纖維柱增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的制備工藝及力學(xué)性能研究.pdf

1、夾芯結(jié)構(gòu)通常是由上下兩層高強(qiáng)度、高模量的薄面板和中間較厚的輕質(zhì)芯材組成，由于其結(jié)構(gòu)合理、比剛度大、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天航空、船舶、高速交通等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的夾芯結(jié)構(gòu)多是通過(guò)焊接或膠接的方法將面板和芯子連接在一起，這樣既增加了制造成本又導(dǎo)致面芯界面較為薄弱。為了解決傳統(tǒng)夾芯結(jié)構(gòu)面芯界面薄弱的問(wèn)題，本文采用一體化方法制備了纖維柱增強(qiáng)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)和全復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)兩種新型復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征和理論

2、分析的方法研究了其基本的力學(xué)性能。
　　在第一章中，本文對(duì)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的Z向增強(qiáng)技術(shù)、點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的制備工藝及力學(xué)性能的研究進(jìn)行了較為詳細(xì)的回顧和綜述，并闡述了本課題研究的目的和意義。
　　在第二章中，應(yīng)用VARTM注射一體化成型工藝，制備了纖維柱增強(qiáng)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。對(duì)5種不同纖維柱含量的夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了壓縮、三點(diǎn)彎曲和剪切實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，纖維柱的引入可以有效提高泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，尤其能彌補(bǔ)由于泡沫芯材強(qiáng)度和剛度較

3、低而帶來(lái)的夾芯結(jié)構(gòu)抗剪切和平壓性能較差的不足，從而提高了夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲性能。
　　纖維柱的引入可以提高泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，但如何影響并不清楚。在第三章中，建立了纖維柱增強(qiáng)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的細(xì)觀力學(xué)模型，采用引入修正系數(shù)的Mori-Tanaka方法有效預(yù)報(bào)了纖維柱增強(qiáng)泡沫芯子的法向彈性模量和橫向剪切模量，并探討了纖維柱內(nèi)纖維體積含量和纖維柱直徑的變化對(duì)芯子彈性性能的影響。
　　纖維柱增強(qiáng)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)芯子中主要承載的是纖維柱，泡

4、沫只是起到固定纖維柱和輔助成型的作用，如果將纖維柱增強(qiáng)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)芯子中的泡沫去除，只保留纖維柱，這樣在不削減夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的同時(shí)，又能在芯子中留出空間用作多功能夾芯結(jié)構(gòu)。這種中空的夾芯結(jié)構(gòu)即點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)。點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)由于其密度低、力學(xué)性能優(yōu)異且可作為多功能結(jié)構(gòu)而成為力學(xué)和材料研究者研究的熱點(diǎn)。目前對(duì)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的研究主要是金屬點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，而復(fù)合材料與金屬材料相比具有密度低，比強(qiáng)度大，比剛度高以及可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，因此研究全復(fù)合材料

5、點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)具有更大的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義。在第四章中，設(shè)計(jì)并采用預(yù)浸料一體化熱壓成型工藝制備了直柱型、傾斜型和三維金字塔全復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)。
　　對(duì)三種點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平壓、剪切和側(cè)壓實(shí)驗(yàn)，觀察了其典型的失效模式。在平壓和剪切載荷作用下，主要失效模式為點(diǎn)陣柱的屈曲和壓潰。側(cè)壓載荷作用下，主要是結(jié)構(gòu)的整體屈曲、面板局部皺曲和面板分層。沒(méi)有觀察到傳統(tǒng)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)面芯結(jié)點(diǎn)的失效。通過(guò)對(duì)點(diǎn)陣芯子的代表性單胞施加正應(yīng)力和剪應(yīng)力，采用材