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1 篇 学位论文

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1 篇 电子文献
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日期分布

学科分类号

1 篇 工学
- 1 篇 材料科学与工程（可...
- 1 篇 纺织科学与工程

主题

1 篇 力学性能
1 篇 几何结构模型
1 篇 介观单胞模型
1 篇 织造技术
1 篇 碳纤维三向织物

机构

1 篇 东华大学

作者

1 篇 饶云飞

语言

1 篇 中文

检索条件"主题词=介观单胞模型"

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详细简洁

排序：

碳纤维三向织物织造技术及其复合材料性能研究

碳纤维三向织物织造技术及其复合材料性能研究

引用

作者：饶云飞东华大学

学位级别：博士

碳纤维具有轻质、高强、高模等特点,其制备成的复合材料在航空航天、交通轨道以及特种防护等领域具有广阔应用前景。三向织物含有三组不同方向纱线,织物的织造方法新颖,使其结构中含有六边形孔洞,在减轻重量的同时有较好的力学性能。碳... 详细信息

碳纤维具有轻质、高强、高模等特点,其制备成的复合材料在航空航天、交通轨道以及特种防护等领域具有广阔应用前景。三向织物含有三组不同方向纱线,织物的织造方法新颖,使其结构中含有六边形孔洞,在减轻重量的同时有较好的力学性能。碳纤维三向织物结合了碳纤维的特性和织物结构的特点,相比传统织物,碳纤维三向织物具有超轻薄、力学性能上的准各向同性等特点,使其在航空航天等领域备受关注。然而三向织物的织造工艺相对复杂,碳纤维在织造时存在容易摩擦起毛、纤维断裂、纱线弯折和扭转等难点,目前对碳纤维三向织物连续织造工艺的研究较少,关于织造工艺与碳纤维三向织物的几何特征之间关系的研究鲜有报道,此外,针对碳纤维三向织物复合材料力学性能及对应的有限元分析模型研究也较少。因此,本文将结合碳纤维织造的特点和三向织物织造原理对碳纤维三向织物的织造工艺进行研究,并对织物的几何结构进行建模,确立织物的特征与碳纤维纱线的规格、织造工艺参数之间的关系,用于指导碳纤维三向织物的织造过程,此外,探究了碳纤维三向织物复合材料的拉伸性能,并将其作为增强结构,探究不同铺层结构复合材料的弯曲性能,最后建立了碳纤维三向织物复合材料的三维介观单胞模型,并进行有限元分析,揭示复合材料拉伸过程损伤机理。本文首先根据三向织物的织造原理设计了适用于碳纤维纱线织造的机构,并将其组装成碳纤维三向织物原型织机。织机包括用于储存碳纤维纱线和调节经纱张力、长度的送经机构;根据碳纤维纱线的扁平状特点和三向织物中机前和机后经纱的移动规律,设计出能够配合碳纤维纱线移动特点的开口机构;根据碳纤维纱线在引纬和打纬过程中易产生起毛,纤维断裂的特点,设计了引纬与打纬机构;根据三向织物中纱线排列不够紧密,导致打纬后的结构中纬纱容易移动,造成织物纬密不均的特点,设计了纬密控制与织物整理装置;以及通过步进电机、轴承以及卷绕辊之间的配合形成的碳纤维三向织物卷绕机构。此外,本文还计算了碳纤维经纱在织造时所需的经纱张力,通过定滑轮和砝码连接碳纤维纱线的方式满足了交织前后所需的经纱补偿长度;计算了纬密控制与织物整理装置中纬密控制单元的参数;分析了卷绕辊的直径,步进电机的步距角以及脉冲数与纬纱中心距之间的关系。随后,分别建立了碳纤维三向织物的几何结构单胞模型和截面几何结构单胞模型,并通过织造不同规格碳纤维三向织物对模型进行验证。在几何结构单胞模型中,确立了织物中碳纤维纱线的宽度,织造角和织物几何结构中的六边形孔洞边长,六边形面积,单胞面积以及织物孔隙率之间的关系。在截面几何结构单胞模型中,确立了纱线宽度、截面圆弧对应的角,织造角,经纬纱交织角四个基础参数与织物的参数(同组经纱间的距离、纱线的密度、材料的厚度、反映纱线屈曲程度的屈曲波高、反映纱线截面压扁程度的系数以及交织纱线之间空隙大小的系数)之间的关系。其次,研究了碳纤维三向织物复合材料的拉伸性能。利用树脂膜熔渗成型工艺将不同规格三向织物制备成复合材料后,在0°和90°方向下进行拉伸,发现当碳纤维纱线宽度增加时,三向织物复合材料沿0°方向和90°方向拉伸的最大拉伸载荷随之增加,最大位移也随之增加,而拉伸强度呈下降趋势。对于0°方向拉伸,90°方向拉伸的试样能够获得更大位移,而抗拉强度有所减弱。根据材料的破坏形貌,将0°方向拉伸时复合材料的破坏总结为三个阶段,第一阶段主要是基体的断裂和剥离,第二阶段为碳纤维纱线间的滑移,第三阶段以纤维断裂为主,直至材料失效。沿90°方向拉伸时材料的破坏可分为两个阶段,第一阶段发生的破坏为基体剥离和六边形孔洞的微变形,第二阶段为六边形孔洞的大变形后孔洞断开,导致材料失效。此外,将碳纤维三向织物作为增强结构,研究其复合材料的弯曲性能。在纤维体积含量降低18.44%的情况下,通过优化碳纤维三向织物的铺层位置,弯曲强度可以达到原来的99.18%。随后采用DIC和声发射技术对碳纤维三向织物在复合材料中不同铺层位置时的弯曲损伤机理进行研究,发现当三向织物靠近顶层时,在最大载荷附近处会形成较长时间的剧烈波动,材料中基体断裂和纤维-基体脱粘的信号较多,试样上面两层出现了纤维间歇性断裂现象。当碳纤维三向织物处于材料中间层面时,载荷-位移曲线与单向织物复合材料相似,经过最大载荷后极速下降,峰值附近波动不明显。当碳纤维三向织物靠近底层时,材料随着位移的增加能够获得更多应变,三向织物吸收能量明显增多,当材料载荷达到最高点后,不同于靠近顶层时材料的间歇性破坏,织物中的纤维在后期集中断裂。最后,通过观察碳纤维三向织物复合材料中纱线的路径和截面的形态,并结合纤维体积分数将构建材料的三维模型划分成碳纤维和基体两个部分,建立了三维介观单胞模型。随后借助有限元分析软件模拟不同规格碳纤维三向织物复合材料在0°和90°方向下拉伸的破坏情况,并与实验结果进行对比,揭示了碳纤维纱线的规格以及拉伸角

关键词：碳纤维三向织物织造技术几何结构模型力学性能介观单胞模型

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