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碳纤维夹芯材料/结构界面破坏及界面增韧的多尺度研究

【摘要】:碳纤维夹芯材料/结构具有高比强度、高比刚度的力学特点,同时具有吸能、耐疲劳、热控制等功能性,在航空航天、交通运输和土木工程等领域得到广泛的应用。然而,由于碳纤维面板和泡沫芯体之间的界面性能较弱,同时面板和芯体性能有很大差异,造成界面附近存在应力集中现象,导致结构服役过程中,面板/芯体界面频繁出现损伤和裂纹,影响夹芯材料/结构整体性和力学性能,引发结构破坏或失效。因此,本论文首先从宏观层次实验验证短纤维增韧方法对碳纤维夹芯材料/结构的力学性能的增韧和增强效果;接着从微观层次解释短纤维增韧的作用机理;并在此基础上,分别建立短纤维增韧层增韧效果分析和短纤维增韧夹芯梁力学行为分析的理论和数值方法。该研究是国家重点基础研究发展计划973计划课题“超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究”(2006CB601205,2010年-2011年)、国家自然科学基金青年项目“金属泡沫夹芯复合材料及结构的破坏机理和增韧研究”(11102032,2012年-2014年)和工业装备结构分析国家重点实验室自主研究课题“具有格栅加筋铝蜂窝夹芯复合材料结构界面破坏和增韧机理”(S13205,2013年-2014年)的重要研究内容之一。本论文主要研究工作如下: 1.具有低密度芳纶短纤维增韧界面的夹芯材料/结构的制备方法研究 碳纤维泡沫铝夹芯材料/结构在工程服役过程中容易出现面/芯界面脱粘破坏,面/芯脱粘会很大程度上降低夹芯材料/结构的性能,引发结构破坏或失效。为提高碳纤维泡沫铝夹芯梁的力学性能,作者选用强度高、模量高、韧性好、密度低的芳纶纤维,分别采用干、湿两种方法成功制备低密度芳纶短纤维薄膜。并在夹芯梁制备过程中将该芳纶短纤维薄膜置于面/芯界面,形成短纤维增韧面/芯界面层,以获得较好的界面粘接韧性和整体结构性能。 2.短纤维增韧夹芯材料/结构的力学性能及行为的实验研究 为验证芳纶短纤维增韧方法的有效性,分别通过三广弯曲、面内压缩、非对称双悬臂梁等宏观实验方法,研究芳纶短纤维增韧对碳纤维夹材料/结构界面性能及整体结构性能的影响。三点弯曲和面内压缩实验结果显示,芳纶短纤维的增韧界面可以显著地减少结构在承载过程中的界面脱粘面积并有效地抑制界面脱粘扩展,进而提高结构在三点弯曲和面内压缩载荷下的极限载荷、极限承载位移和能量吸收性能,保持结构的整体性。非对称双悬臂梁实验结果显示,使用芳纶短纤维进行界面增韧能够有效提高夹芯梁的面/芯临界能量释放率。另外,考察微观参数对界面性能的影响发现,缩短芳纶纤维的长度与提高芯体的表面粗糙度能够有效提高界面的临界能量释放率。 3.短纤维增韧界面的微观力学行为与增韧机理研究 采用扫描电镜、微距拍摄、光学放大等微观观测手段,研究芳纶短纤维增韧界面的微观力学行为与增韧机理,解释芳纶短纤维增韧对夹芯材料/结构整体结构性能的影响。微距拍摄和微观扫描电镜观测显示,芳纶短纤维在界面开裂后形成连接面板和芯体的桥联结构,提高界面裂纹扩展的临界载荷;并通过纤维拔出、纤维破坏等行为耗散能量,提高界面裂纹扩展的临界能量释放率。同时,对夹芯梁试件的微观断面观测显示,芳纶短纤维增韧界面可以在泡沫芯体孔壁与面板连接区域形成“圆角”增强结构。这种微观结构增加了界面的接触面积,进而提高了界面粘接性能,从而解释了芳纶短纤维的微观增韧机理。 4.夹芯材料/结构中短纤维增韧界面及界面断裂的微观分析模型与方法研究 芳纶短纤维增韧方法对夹芯梁面/芯界面具有良好的增韧效果,具有良好的应用前景。为分析芳纶短纤维的增韧效果,预测增韧界面的性能,作者考虑短纤维增韧界面张开过程中纤维剥离、纤维拔出和纤维断裂的微观破坏机制,考虑破坏机制间的竞争关系和纤维随机分布效应,建立短纤维增韧界面层的微观分析模型。在界面厚度均匀条件下,通过两种界面层厚度的碳纤维/铝界面临界能量释放率验证了作者提出的微观分析模型的准确性。另外,针对碳纤维夹芯材料/结构界面裂纹尖端应力场复杂的情况,基于扩展有限元的概念,建立针对多相材料界面断裂问题的扩展有限元分析模型。

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