三维机织物厚向压缩特性实验研究

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三维机织复合材料以其比强度高、比模量高、可设计性强、大面积整体成型等特点,被应用于航空航天、船舶、汽车、军事等领域。三维机织物结合RTM技术是闭模成型工艺制备近净体树脂基复合材料的重要方法,对模压实和真空辅助是保证复合材料质量必不可少的、至关重要的工艺措施。四周封闭模腔内干态织物在厚度方向压缩应力作用下,纤维束及单丝发生滑移,织物内部孔隙减小,这不仅影响树脂在织物中的流动性和浸润性,而且一定程度上决定了复合材料的厚度、纤维体积含量、细观结构和力学性能。  课题以三维机织物中常用的衬经层层角联锁(简称:衬经2.5D)结构织物为例,通过碳纤维织物在金属对模中的厚度方向压缩性能测试,研究了衬经2.5D织物压缩压实特性,获得织物厚度-压缩应力和织物纤维体积含量-压缩应力关系。基于厚度相当的多层碳纤维平纹织物压缩模型预测了织物厚度-压缩应力关系,结果对比发现,厚度为5.5mm、经纱为T300-3K、衬经纱和纬纱均为T700-12K的碳纤维衬经2.5D织物在压缩应力小于3MPa时,可采用经验指数为3的多层平纹织物压缩模型近似衬经2.5D织物厚度-压缩应力关系。由衬经2.5D织物纤维体积含量-压缩应力曲线测试结果得出,随压缩应力的增加,织物的纤维体积含量增加,但增幅呈逐渐减小趋势。  以金属对模中织物厚度变化体现织物承受压缩应力变化,对应0.05、0.61、2.88和5.30MPa四种压缩应力,采用RTM工艺制备了四种厚度分别为5.00、4.38、3.90和3.63mm的碳/环氧衬经2.5D复合材料板,剖切、打磨后观测细观结构,引用纱线段局部屈曲角分布定量分析经向和纬向截面上经纱、衬经纱和纬纱的屈曲状态变化,结果表明,衬经2.5D机织复合材料中经纱的屈曲程度最高,随压缩应力的增加,经纱屈曲程度降低,当压缩应力超过一定范围(2.88MPa)时,经纱屈曲程度反而增加;衬经2.5D机织复合材料中衬经纱和纬纱呈基本伸直状态,当压缩应力超过一定范围(2.88MPa)时,衬经纱屈曲程度增加,纬纱伸直度增加。  对四种厚度碳/环氧衬经2.5D复合材料进行经向弯曲性能实验,发现随压缩应力增加,复合材料纤维体积含量增加,经向弯曲强度呈现先增大后减小的趋势,研究表明局部屈曲角为0-5°衬经纱段比例越高,材料弯曲性能越好。综上,当压缩应力介于0.61MPa和2.88MPa之间时,复合材料内经纱和衬经纱的屈曲程度较低,制得复合材料的经向弯曲性能较高。
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