.1试验选用树脂

4.3.2成型过程及成型效果

本章小结

第五章缝合与非缝合复合材料的层间力学性能测试

5.1概述

5.2 Ⅰ型层间断裂韧性GIC的测试

5.2.1试件制备

5.2.2测试方法

5.2.3测试结果及其分析

5.3Ⅱ型层间断裂韧性GIC的测试

5.2.1试件制备

5.3.2测试方法

5.3.3测试结果及其分析

本章小结

第六章缝合工艺参数对复合材料力学性能的影响

6.1概述

6.2缝合工艺参数对复合材料力学性能的影响

6.2.1缝合密度的影响

6.2.2缝线股数及种类的影响

6.2.3缝线轨迹的影响

6.3缝合工艺的优化

本章小结

第七章结论

7.1课题研究结果

7.2课题展望

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢