【正文】 ............................................................................................ 19 三種試樣力學性能測試 ...............................................................20 實驗參數 ............................................................................................................ 20 實驗過程 ............................................................................................................ 20 實驗數據 ............................................................................................................ 21 4 實驗結果與討論 .......................................................................... 22 三維織物強度理論公式 ...............................................................22 本次實驗結果與理論公式得出結果之比較 .................................23 5 總結 .............................................................................................. 26 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)論文設計 1 0 前言 在航空航天領域對高性能復合材料新需求的推動下，從 20 世紀 80 年代起，三維紡織技術得到了迅速發(fā)展。采用三維紡織預成型體增強的復合材料，具有優(yōu)異的綜合力學性能、更高的損傷容限以及卓越的抗燒蝕性能，為復合材料應用于主承力結構件和多功能結構件提供了廣闊的前景。 紡織結構復合材料除保持有層板復合材料的優(yōu)點外，還在很大程度上改善了層板復合材料長期存在而無法解決的問題。其有著高效的分層抑制，更高的容損和卓越的沖擊、彈道以及超過二維織物層壓板的爆炸性能特點。同時，這種類型的復合材料在幾乎連續(xù)的平直纖維中，比各自“傳統(tǒng)”類型的三維聯(lián)鎖編織復合材料顯示出更好的面內剛度和強度性能 [15]。因此從其產生以來，得到了廣泛的重視及發(fā)展，正逐漸在航空航天、國防軍事、風能發(fā)電、土木工程等領域展現其優(yōu)異的性能及廣闊的發(fā)展前景。 國外有學者對三維編織復合材料的彈性性能提出過一些分析模型，但是在公開發(fā)表的學術論文中，對三維編織復合材料的強度性能的計算模型及相應的實驗數據并不多。在此，本文將在北京航空航天大學飛行器設計與應用力學系燕瑛教授的已發(fā)表的論文 [14]基礎上對其提出的三維編織復合材料強度性能的計算模型進行驗證和探討。 本文首先簡要介紹了三維復合材料特性以及發(fā)展狀況，以及試驗所需的三維正交織物的制備過 程，然后描述了試驗試樣拉伸強力的測試，最后引出燕瑛教授的理論模型并探討了不同織造方式制造的織物，在所含纖維體積分數相容的條件下，其強度與織物結構參數 纖維取向的關系，并將實驗所測數據與燕瑛教授提出的強度理論公式的計算結果作了比較，驗證其理論公式的可適用性。 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)論文設計 2 1 三維復合材料概述 三維紡織復合材料是以三維立體織物作為增強相，樹脂、陶瓷等為基體復合而成，它所具有的整體化纖維增強結構，賦予復合材料極佳的層間剪切強度、極好的抗沖擊損傷性、適宜的韌性，同時它還具有重量輕、剛度好、強度高、耐腐蝕、抗高溫等特點。 用于 紡織復合材料的三維紡織品主要有機織物、針織物、編織物和非織造織物 [3]。其中，機織三維立體織物在三維紡織復合材料中占有相當的比重。這是由于三維機織物的可設計性，通過制定合適的生產工藝及對傳統(tǒng)的機織設備加以改造，即可獲得多種截面形狀、各種紗線走向、力學性能各異的紡織預制件，滿足各種實際工程要求。 幾種常見的 三維 紡織增強復合材料 三維正交機織物 常見的三維機織物結構如圖 11 所示，圖 11 為四層緯紗的三維正交織物，其有三個系統(tǒng)紗線，即經紗（ D1~D3）、垂紗（ F1~F2）和緯紗（ 1~8 等） ，經紗和緯紗之間沒有交織關系，只是靠垂紗把經紗、緯紗縫合在一起 [4]。 圖 11 四層緯紗的三維正交織物示意圖 三維正交機織物由于在平面內的兩組紗線不參加交織，因此在經緯向都沒有紗線的屈曲，使得材料的強度和剛度都很高。最重要的是該結構有一組厚度方向的捆扎紗，克服了一般層壓板復合材料的分層問題，受沖擊后不易損傷，機械連接孔和幾何形狀突變處的強度無顯著下降，由于具有整體性能好，力學結構合理，高的損傷容限和顯著的抵抗裂紋擴展的能力及可設計性等優(yōu)點，在對結構重量及結構強度要求高的航空航天領域里和對整體性、抗沖擊 性要求較高的海軍艦船殼武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)論文設計 3 體上有良好的應用前景。 同時，經向和緯向纖維不交叉，內部易滑動，材料成型性好，易于鋪附，不易皺折，減少了材料鋪層中間的開剪、縫合的時間。節(jié)約了制造成本。由于三維正交織物內部紗線的伸直排列，更易于樹脂的浸潤，在 RTM 工藝中，比二維織物浸潤速度快好幾倍 [12]。特別適合采用樹脂擴散技術的應用。三維正交織物的纖維含量高，利用滲透法可達 6570%，減少了樹脂用量和應用對象的總重。 縫合連接三維紡織復合材料預制件 三維織物具有整體性好、力學結構合理等特點，克服了在傳統(tǒng)層合復合材料中經常出現的層間破壞的致命弱點，同時具有顯著的損傷容限和抵抗裂紋擴展能力，因此被應用于許多領域。但實際應用中，由于成型和加工的復雜性，導致三維織物的制造成本很昂貴，因此使用范圍僅限于某些特殊構件。而縫合連接三維紡織復合材料技術將縫合和編織兩種工藝結合起來，有效地解決了這個問題，從而進一步拓展了三維編織復合材料的應用領域。 縫合連接三維編織復合材料技術是在三維整體紡織工藝的基礎上將異型形狀部分用縫合線按照一定的縫合工藝參數連接起來形成預制件，最 后采用 RTM或 RFI 工藝方法成型 [16]。 只用增加一個生產工序 —— 對二維織物穿過厚度縫合，即可制成三維縫合復合材料。其對制造二維織物的傳統(tǒng)材料體系和工藝無需大范圍的修改，即可制造處成本較低的三維縫合結構。并且織物裁剪和縫合都能自動化和連續(xù)操作?？p合改善了層間斷裂韌性，對一直分層擴展有顯著作用。傳統(tǒng)復合材料層合結構對低速沖擊引起的損傷很敏感，但縫合提高了沖擊損傷容限。 角連鎖三維機織物 角連鎖結構織物多用于板材，由于紗線有屈曲，所以其預制件有較好的柔曲性能，變形能力較強，較適合用來加工柔性復合材 料或用于形成具有復雜曲面形狀的剛性復合材料等 [10]。由于采用兩個系統(tǒng)的紗線構成，顯然，該類三維織物可以在普通織機上織制 [2]。 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)論文設計 4 圖 12 角連鎖分層接結 三維蜂窩狀織物 蜂窩板材織物可由多層二維織物用經紗聯(lián)接而成，為了獲得均勻的結構，各層擬采用相同的組織；為了減少綜框片數，一般均采用平紋組織。這類織物的耐壓性好、結構穩(wěn)定、隔熱性好、可設計性好，同時克服了層狀結構符合材料層間強度低，易沖擊損傷等缺點 [10]。 在蜂窩狀織物的孔隙內填入泡沫塑料，可以制成隔熱材料，蜂窩板材可以用作通風裝置。飛機 上的某些部位，需用蜂窩板填充，以利于減輕重量，增加結構強度。 圖 13 蜂窩結構 圖 14 蜂窩織物經向結構圖 [1] 三維編織復合材料 編織是第一個用于制造三維復合材料預形件的紡織工藝。 三維編織復合材料武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)論文設計 5 預形件的制造受編織機尺寸的限制。目前大多數工業(yè)編織機僅能生產小截面 （ 寬度小于 100mm） 的預形件。 三維編織復合材料還可用于汽車車體和底盤梁、驅動軸 ， 這些復合材料構件比具有類似沖擊損傷容限和防震性能的鋼材減少 50%的重量 [20]。三維編織復合材料在生物醫(yī)學上也有使用。 三維編織復合材料有多方面適應性 ， 特別以減輕重量為關鍵問題的航天用的細長構件、異性截面構件的整體結構 ， 有很大的應用價值。 三維編織增強復合材料的應用 30 年前，研制成碳 碳三維機織復合材料，替代飛機上制動裝置的高溫金屬合金 ,達到了高比強度、高比剛度和抵抗損傷的能力 [20]。總的看來，三維機織復合材料在 20 世紀八十年代以前研究進展緩慢。但隨著二維層合板結構在飛機應用上，制造復雜幾何形狀構件造價很高，維修中對不慎落下重物引起的沖擊損傷非常敏感。這兩個問題推動了三維機織復合材料的發(fā)展。通過 10~15 年的研究 ，看到三維機織復合材料優(yōu)于二維層合板之處，也認識到妨礙它進一步應用的因素。 三維紡織增強預制件 的發(fā)展在于它的制造問題和力學性能優(yōu)于 傳統(tǒng)的二維層合板結構。紡織預制件 有良好的適應性、 成形性、扭轉穩(wěn)定性和結構的整體性，能制成各種復雜幾何形狀的構件 ， 且不需大量機械加工和連接 ， 因此邊角料和加工過程中的搬運都大量減少 ， 制造費用顯著降低。三維編織復合材料有很高的抵抗分層的能力和沖擊損傷容限 ， 對刻痕亦不敏感 [20]。 近年來，三維紡織復合材料在汽車工業(yè)中也受到廣泛的重視，并得到了應用?？梢灶A料，隨著它的成本的下降，該種材料在汽車工業(yè)中也將具有廣闊的應用前景。此外，三維編織增強復合材料還應用于運動器械、機械系統(tǒng)、電器、造船及民用建筑等眾多領域。 航空航天領域的應用 輕質、高性能、高損傷容限材料，是航空航天部門一直關注的材料。由于三向正交織物復合材料的低成本，更宜于制作大型結構件。如飛機的機翼和機門，飛機渦輪發(fā)動機的止推轉向器、轉子和葉片結構。機身框架的“ I”字形部件，十字形部件、復葉片的加強板 [12]。 最近將 機織的“ H”形連接件用于蜂窩夾芯機翼