关键词:
缝合复合材料
层间力学性能
拉伸力学性能
弯曲力学性能
摘要:
缝合工艺通过引入高强度缝合线桥接复合材料层间界面,显著提升其抗分层性能与损伤容限,在航空航天等领域广泛应用。然而,缝合工艺在实际应用中仍面临诸多挑战:首先,缝合工艺的变化和多样化的缝合参数使得缝合复合材料的力学性能和损伤机理极为复杂。此外,缝合线的引入不可避免地产生树脂富集、纤维扭曲和纤维断裂等缺陷,进而削弱其面内拉伸和面外弯曲等力学性能。因此,本文先研究Z型缝合复合材料在不同缝合图案和密度下的层间力学行为,阐明了缝合图案和密度对层间力学性能的提升机理与损伤抑制机理。随后,针对树脂富集、纤维扭曲等缝合缺陷对面内拉伸和面外弯曲等力学性能的负面影响,进一步研究不同缝合图案和密度下Z型缝合复合材料的面内拉伸和面外弯曲力学行为。主要研究内容及创新成果如下:
(1)Z型缝合复合材料层间力学性能与损伤机理研究
本文通过双悬臂梁实验,研究了不同缝合图案和密度对Z型缝合复合材料的层间力学性能与损伤演化机理的作用规律。研究发现缝合线通过桥接作用提升了Ⅰ型层间断裂韧性。高缝合密度缩短了缝合间距与空间,有效抑制了裂纹扩展的长度,进而增加Ⅰ型层间断裂韧性。缝合使得Ⅰ型层间断裂韧性的最大提升增幅达到116.13%。利用声发射技术,声发射信号和首次超高值持续时间出现的时刻在高缝合密度下明显滞后,表明高密度缝合有效抑制了损伤的萌生与扩展。同时,累积声发射能量呈现阶梯式增长,表明缝合复合材料是突发性的失稳裂纹扩展。高缝合密度下,累积声发射能量曲线表现为频繁的小阶梯式增长,说明高缝合密度下裂纹失稳扩展程度更弱。此外,对角缝合图案的累积事件数的上升速率高于纵向和横向缝合图案,说明对角图案样件的裂纹是渐进扩展。
(2)Z型缝合复合材料面内拉伸力学性能与损伤机理研究
本文进行了Z型缝合复合材料的面内拉伸实验,研究了其在不同缝合图案和密度下的面内拉伸力学性能与损伤演化的变化规律。研究发现由于缝合引入的缺陷以及缝合线对承载纱线卷曲程度的抑制效应,Z型缝合复合材料的拉伸强度和泊松比均有所下降,尤其是在高缝合密度及对角和横向缝合图案下弱化效果更为显著。此外,利用数字图像相关技术表征了失效时刻的应变,阐明了失效应变机制。对于采用纵向缝合图案的缝合复合材料,仅在较高缝合密度样件中观察到明显的应变集中。相比之下,采用对角和横向缝合图案的缝合复合材料在任何缝合密度下均出现显著的应变集中,且应变集中区域位于缝线周围,并且随着缝合密度的增加,应变集中区域逐渐变小。所有缝合复合材料的断裂路径均穿过缝合线,纵向和对角缝合图案中缝合线的失效模式是断裂,而横向图案样件缝合线的模式则为缝合线与基体之间的脱粘。
(3)Z型缝合复合材料面外弯曲力学性能与损伤机理研究
本文进行了Z型缝合复合材料的三点弯曲实验,研究了其在不同缝合图案和密度下的面外弯曲力学性能与损伤演化的变化规律。研究发现缝合虽然削弱了弯曲强度,但提高了其残余强度,尤其是在高缝合密度下削弱和提升的效果均更为显著。另外,与对角和横向缝合图案相比,纵向缝合图案中的缝线更有效地抵抗了试样底部的变形,表现出更高的弯曲强度。然而,对角和横向缝合图案中缝合线抑制了裂纹扩展,与纵向缝合图案相比其残余强度更高。利用声发射技术,在高缝合密度下,声发射信号和累积声发射能量的首次快速增长时刻更早出现,这表明缝合缺陷的增加促进了损伤的起始和加剧。脆性破坏后超高值持续时间的频繁发生和累积声发射能量的持续增加,均表明缝合复合材料经历了非灾难性破坏。纵向缝合图案的断裂路径垂直样件长边,对角和横向缝合图案的断裂路径与缝合路径相同。