三维编织碳_碳复合材料高温力学性能的测试与预报.pdf 6页

第卷第期材料研究学报,年月沈三维编织碳碳复合材料高温力学性能’的测试与预报韩杰才赫晓东杜善义哈尔滨工业大学摘要用快速通电加热渊试技术研究了细编穿刺复合材料在℃时的拉伸性能把碳纤维和基体的性能作为己知参数,选取适当细观代表性单胞,利用细观力学和三维有限元方法预报其高温弹性模最,分析了织物结构参数的影响,其随温度的变化规律与实测结果吻合关健词碳碳复合材料力学性能有限元法由于碳碳复合材料制造周期长、成本高、工艺复杂,因而通过改变织物,分别测定它们的力学性能去进行编织方案的选优是不现实的,最合理的办法是对各种不同织物结构的碳碳材料先作理论预报,在理论上定性选定织物结构后,再投资进行材料的工艺优化研究,,‘’以节省投资和缩短研制周期实现材料一设计一工艺一评价一体化,实验方法作者研究的三向细编穿刺碳碳复合材料的结构是向为五锻碳布叠成编织物,向为间距,的穿刺纤维束将穿刺增强的织物预热处理,预渍沥青常压碳化,再预浸沥青、高压碳化、石墨化,如此多周期循环,制成高密度的成品,然后切取,’和向拉·,一‘伸试件高温是通过快速通电直接加热达到的加热速度在高温时大于℃用自动红外测温技术测温,响应时间为一环境仓减压到,使用不锈钢或铜夹具并·水冷,加载速度一‘快速通电加热拉伸试验只能测定出载荷与位移△曲线,由于在试件长度方向上温度不均匀,因此拉伸模量只能进行数学处理近似求出若已知弹性阶段尸一△曲线上两,、,,,,点仍△,妈左儿均匀温区温度为长度为凡非均匀区的温度分布用红外热像仪测出并近似拟合为抛物线分布,则非均匀区对伸长的贡献八,可,,,一占心吕国家自然科学』攀金资助项目年月收到初稿年月日收到修改稿本文联系人韩杰才,教授哈尔滨市哈尔滨业大学复合材料研究所 材料研究学报年由此求得弹性模量为口一口口一汀。二“。“,,一△一△,一△一△编制相应的计算程序多段拟合求出平均值同理可求出断裂延伸率细观计算模型多向编织复合材料的可设计性,允许在其结构中选取一个代表性单胞单胞是包括不同取向纤维束和基体、真实地反映复合材料结构各个细节的最刁谭位,单胞在空间的排列构成真实的复合材料细编穿刺复合材料的代表性单胞是向碳布和向穿刺纤维束的复合体编织组织的分析模型二向织物可以简化为阳】层合板基于经典层板理论的假设,二向编织复合材料的刚度可表示为护”,一’。一’二,一’。一、‘,一。,犷,”一’一’。一’。忿一,“‘“。二,一‘‘‘。。一。”,。一。犷”一’一’,,一’。一,一“‘‘。。‘“‘“。一。,,,,,,又为与碳布缎数有关的常数式中分别为碳布缎数泊松比和材料主方向刚度其一一’,一’定义见文献’这样可求出柔度矩阵和弹性常数”一对单俨竿,,””,层织物,一一么同理可求出其它弹性常数表给出了不同缎数下的计算结果表二向给织碳碳复合材料弹性模量理论预报结果二乓,,℃二口‘一户矛、︸,﹃门声了︸‘八,‘工亡、︸声曰心尸气、︸︺︸‘,‘飞,石工,,‘阅,峥‘七月、︺八工声︸,呀挂月,︹,⋯碑⋯名, 第卷第期韩杰才等三维编织碳碳复合材料高温力学性能的测试与预报·滋少困撇呻‘一,衅峥图细编穿制订材料代表性体积单胞,及有限元网格划分,的计算模型细编穿刺的代表性体积单胞见图,,则单胞等效体的本构方程为、,,,,万。一,‘。‘。式电为单胞的有效模量万和是单胞的平均应力和平均应变由单二二胞内各单元的应力和应变体积平均给出。一一’,一’。。,‘,。。‘。一,丁歹预报复合材料的宏观弹性常数就是预报。一卜么一为,’,了求出鱿给定二,二如下边界条件万二常数万￡,,下则等效弹性应力一应变关系变成、二、了矛一,口卜万一,,万二若二,二,即其中万为单胞中方向上的平均应力根据和向的平均应力还可求·,,出同理其它弹性常数均可求出、,。为了求出单胞中各相材料纤维基体的应力划分如图的有限元网格根据有限〔’〕元方程和细编穿刺单胞模型编制了专用非线性程序有限元程序中采用八节点三维等参元,非线性计算采用增量理论结果与讨论,,到,由图可见拉伸强度随温度的升高而增加一℃达到最大后温度继续增加,强度开始缓慢降低关于的性能随温度而增加的现象,尚无较满意的解释⑥认为,材料各向异性包括层片状基体和各向异性纤维导致材料在浸渍、碳化和石,形成大量的残余内应力,,,石墨化过程中随着温度增加残余内应力逐渐消失墨的六方晶面间的滑动受到高温碳原子面外振动的阻碍图表明随温度增加,断裂应变开始几乎没有变化,只在高于℃时,断裂应变成倍增长,并表现出一定的塑性细编穿刺多向织物纤维之间的相互自锁结构,使其变形能力不超过,远低于低密度 材料研究学报年匕名一争沪,芍习,·一。乏旬尽么一匕二。。。。沪加,。,图拉伸强度和断裂应变随温度的变化一于‘内甘」‘﹄,勺口‘勺,。吞吞吞亨冬昌品公目。几尾口,二二·石‘、。堆卜—,乙石弘以吞乙‘吞,,。图的高温拉伸模量的实验与理论值℃一一材料的一塑性流动对初始拉伸模量而言,其变化趋势与强度类似图细编穿刺的模量最大点为一℃,略低于强度最大的温度,同时超高温弹性模量随温度下降趋势比强度下降速度快这是由于高温时,碳原子面的相对滑动成为可能,变形较容易,模量减小图是实验结果与理论结果的比较,计算中认为纤维与基体的结合是完好的,不考虑损伤影响向的性能强烈地受到向穿刺纤维束的影响,向的性质与碳布的经纬多少有关,向纤维束的交叉使得交接点产生应力集中,影响性能加之向穿刺纤维对碳布纤维的损伤作用,使其性能低于向分析表明增加碳布缎数对’向模量几乎没有影响,而增加向穿刺纤维束间距 第卷第期韩杰才等三维编织碳碳复合材料高温力学性能的侧试与预报·二甲几匆。,左才‘“,,,琢靶一卜一一一一拟图一向拉伸模量随织物结构参数变化刁尤的心心公戈巧叨的一言。护图一向拉伸模量随织物参数变化一尤或减少其孔数均可降低穿刺过程对向织物的影响,增加习,向模量,但其变化幅度不大图和的微小改变,均可使向模量产生显著变化图因此控制细编穿刺性能的主要织物结构参数是向穿刺纤维束的孔数和间距通过细观有限元分析给出的三维曲面图形,很容易判断出相应弹性模量所对应的编织参数,,,正确选取这些织物参数可以获得所需性能的复合材料,达到优化材料设计的目的 材料研究学报年参考文献,一,一吕文涛,顾震隆,复合材料学报,韩杰才【博士学位论文】哈尔滨工业大学,,,,,赫晓东【博士学位论文】哈尔滨工业大学,,勿竖一一一,,,,