芳纶纤维增强CFRP-钢复合结构的II型断裂性能研究

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1、分类号:TB3310710-2015225029专业硕士学位论文芳纶纤维增强CFRP-钢复合结构的II型断裂性能研究王刚导师姓名称王斌华副教授专业学位别申请学位别工程硕士机械工程及领域名称论文提交期2018年4月12日论文答辩日期2018年6月4日学位授予位长安大学StudyontheModeIIFracturePropertiesofCFRP-SteelCompositeStructurereinforcedbyAramidFiberAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：

2、WangGangSupervisor：A/Prof.WangBinhuaChang’anUniversity,Xi’an,China摘要碳纤维增强复合材料（CarbonFiberReinforcedPolymer/Plastic简称，CFRP）因其比强度高、比模量大、耐腐蚀等优异的力学、材料性能，现在已广泛应用到钢结构的加固。粘接层是CFRP-钢复合结构中强度最为薄弱的的区域，必须改善粘接层的强度以提高CFRP-钢复合结构的整体强度。粘接层的强度取决于粘接界面和树脂材料的强度，通过钢板表面刻槽和引入其他高性能的材料来增加粘接界

3、面和粘接层的强度，基于kevlar纤维(芳纶纤维)对树脂粘接层桥联增韧的显著作用，开展芳纶短纤维增强CFRP-钢复合结构的II型断裂性能试验研究。为了提高粘接界面的剪切强度，采用端部切口弯曲试验（ENF），基于芳纶短纤维的桥联增韧机理，利用均匀分布的芳纶短纤维薄膜，制备三种粘接界面（光面、刻槽、刻槽+芳纶短纤维）ENF试样，通过ENF试验的载荷-位移曲线、试样侧剖图、试样裂纹断裂面表面形貌特征，研究分析芳纶短纤维桥联增韧机理。然后，对刻槽+芳纶短纤维ENF试样芳纶短纤维的长度和密度进行影响分析。研究了光面、刻槽、刻槽+芳纶短纤

4、维三种CFRP-钢复合结构的层间剪切断裂性能，钢表面刻槽虽然可显著增加粘结层-钢界面的机械＂咬合＂作用，但制备试件时，刻槽区的粗糙表面与树脂（含固化剂）粘结效果不佳，刻槽试样相对于光面试样的极限载荷下降了16.0%，断裂能下降了30.2%。将芳纶短纤维有效掺入树脂粘结层，芳纶短纤维显著增强了树脂粘结层与CFRP和刻槽钢表面之间的界面剪切强度，并同时提高了粘结层的层间剪切强度，相对于光面试样极限载荷提高了15.7%，断裂能提高了6.8%，而试样的厚度平均仅增加0.1mm。研究了芳纶短纤维薄膜长度和密度对CFRP-钢复合结构层间剪

5、切强度的影响研究，2当密度为30g/m时，较长的纤维嵌入槽内数量减少，较短的纤维表面荷载传递的效果不佳，当长度为6mm时，高密度纤维薄膜的树脂浸润性差，显著增多了粘结层的微观缺陷，低密度纤维薄膜嵌入槽内数量显著减少。芳纶短纤维薄膜的长度和密度分别是26mm和30g/m时，CFRP-钢复合结构层间剪切强度最佳。关键词：碳纤维增强复合材料，钢结构，端部切口弯曲试验，载荷-位移曲线，粘接界面IAbstractCarbonfiberreinforcedpolymerhavebeenwidelyappliedtothereinforce

6、mentofsteelstructuresbecauseoftheirexcellentmechanicalandmaterialproperties,suchashighspecificstrength,largespecificmodulusandcorrosionresistance.ThebondinglayeristheweakestpartintheCFRP-steelcompositestructure.Thestrengthofthebondinglayermustbeimprovedtoincreasethe

7、overallstrengthoftheCFRP-steelcompositestructure.Thestrengthofthebondinglayerdependsonthebondinginterfaceandthestrengthoftheresinmaterial.Thestrengthsofthebondinginterfaceandthebondinglayerwereincreasedbyusinggroovedsteelsurfaceandotherhigh-performancematerials.Base

8、donthesignificanteffectofkevlarfibers(aramidfiber)onbridgingtougheningofresinadhesivelayer,thefracturepropertiesofModeIIoftheCFRP-steelcom