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纤维分布对层压复合材料力学性能及固化变形的影响.pdf

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纤维 分布 层压 复合材料 力学性能 固化 变形 影响
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i中 图 分 类 号 : TB332 论 文 编 号 : 10006SY0301235 硕 士 学 位 论 文 纤 维 分 布 对 层 压 复 合 材 料 力 学 性能 及 固 化 变 形 的 影 响 作 者 姓 名 杨 进 军 学 科 专 业 材 料 学 指 导 教 师 张 佐 光 教 授 培 养 院 系 材 料 科 学 与 工 程 学 院 iiEffect of Fiber Distribution on the Mechanical Properties and Cure-Induced Deformations of Composite Laminates A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate: Yang Jinjun Supervisor: Pro. Zhang Zuoguang School of Materials Science & Engineering Beihang University, Beijing, China iii中 图 分 类 号 : TB332 论 文 编 号 : 10006SY0301235 硕 士 学 位 论 文 纤 维 分 布 对 层 压 复 合 材 料 力 学 性 能 及固 化 变 形 的 影 响 作 者 姓 名 杨 进 军 申 请 学 位 级 别 工 学 硕 士 指 导 教 师 姓 名 张 佐 光 职 称 教 授 学 科 专 业 材 料 学 研 究 方 向 聚 合 物 基 复 合 材 料 学 习 时 间 自 2003 年 9 月 15 日 起 至 2006 年 3 月 20 日 止 论 文 提 交 日 期 2006 年 2 月 25 日 论 文 答 辩 日 期 2006 年 3 月 5 日 学 位 授 予 单 位 北 京 航 空 航 天 大 学 学 位 授 予 日 期 年 月 日 iv关 于 学 位 论 文 的 独 创 性 声 明 本 人 郑 重 声 明 : 所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 指 导 教 师 指 导 下 独 立 进 行 研 究 工 作 所 取 得 的成 果 , 论 文 中 有 关 资 料 和 数 据 是 实 事 求 是 的 。 尽 我 所 知 , 除 文 中 已 经 加 以 标 注 和 致 谢 外 ,本 论 文 不 包 含 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 的 研 究 成 果 , 也 不 包 含 本 人 或 他 人 为 获 得 北 京 航 空航 天 大 学 或 其 它 教 育 机 构 的 学 位 或 学 历 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 研究 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中 作 出 了 明 确 的 说 明 。 若 有 不 实 之 处 , 本 人 愿 意 承 担 相 关 法 律 责 任 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 学 位 论 文 使 用 授 权 书 本 人 完 全 同 意 北 京 航 空 航 天 大 学 有 权 使 用 本 学 位 论 文 ( 包 括 但 不 限 于 其 印 刷 版 和 电子 版 ) , 使 用 方 式 包 括 但 不 限 于 : 保 留 学 位 论 文 , 按 规 定 向 国 家 有 关 部 门 ( 机 构 ) 送 交学 位 论 文 , 以 学 术 交 流 为 目 的 赠 送 和 交 换 学 位 论 文 , 允 许 学 位 论 文 被 查 阅 、 借 阅 和 复 印 ,将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 , 采 用 影 印 、 缩 印 或 其 他 复 制 手段 保 存 学 位 论 文 。 保 密 学 位 论 文 在 解 密 后 的 使 用 授 权 同 上 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 指 导 教 师 签 名 : 日 期 : 年 月 日 i摘 要 在 热 压 成 型 复 合 材 料 中 , 增 强 纤 维 很 难 达 到 理 想 的 均 匀 分 布 状 态 , 而 纤 维 在 基 体 中的 分 布 特 性 对 复 合 材 料 的 力 学 性 能 和 固 化 变 形 影 响 很 大 。 本 文 以 T300碳 纤 维 /BMP-316聚 酰 亚 胺 树 脂 为 对 象 , 首 先 设 计 并 制 备 出 了 典 型 纤 维 分 布 不 均 匀 的 复 合 材 料 层 压 板 , 进而 研 究 了 纤 维 分 布 不 均 匀 性 对 复 合 材 料 力 学 性 能 及 其 固 化 变 形 的 影 响 规 律 。 针 对 BMP-316 聚 酰 亚 胺 树 脂 的 固 化 反 应 特 点 , 采 用 对 子 铺 层 进 行 预 压 吸 胶 的 工 艺方 法 , 通 过 控 制 压 力 大 小 、 加 压 时 机 和 预 浸 料 层 数 等 工 艺 参 数 , 设 计 制 备 出 了 典 型 纤 维不 均 匀 分 布 的 复 合 材 料 层 压 板 。 应 用 MATLAB 软 件 开 发 了 复 合 材 料 层 板 中 纤 维 分 布 统计 分 析 的 图 像 处 理 程 序 , 应 用 程 序 可 以 较 好 地 表 征 复 合 材 料 层 压 板 中 纤 维 的 分 布 状 态 。 实 验 测 试 了 HL、 LH、 HLH及 LHL 等 不 同 纤 维 分 布 状 态 的 T300/BMP-316复 合 材 料的 弯 曲 、 层 间 剪 切 、 冲 击 及 动 态 力 学 性 能 。 结 果 表 明 , 复 合 材 料 的 弯 曲 、 冲 击 和 动 态 力学 性 能 强 烈 地 受 到 纤 维 分 布 方 式 、 载 荷 方 向 和 不 均 匀 度 的 影 响 ; HLH 的 弯 曲 性 能 和 冲击 吸 能 特 性 较 好 , 储 能 模 量 高 , LHL的 弯 曲 性 能 较 差 , 储 能 模 量 低 , 但 其 冲 击 韧 性 较 好 ;其 层 间 剪 切 性 能 和 Tg 分 别 由 其 纤 维 /树 脂 界 面 和 树 脂 耐 温 性 能 决 定 , 而 与 纤 维 分 布 的 不均 匀 性 没 有 明 显 关 系 。 基 于 有 限 元 计 算 模 型 分 析 了 纤 维 体 积 含 量 偏 差 、 铺 层 角 度 偏 差 、 纤 维 分 布 不 均 匀 度 、铺 层 数 等 因 素 对 复 合 材 料 固 化 变 形 的 影 响 。 结 果 表 明 , 变 形 量 随 偏 差 量 和 不 均 匀 度 的 增大 而 增 大 , 随 层 压 板 厚 度 的 增 大 而 减 小 , 另 外 变 形 量 还 与 偏 差 层 位 置 、 铺 层 设 计 有 关 。 以 上 研 究 成 果 对 于 深 入 分 析 复 合 材 料 微 结 构 及 其 工 艺 参 数 优 化 具 有 较 重 要 的 参 考价 值 。 关 键 词 : 复 合 材 料 , 层 压 工 艺 , 纤 维 分 布 , 力 学 性 能 , 固 化 变 形 iiAbstract During laminating process of composite laminates, the through-thickness fiber distribution of cured laminates were hardly observed to be even, the distribution of fiber does affect mechanical properties and cure-induced deformation of composite laminates. In this paper, typical T300 CF/BMP-316 composite laminates with nonuniform fiber distribution was designed and manufactured, and then the effect of fiber distribution on the mechanical properties and cure-induced deformation were studied. The typical composite laminates with nonuniform fiber distribution was designed and manufactured by sub-laminate bleeding with the control of applied pressure, occasion of pressing and ply number based on the reaction characteristic of BMP-316 resin. The statistical processing and analysis program developed based on MATLAB can determine the fiber distribution quickly and accurately. The flexural property, impact property, interlaminar shear strength and dynamic mechanics of composite laminates HL, LH, HLH and LHL with different fiber distribution were studied by experiments. The results show that the flexural property, impact property and dynamic mechanics are greatly affected by the type and nonuniformity of fiber distribution and loading direction. HLH laminate has better flexural property, energy-absorbing property and higher storage modulus, LHL laminate has worse flexural property but better impact ductility. However, the interlaminar shear strength and Tg are determined by the fiber/matrix interface and heat resisting property of resin respectively, but not affected by the nonuniformity of fiber distribution. The effect of deviant of fiber volume content and ply angle, the nonuniformity of fiber distribution and ply number on the deformation was analysed by finite element method. The results show that the deformation increases with the increment of deviant of fiber volume content and ply angle or the nonuniformity of fiber distribution, and the deformation decreases when the ply number increases. It was also observed that the magnitude of deformation is dependent on the through-thickness location of the ply with change of fiber volume content or ply angle and lay-up configuration. iiiThese results are valuable for the study of the microstructure and process optimization of composite. Key words: Composite Materials, Laminating, Fiber Distribution, Mechanical Properties, Cure-Induced Deformation iv目 录 第 一 章 绪 论 .............................................................. 1 1.1 引 言 ........................................................... 1 1.2 国 内 外 研 究 现 状 ................................................. 1 1. 2. 1 复 合 材 料 纤 维 分 布 研 究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 2. 2 复 合 材 料 固 化 变 形 研 究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 研 究 内 容 ...................................................... 19 1.4 创 新 点 ........................................................ 19 第 二 章 实 验 部 分 ......................................................... 20 2.1 实 验 材 料 ...................................................... 20 2.2 实 验 设 备 ...................................................... 21 2.3 层 压 板 制 备 .................................................... 21 2.4性 能 测 试 ...................................................... 22 2. 4. 1 流 变 测 试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2. 4. 2 弯 曲 性 能 测 试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2. 4. 3 层 间 剪 切 性 能 测 试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2. 4. 4 冲 击 性 能 测 试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2. 4. 5 动 态 力 学 性 能 测 试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2. 4. 6 金 相 分 析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5层 压 板 变 形 曲 率 测 定 ............................................ 25 2.6数 据 处 理 ...................................................... 27 2. 6. 1 纤 维 分 布 不 均 匀 度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2. 6. 2 复 合 材 料 固 化 变 形 度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 第 三 章 纤 维 分 布 控 制 工 艺 因 素 与 表 征 研 究 ................................... 29 3.1 纤 维 分 布 控 制 工 艺 因 素 研 究 ...................................... 29 3. 1. 1 聚 酰 亚 胺 树 脂 反 应 特 性 研 究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3. 1. 2 压 力 大 小 对 吸 胶 量 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3. 1. 3 加 压 时 机 对 吸 胶 量 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3. 1. 4 铺 层 数 对 吸 胶 量 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2 纤 维 分 布 不 均 匀 层 压 板 的 制 备 .................................... 37 3.3 纤 维 分 布 表 征 研 究 .............................................. 39 v3. 3. 1 表 征 参 数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3. 3. 2 表 征 技 术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4 本 章 小 结 ...................................................... 47 第 四 章 纤 维 分 布 对 复 合 材 料 力 学 性 能 的 影 响 ................................. 48 4.1 纤 维 分 布 对 弯 曲 性 能 的 影 响 ...................................... 49 4. 1. 1 纤 维 分 布 方 式 对 弯 曲 性 能 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4. 1. 2 纤 维 分 布 不 均 匀 度 对 弯 曲 性 能 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.2 纤 维 分 布 对 复 合 材 料 冲 击 性 能 的 影 响 .............................. 55 4. 2. 1 纤 维 分 布 方 式 对 冲 击 性 能 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4. 2. 2 纤 维 分 布 不 均 匀 度 对 冲 击 性 能 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3 纤 维 分 布 对 层 间 剪 切 性 能 的 影 响 .................................. 61 4. 3. 1 纤 维 分 布 方 式 对 层 间 剪 切 性 能 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4. 3. 2 纤 维 分 布 不 均 匀 度 对 层 间 剪 切 性 能 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.4纤 维 分 布 对 动 态 力 学 性 能 的 影 响 .................................. 62 4. 4. 1 纤 维 分 布 方 式 对 动 态 力 学 性 能 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4. 4. 2 纤 维 分 布 不 均 匀 度 对 动 态 力 学 性 能 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.5 纤 维 分 布 效 应 系 数 的 概 念 及 其 应 用 ................................ 65 4. 5. 1 纤 维 分 布 效 应 系 数 的 基 本 概 念 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4. 5. 2 纤 维 分 布 效 应 系 数 的 应 用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.6 本 章 小 结 ...................................................... 67 第 五 章 纤 维 分 布 对 复 合 材 料 固 化 变 形 的 影 响 ................................. 68 5.1 固 化 变 形 计 算 模 型 .............................................. 68 5. 1. 1 固 化 变 形 计 算 模 型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5. 1. 2 固 化 变 形 计 算 模 型 验 证 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.2 纤 维 分 布 对 固 化 变 形 的 影 响 ...................................... 72 5. 2. 1 纤 维 分 布 均 匀 性 对 固 化 变 形 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5. 2. 2 铺 层 数 对 固 化 变 形 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5. 2. 3 铺 层 位 置 对 固 化 变 形 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5. 2. 4 铺 层 设 计 对 固 化 变 形 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5. 2. 5 纤 维 含 量 变 化 与 角 度 偏 差 共 同 作 用 对 固 化 变 形 的 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.3 减 小 固 化 变 形 的 途 径 ............................................ 88 5. 3. 1 数 字 化 制 造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5. 3. 2 工 艺 优 化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 vi5. 3. 3 模 具 选 择 与 处 理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.4 本 章 小 结 ...................................................... 91 结 论 ................................................................ 93 参 考 文 献 ................................................................ 94 攻 读 硕 士 学 位 期 间 取 得 的 学 术 成 果 .......................................... 99 致 谢 ............................................................... 100
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