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碳纤维丝束性能测试方法优化及其与复合材料性能关联性分析.pdf

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碳纤维 丝束 性能 测试 方法 优化 及其 复合材料 关联性 分析
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I 中 图 分 类 号 : TB332 论 文 编 号 : 10006SY1001323 硕 士 学 位 论 文 碳 纤 维 丝 束 性 能 测 试 方 法 优 化 及其 与 复 合 材 料 性 能 关 联 性 分 析 作 者 姓 名 袁 超 学 科 专 业 材 料 科 学 与 工 程 指 导 教 师 李 敏 副 教 授 培 养 院 系 材 料 科 学 与 工 程 学 院 Optimization for carbon fiber multifilament testing and relationship analysis between the fiber property with its epoxy composite A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate: Yuan Chao Supervisor: Associate Professor Li Min School of Materials Science & Engineering Beihang University, Beijing, China III 中 图 分 类 号 : TB332 论 文 编 号 : 10006SY1001323 硕 士 学 位 论 文 碳 纤 维 丝 束 性 能 测 试 方 法 优 化 及 其 与 复 合 材 料 性 能 关 联 分 析 作 者 姓 名 袁 超 申 请 学 位 级 别 工 学 硕 士 指 导 教 师 姓 名 李 敏 职 称 副 教 授 学 科 专 业 材 料 科 学 与 工 程 研 究 方 向 先 进 聚 合 物 基 复 合 材 料 学 习 时 间 自 2010 年 9 月 1 日 起 至 2012 年 12 月 19日 止 论 文 提 交 日 期 2011 年 12 月 19日 论 文 答 辩 日 期 2012 年 12 月 19日 学 位 授 予 单 位 北 京 航 空 航 天 大 学 学 位 授 予 日 期 2011 年 月 日 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 i 摘 要 碳 纤 维 及 其 复 合 材 料 由 于 质 轻 、 高 强 等 优 点 被 广 泛 应 用 于 各 个 领 域 。 科 学 合 理 评 价碳 纤 维 的 力 学 性 能 , 最 大 限 度 发 挥 碳 纤 维 复 合 材 料 的 特 性 对 其 应 用 意 义 重 大 。 目 前 , 国内 外 已 有 的 关 于 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 测 试 标 准 大 多 是 根 据 300级 纤 维 制 定 的 , 并 不 能 科学 、 有 效 地 测 定 许 多 高 性 能 纤 维 的 拉 伸 强 度 和 断 裂 延 伸 率 。 本 文 针 对 国 产 300 级 、 700级 和 800 级 纤 维 和 三 种 环 氧 树 脂 体 系 A、 B、 C, 考 察 了 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 测 试 中 ,测 试 条 件 和 制 样 工 艺 对 于 碳 纤 维 复 丝 拉 伸 性 能 测 试 值 的 影 响 , 并 且 制 定 了 比 较 适 合 高 性能 碳 纤 维 丝 束 的 测 试 规 范 。 同 时 利 用 排 布 机 湿 法 排 制 不 同 材 料 体 系 的 预 浸 料 , 利 用 热 压工 艺 成 型 复 合 材 料 层 板 并 对 碳 纤 维 复 合 材 料 层 板 的 力 学 性 能 进 行 了 测 试 , 分 析 了 复 合 材料 层 板 性 能 与 碳 纤 维 复 丝 性 能 的 关 联 性 。 在 研 究 测 试 条 件 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 测 试 值 的 影 响 时 , 本 文 主 要 考 察 了 纤 维 有 效测 试 长 度 、 加 载 速 率 、 预 加 载 和 加 强 片 厚 度 的 影 响 。 实 验 结 果 表 明 , 较 短 的 测 试 长 度 、较 小 的 加 载 速 率 、 适 当 的 预 加 载 和 较 厚 的 加 强 片 厚 度 有 利 于 提 高 碳 纤 维 复 丝 拉 伸 强 度 的测 试 值 。 在 研 究 制 样 工 艺 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 测 试 值 的 影 响 时 , 主 要 考 察 了 浸 胶 用 树脂 种 类 、 树 脂 含 量 和 树 脂 固 化 度 的 影 响 。 结 果 表 明 , 选 择 粘 度 低 、 浸 润 性 好 的 树 脂 , 配合 较 高 的 树 脂 含 量 和 固 化 度 有 利 于 提 高 碳 纤 维 复 丝 拉 伸 强 度 的 测 试 值 。 同 时 , 本 文 将 复 丝 用 的 纤 维 与 树 脂 体 系 制 成 复 合 材 料 层 板 进 行 了 力 学 性 能 测 试 , 依据 混 合 定 律 , 由 复 合 材 料 性 能 计 算 得 到 碳 纤 维 强 度 , 并 与 其 碳 纤 维 复 丝 拉 伸 强 度 测 试 值比 较 , 分 析 了 两 者 的 关 联 性 规 律 。 结 果 表 明 , 对 于 不 同 环 氧 树 脂 体 系 , 其 与 纤 维 制 成 的复 丝 拉 伸 强 度 高 , 则 复 合 材 料 层 板 拉 伸 强 度 也 高 , 表 现 出 不 同 树 脂 基 复 合 材 料 的 碳 纤 维拉 伸 性 能 转 化 率 不 同 。 关 键 词 : 碳 纤 维 , 复 丝 , 环 氧 树 脂 , 复 合 材 料 , 力 学 性 能 ii Abstract Carbon fiber and composite materials are widely used in various fields for its light weight and high strength. Scientific and rational evaluation of the mechanical properties of carbon fiber and exerting the properties of carbon fiber composite material are very meaningful. At present, the existing domestic and international test standards for mechanical properties of carbon fiber multifilament are mostly suitable to 300 grade carbon fibers, and can not be applied to carbon fibers with high tensile strength and elongation at break. This article studied the domestic 300 grade fibers, 700 grade fibers, 800 grade fibers and three kinds of epoxy resin systems A, B, C, and investigated the effects of test conditions and sample preparation process on the testing of carbon fiber multifilament. Moreover, the test specifications were developed, which are more suitable for high-performance carbon fiber multifilament. Then, we produced prepreg by means of the solution method and manufactured composite laminates with hot-pressing process. The molding quality and mechanical properties of carbon fiber composite laminates were analyzed. For the effects of testing conditions on the experimental results in mechanical properties of carbon fiber multifilament, we investigated the impacts of fiber effective test length, loading rate, preload and thickness of strengthen slice. The experimental results show that short span, small loading rate, appropriate pre-load and thick strengthen slice make contribution to the improvement on the tensile strength of carbon fiber multifilament. For the effects of sample preparation process on the experimental results in mechanical properties of carbon fiber multifilament, we investigated the impacts of resin feature, resin content and resin curing degree. The experimental results show that low viscosity resin, high resin content and curing degree result in the increase in the tensile strength of carbon fiber multifilament. We analyzed the mechanical properties of the laminates and compared the tensile strength of the composite with that of carbon fiber multifilament. Then, we calculated the tensile strength of carbon fiber according to the performance of the composite and discussed the relevance between the tensile strength of the composite and that of carbon multifilament. The experimental results show that for different resin system the composite laminate has higher tensile strength, when its corresponding carbon fiber multifilament has higher tensile strength iii It indicates that the percent conversion of the tensile property of carbon fiber is different for different resin matrix composites. Keywords: carbon fiber, multifilament, epoxy resin, composite, mechanical property iv 目 录 第 一 章 绪 论 ................................................................................................................................................ 1 1.1研 究 背 景 与 意 义 ........................................................................................................... 1 1.2 国 内 外 研 究 现 状 .......................................................................................................... 2 1.2.1 碳 纤 维 发 展 概 况 及 市 场 前 景 ............................................................................ 2 1.2.2 碳 纤 维 复 合 材 料 发 展 概 况 ................................................................................ 5 1.2.3 高 性 能 碳 纤 维 及 复 合 材 料 力 学 性 能 的 分 析 评 价 ............................................ 8 1.3 主 要 研 究 内 容 ............................................................................................................ 11 第 二 章 实 验 部 分 .....................................................................................................................................13 2.1实 验 材 料 和 实 验 设 备 ................................................................................................. 13 2.2.1 实 验 材 料 .......................................................................................................... 13 2.1.2 实 验 设 备 .......................................................................................................... 13 2.2 实 验 方 法 .................................................................................................................... 14 2.2.1 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 测 试 .............................................................................. 14 2.2.2 碳 纤 维 /树 脂 复 合 材 料 单 向 板 的 性 能 测 试 ..................................................... 17 2.2.3 环 氧 树 脂 性 能 测 试 .......................................................................................... 19 2.2.4 碳 纤 维 起 毛 量 测 试 方 法 .................................................................................. 21 第 三 章 测 试 条 件 对 碳 纤 维 复 丝 拉 伸 性 能 的 影 响 ..........................................................................23 3.1 纤 维 有 效 长 度 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 ........................................................ 23 3.1.1纤 维 有 效 长 度 对 于 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 ........................................... 23 3.1.2不 同 纤 维 有 效 长 度 下 复 丝 试 样 破 坏 模 式 分 析 ............................................... 24 3.2 加 载 速 率 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 ................................................................ 27 3.2.1加 载 速 率 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 ....................................................... 27 3.2.2 不 同 加 载 速 率 条 件 下 复 丝 试 样 破 坏 模 式 分 析 .............................................. 29 3.3 预 加 载 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 .................................................................... 29 3.3.1 加 载 次 数 对 碳 纤 维 复 丝 拉 伸 模 量 的 影 响 ...................................................... 30 3.3.2不 同 预 加 载 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 ................................................... 30 3.3.3 不 同 预 加 载 下 复 丝 破 坏 模 式 分 析 .................................................................. 32 3.4 加 强 片 厚 度 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 ............................................................ 32 v 3.4.1 加 强 片 厚 度 对 于 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 .............................................. 32 3.4.2不 同 加 强 片 厚 度 条 件 下 复 丝 试 样 破 坏 模 式 分 析 ........................................... 33 3.5 本 章 小 结 .................................................................................................................... 34 第 四 章 制 样 工 艺 对 碳 纤 维 复 丝 拉 伸 性 能 的 影 响 ..........................................................................36 4.1不 同 树 脂 体 系 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 ......................................................... 36 4.1.1 不 同 树 脂 体 系 对 碳 纤 维 力 学 性 能 的 影 响 ...................................................... 36 4.1.2 环 氧 树 脂 工 艺 特 性 及 力 学 性 能 分 析 .............................................................. 38 4.1.3树 脂 特 性 对 碳 纤 维 复 丝 测 试 结 果 影 响 分 析 ................................................... 41 4.2 不 同 胶 含 量 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 ............................................................ 44 4.2.1 不 同 胶 含 量 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 .................................................. 44 4.2.2 不 同 胶 含 量 复 丝 试 样 破 坏 模 式 分 析 .............................................................. 45 4.3 树 脂 固 化 度 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 ............................................................ 46 4.3.1 树 脂 固 化 度 对 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 的 影 响 .................................................. 46 4.3.2 树 脂 不 同 固 化 度 复 丝 破 坏 模 式 分 析 .............................................................. 47 4.4 本 章 小 结 .................................................................................................................... 48 第 五 章 碳 纤 维 复 合 材 料 性 能 与 复 丝 性 能 关 联 性 研 究 .................................................................49 5.1不 同 树 脂 体 系 /碳 纤 维 复 合 材 料 层 板 工 艺 质 量 分 析 ................................................ 49 5.1.1 复 合 材 料 层 板 的 厚 度 均 匀 性 分 析 .................................................................. 49 5.1.2 复 合 材 料 层 板 的 孔 隙 率 和 缺 陷 分 析 .............................................................. 50 5.2 不 同 树 脂 体 系 /碳 纤 维 复 合 材 料 层 板 力 学 性 能 分 析 ............................................... 52 5.2.1 复 合 材 料 拉 伸 性 能 分 析 .................................................................................. 52 5.2.2 复 合 材 料 弯 曲 性 能 及 层 间 剪 切 性 能 分 析 ...................................................... 55 5.3 碳 纤 维 复 合 材 料 层 板 力 学 性 能 与 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 关 联 性 研 究 .................... 58 5.3.1 碳 纤 维 复 合 层 板 力 学 性 能 与 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 关 联 性 错 误 !未 定 义 书 签 。 5.3.2 碳 纤 维 复 合 层 板 力 学 性 能 与 碳 纤 维 复 丝 力 学 性 能 比 较 及 分 析 错 误 !未 定 义书 签 。 5.4 本 章 小 结 .................................................................................................................... 61 结 论 ..............................................................................................................................................................63 参 考 文 献 .....................................................................................................................................................64 附 录 .....................................................................................................................................................69 vi 攻 读 硕 士 学 位 期 间 获 得 的 学 术 成 果 ...................................................................................................78 致 谢 ..........................................................................................................................................................79
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