关键词:
碳纤维针织复合材料
低损伤织造
变曲率结构
低速冲击性能
有限元分析
摘要:
三维针织碳纤维复合材料以其独特的结构可设计性、优异的力学性能以及近净成型优势,在航天航空、新能源装备等曲面结构件的抗冲击防护系统领域展现出卓越的承载性能。然而,碳纤维(Carbon fiber,CF)的本征脆性使得CF织物成形过程中易产生单丝断裂、丝束毛羽与织造损伤,在复杂应力场作用下损伤部位易产生应力集中,显著降低复合材料的结构完整性和服役可靠性。本文以CF针织物低损伤编织及其复合材料冲击性能为研究目标,提出“纤维表面改性-织物结构调控-冲击性能设计”的系统解决方案。首先通过超声辅助化学接枝技术构筑CF表面功能层,实现CF束高品质织造,采用超景深观测与理论耦合分析,揭示改性前后CF在针织工艺中的摩擦磨损机制。通过实验表征与有限元模拟相结合,探究低损伤织造对CF针织物及其复合材料抗低速冲击性能的影响,进而建立曲率参数与复合材料低速冲击性能之间的关系,揭示不同曲面复合材料低速冲击性能。本文研究工作如下:
(1)CF表面功能化处理对耐磨性能提升的关联性研究。提出聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)与MXene纳米粒子协同增强的CF表面处理技术,实现PDMS/MXene复合涂层的可控组装。从CF表面微观形貌、化学特征、热稳定性多尺度表征技术深入分析CF表面化学组成与物理结构的演变规律。为评价改性处理对CF耐磨性能的影响,采用往复式纱线耐磨仪联合CF束拉伸断裂强力仪进行测试,实验结果表明:经500次摩擦后,改性CF束的残余拉伸断裂强度较未改性CF束提高14.8%,证明复合涂层可以有效抑制纤维束损伤。
(2)针织成圈过程纤维磨损机理与赫兹接触理论模型。基于PDMS/MXene复合涂层改性织物,系统研究CF针织成圈过程中的动态磨损行为及其影响因素(即弯纱深度与接触面积),通过赫兹接触理论构建CF束-舌针及CF束-CF束界面接触力学模型,并结合压痕提取法与超景深显微镜原位观察CF束-舌针、CF束-CF束的接触形貌与测量接触面积值。进一步通过调整织造参数度目值,探究弯纱深度对织物磨损的影响规律。结果表明:该接触力学模型揭示了CF束在成圈过程中的磨损机理,通过实验测量发现改性前后CF束-舌针的接触面积、CF束-CF束接触面积呈显著差异特征。基于有限元方法模拟CF束在成圈过程中的应力分布特征,其应力高度集中于线圈弯纱部位以及线圈与线圈接触部位,与实验观测的磨损位置高度吻合,验证了“弯纱深度-接触面积-纤维损伤”的链式磨损机制。
(3)过渡层热解调控与性能验证。针对PDMS与环氧树脂(Epoxy Resin,EP)界面结合性能差的问题,提出牺牲临时保护层策略。通过热分解(Thermal Decomposition,TD)工艺对PDMS/MXene涂层进行可控分解,并采用X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)对TD处理后CF晶体结构的演变规律进行系统表征,进一步通过织物拉伸测试以及低速冲击测试验证其力学性能。结果表明:TD处理提高了碳晶体的取向性与排列有序度。通过织物拉伸测试确定了度目值为90的织物作为复合材料的预制件。低速冲击试验表明,在60 J冲击能量下,未改性织物(CF-F)冲破失效,而TD处理后的织物(CF/TD-F)仍保持优异的承载性能,其峰值载荷达到3850 N。结合细观有限元分析,深入揭示了织物在低速冲击过程中变形行为、应力分布与破坏机理。
(4)跨尺度建模与平面复合材料力学性能验证。采用有限元模拟与实验测试相结合的方法,对未处理复合材料(CF-C)与处理后复合材料(CF-/TD-C)两种试样进行了拉伸、弯曲及抗低速冲击性能测试。基于双罗纹针织结构的几何特征,建立了复合材料的“细观单胞-宏观均质化”跨尺度力学模型。在细观尺度上,建立代表性单元(RVE)模型并施加周期性边界条件,实现复合材料弹性常数的理论预测。在宏观尺度上,基于均质化理论建立平面复合材料的低速冲击模型,实现宏观强度计算与损伤演化的数值模拟。最后采用微型计算机断层扫描(Micro-CT)三维扫描重构技术对冲击后的试样进行损伤表征。结果表明,CF/TD-C相较于CF-C表现出显著的力学性能优势,其拉伸强度提高了16.7%,弯曲强度提高了23.69%。在抗冲击性能方面,CF/TD-C表现出更优异的能量吸收能力和损伤容限特性。通过量化损伤体积、损伤面积以及背凸高度等关键损伤参数,发现在40 J冲击能量下,CF/TD-C的损伤体积较CF-C减小约9%,损伤面积减小约4%。
(5)曲面复合材料抗冲击性能的影响机制。基于曲率梯度设计理念,设计并制备了三种不同曲率半径的复合材料(R1=200 mm,R2=125 mm,R3=100 mm)以及半球形复合材料(R4=75 mm),研究不同曲率半径结构件的低速冲击性能与损伤演化行为的影响规律。基