碳纤维三向织物复合材料拉伸性能及拉伸破坏模式研究

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1、学校代码：10255学号：2160170东华大学硕士学位论文碳纤维三向织物复合材料拉伸性能及拉伸破坏模式研究THESTUDYONTENSILEPROPERTIESANDFAILUREMODESOFCARBONFIBERTRIAXIALWOVENFABRICCOMPOSITES学科专业：纺织工程学生姓名：毕华阳校内导师：李炜（教授）校外导师：孙昊答辩日期：2018年5月东华大学毕华阳硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注晏雄教授答辩委员会主席东华大学王妮教授答辩委员会委员东华大学阳玉球副教

2、授答辩委员会委员东华大学高晶教授答辩委员会委员东华大学张延辉高工答辩委员会委员上海纺织科学研究院王姜助理研究员答辩委员会秘书东华大学碳纤维三向织物复合材料拉伸性能及拉伸破坏模式研究摘要三向织物是一种由三组纱线系统以一定角度（0°、±60°）彼此相互交织而成并具有独特面内性能的平面织物，对三向织物复合材料拉伸性能的研究是表征该类材料力学性能的途径之一，并对未来该类材料的改进和广泛应用具有重大意义。本文采用12K碳纤维丝束为原料利用实验室自制三向织机编织成单层织物，然后对单层碳纤维三向织物复合材料的拉伸性能

3、进行相关研究，主要包括以下内容：（1）采用几何方法推导计算了碳纤维三向织物基本参数间的理论关系。结果表明，三向织物经纬密、六边形空洞边长以及空隙率均是编织角θ和丝束宽度d的函数。六边形空洞边长a、b都是编织角θ和丝束宽度d的二元一次函数，且两者取值均正比于丝束宽度，而分别与sin2θ和tanθ成反比例关系；如果三组纱线的原料和规格相同且编织角θ=60°，则三向织物经纬密取值相等，即Px=Py=Pz，对应的织物空隙率取得最大值33.3%。（2）利用丝束在三向织物中按正弦函数屈曲波动的假设和三向织物单胞几何

4、结构，结合高等数学积分知识从理论上计算了纤维体积分数，结果表明影响复合材料中纤维体积分数的因素除了三向织物编织角和丝束宽度外，还有复合材料厚度以及三向织物单胞几何长度。i（3）通过对0°和90°试样的拉伸载荷分析发现，当外加载荷约为1311N时0°方向拉伸试样出现小幅力学衰减现象，然后随着载荷的继续增大试样发生突然性脆性断裂破坏并失效；90°方向试样拉伸载荷的变化形式则具有两种情况，一是发生小幅力学衰减后继续增加直至试样突然破坏而急剧降低，二是载荷发生多次大幅衰减后仍继续增加，并最终引起试样撕裂破坏，同

5、时伴随一定程度的扭转作用。（4）通过对0°和90°试样拉伸断裂伸长率和断裂强度的比较分析发现，在本文制样条件下沿载荷方向上0°方向试样的断裂伸长率低于90°试样的断裂伸长率，而垂直于载荷方向上的断裂伸长率比90°方向对应断裂伸长率高；经截面积归一化处理后，0°方向试样断裂强度高于90°方向的断裂强度。（5）通过采用非接触式方法测试0°和90°方向拉伸试样局部表面的全场应变发现，两类试样被测区域应变云图中应变的大小和分布都存在着明显差异，并且0°方向试样在纱线交织点位置和空洞富树脂区沿载荷方向上的拉伸应变

6、（εx或εy）与拉伸主应变的吻合程度低于90°试样。（6）通过对0°和90°试样断裂破坏过程以及破坏失效模式的对比分析发现：0°方向拉伸试样的破坏失效过程可依据第一次明显破坏时裂纹发生的位置归纳为两种类型，一是边界位置交织点发生分层剥离，裂纹横向扩展最后试样发生脆断；二是试样中间富树脂区出现横向裂纹后向两边界扩展，伴随边界发生交织点的剥离分层或直接断裂破坏后试样宏观脆断。同时在试样断裂过程中，与载荷平行方向的纬ii纱断裂并发生单丝抽拔和断裂的现象。但是90°拉伸试样的断裂破坏的过程与方式较为复杂，作者根

7、据对应变云图、视频及音频的综合分析后，将其归纳为撕裂破坏式、树脂破坏失效式和扭转破坏式这三种类型。关键词：三向织物；单胞结构；拉伸试验；非接触式；应变云图iiiTHESTUDYONTENSILEPROPERTIESANDFAILUREMODESOFCARBONFIBERTRIAXIALWOVENFABRICCOMPOSITESABSTRACTThetriaxialwovenfabricisaflatfabricwhichisinterwovenwitheachotheratacertainangle(s

8、uchas0°,±60°)fromthreeyarnsystemsandhasanuniquein-planeproperties.Thestudyontensilepropertiesofthatfabriccompositesisoneofthewaystocharacterizethemechanicalpropertiesofthiskindofmaterialandwithagreatsignificancetotheimprov