【正文】 dwich structures。 Compressive strength after impact。 選題的依據(jù)及意義 ................................................. 9 1. 2 國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展 .............................................. 10 研究內(nèi)容 ......................................................... 11 2 實(shí)驗(yàn)部分 ....................................................... 12 實(shí)驗(yàn)儀器和原料 .................................................. 12 復(fù)合材 料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的制備 ...................................... 14 復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的沖擊試驗(yàn) .................................. 15 復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)沖擊損傷的超聲檢測(cè) .......................... 16 復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的壓縮試驗(yàn) .................................. 17 3 結(jié)果與討論 .................................................... 18 復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)沖擊損傷超聲檢測(cè)結(jié)果 ........................ 21 復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)沖擊 后壓縮強(qiáng)度 .............................. 25 4 結(jié)論 ............................................................ 26 參考文獻(xiàn) ............................................................ 27 致 謝 ............................................................ 28 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 復(fù)合材料 泡沫夾層結(jié)構(gòu) 沖擊 損傷的 研究 1 緒論 選題的依據(jù)及意義 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的不同化學(xué)性質(zhì)或不同組織相的物質(zhì)，以微觀或宏觀的形式組合而成的材料。在航空方面，目前各發(fā)達(dá)國家的飛機(jī)中，機(jī)翼蒙皮、機(jī)身、垂尾、副翼、雷達(dá)罩、翼肋等主承力構(gòu)件都已經(jīng)使用復(fù)合材料，大量使用復(fù)合材料能夠大幅度減輕飛機(jī)的自重，改善飛機(jī)的總體結(jié)構(gòu)。隨著制造成本的不斷下降，成型工藝機(jī)械化、自動(dòng)化程度不斷提高，民用飛機(jī)也越來越多的使用復(fù)合材料，波音 787 和空客 A350 飛機(jī)復(fù)合材料用量都已達(dá)到機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的50%。建筑工業(yè)中，復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于各種輕型結(jié)構(gòu)房屋，建筑裝飾、衛(wèi)生潔具、冷卻塔、儲(chǔ)水箱、門窗及其門窗構(gòu)件、落水系統(tǒng)和地面等；化學(xué)工業(yè)中，復(fù)合材料主要 應(yīng)用于防腐蝕管、罐、泵、閥等。 但是其結(jié)構(gòu)在制造、使用和維修過程中很容易受到低速?zèng)_擊引起的損傷，這種損傷主要發(fā)生在材料內(nèi)部不容易被肉眼發(fā)現(xiàn)，稱之為“ 難以察覺的沖擊損傷”。 復(fù)合材料由基體材料和增強(qiáng)材料兩種組分組成。其中增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中起主要作用，南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 提供剛度和強(qiáng)度，主要用于控制其性能。復(fù)合材料的力學(xué)性能比一般金屬材料復(fù)雜的多，主要有不均勻、不連續(xù)、各向異性等特點(diǎn) [2]。 單層復(fù)合材料中纖維起增強(qiáng)和主要承載作用，基體起支撐纖維、保護(hù)纖維，并在纖維間起分配和傳遞載荷作用，載荷傳遞的機(jī)理是在基體中產(chǎn)生剪應(yīng)力，通常把單層材料的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系看作是線彈性的。疊層材料由上述單層板按照一定的纖維方向和次序，鋪放成疊層形式， 進(jìn)行粘合，經(jīng)加熱固化處理而成。層合板也是各向異性的不均勻材料，但比單層板復(fù)雜的多，因此對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算也將大大復(fù)雜化。 復(fù)合材料屬于各向異性材料，沿纖維方向具有很高的強(qiáng)度和剛度，而在垂直于纖維方向力學(xué)性能相對(duì)很弱。 人們通常采用 不飽和聚酯樹脂 為基體材料制作復(fù)合材料層合板，而 不飽和聚酯樹脂 又 是熱固性樹脂中最常用的一種，它是由飽和二元酸、不飽和二元酸和二元醇縮聚而成的線形聚合物，經(jīng)過交聯(lián)單體或活性溶劑稀釋形成的具有一定黏度的樹脂溶液。迄今，國內(nèi)外用作復(fù)合材料基體的不飽和聚酯（樹脂）基體基本上是鄰苯二甲酸型（簡稱鄰苯型）、間苯二甲酸型（簡稱間苯型）、雙酚 A 型和乙烯基酯型、鹵代不飽和聚酯樹脂等。 不飽和聚酯樹脂的相對(duì)密度在 ～ 左右，固化時(shí)體積收縮率較大，固化樹脂的一些性質(zhì)如下 [4]： ⑴ 耐熱性 絕大多數(shù)不飽和聚酯樹脂的熱變形溫度都在 50～ 60℃ ，一些耐熱性好的樹脂則可達(dá) 120℃ 。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 ⑵ 力學(xué)性能 不飽和聚酯樹脂具有較 高的拉伸、彎曲、壓縮等強(qiáng)度。 ⑷ 介電性能 不飽和聚酸樹脂的介 電性能良好。復(fù)合材料在使用過程中受到低能沖擊時(shí)，大部分情況并沒有明顯的目視損傷，但卻在層合板內(nèi)部會(huì)生成不可視的分層，從而形成潛在的危險(xiǎn)，內(nèi)部損傷的存在可造成復(fù)合材料在強(qiáng)度和剛度上的很大損失。 隨著科技的發(fā)展，一些高性能纖維相繼問世，像碳纖維，芳香族聚酞胺纖維，聚乙烯纖維，硼纖維等。但 它們 的價(jià)格比較貴，遠(yuǎn)沒有玻璃纖維復(fù)合材料具有的良好性價(jià)比。 復(fù)合材料中 泡沫 夾層結(jié)構(gòu)的最初應(yīng)用從上世紀(jì)初的航空航天業(yè)開始，逐步發(fā)展到今天的船舶、交通運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)器材、風(fēng)力發(fā)電、醫(yī)療器材等領(lǐng)域。巴薩木目前主要的用途集中在風(fēng)電、船舶、鐵路車輛等行業(yè)。但是因?yàn)槠鋬r(jià)格優(yōu)勢(shì) ，目前還有一定的市場(chǎng) 。硬質(zhì)聚氨酯 PUR泡沫與其他泡沫相比，其力學(xué)性能一般，樹脂 /芯材界面易產(chǎn)生老化，從而導(dǎo)致面板剝離。有時(shí)PUR 泡沫也能用于受載較小的夾層板中，起到隔熱或隔音的作用。 PUR 泡沫價(jià)格相對(duì)便宜，發(fā) 泡工藝也比較簡單，采用液體發(fā)泡。另外在沖浪板中也普遍使用 PUR 泡沫或 EPS 泡沫作為芯材 。隨著計(jì)算機(jī)分析軟件的發(fā)展，用有限元分析軟件來模擬預(yù)測(cè)夾層結(jié)構(gòu)的破壞過程成為目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向，也具有及其重要的實(shí)用價(jià)值，如果能夠正確 評(píng)估復(fù)合材料泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)的破壞，就可以為夾層結(jié)構(gòu)的檢修更換提供依據(jù)，也能為設(shè)計(jì)師提供參考數(shù)據(jù)，對(duì)于了解復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的損傷容限很重要，所以具有較大的工程意義。相對(duì)于中、高能量的沖擊，低能量沖擊損傷對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的危害更加致命。這些目視不可檢的內(nèi)部損傷將使層合板的力學(xué)性能嚴(yán)重退化，其結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度會(huì)大幅度下降，其中剩余壓縮強(qiáng)度 (CAI)下降尤為顯著，甚至達(dá)到 60％以上 [9]。此外，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)低能量沖擊損傷后的剩余強(qiáng)度評(píng)估、疲勞壽命分析，以及結(jié)構(gòu)的日常檢測(cè)維護(hù)與損傷修復(fù)等問題，也都要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開深入的研究工作。 國內(nèi)外 相關(guān) 研究 進(jìn)展 復(fù)合材料的沖擊損傷研究開始與上世紀(jì)七十年代，在八十年代逐步得到發(fā)展 [13]。 不少研究者提高耐沖擊性能的主要措施是通過對(duì)填料的選擇和表面進(jìn)行改性來提高復(fù)合材料抗沖擊性能。 填料改性是為了改變填料表面原有的性質(zhì)（親油性、吸油率、浸潤性、混合物 粘度等），改善礦物填料與有機(jī)聚合物的相容性以及加工流動(dòng)性，提高填料／樹脂相界面之間的結(jié)合力，促進(jìn)復(fù)合材料物理機(jī)械性能的提高，使非功能填料轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ芴盍?。增韌改性途徑：改南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 變不飽和聚酯樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)有其局限性；彈性體增韌雖然可以提高沖擊強(qiáng)度，但其它性能如拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、耐熱性能有所下降，這兩種改性途徑存在的缺陷，使不飽和聚酯樹脂增韌改性的發(fā)展受到一定影響。 不飽和樹脂屬熱固性樹脂，需在固化劑的作用下形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)才能獲得其特有性能。這些內(nèi)應(yīng)力往往被束縛在樹脂與填料界面上，導(dǎo)致固化物內(nèi)部產(chǎn) 生微裂紋，使得不飽和樹脂固化物的抗沖擊性能變差，耐熱沖擊和斷裂韌性降低。國內(nèi)外許多高分子材料專家一直在致力于不飽和樹脂改性的研究，并已取得顯著的成果，相繼開發(fā)出許多用于改性不飽和樹脂的改性劑產(chǎn)品，已成為改性不飽和樹脂的主要手段。通過對(duì)復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊及沖擊后含損傷的夾層結(jié)構(gòu)在壓縮載荷作用下?lián)p傷擴(kuò)展的全過程進(jìn)行模擬研究，預(yù)測(cè)分析夾層結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊后的剩余壓縮強(qiáng)度。人們對(duì)沖擊后剩余強(qiáng)度的研究主要基于 4 種方法：（ 1）軟化夾雜法，即將沖擊損傷等效為規(guī)則形狀的軟化夾雜，然后采用基于各種破壞準(zhǔn)則的點(diǎn)應(yīng)為或平均應(yīng)力判據(jù)確定板的失效強(qiáng)度；（ 2）子層屈曲法，將沖擊損傷看做大小不同的多個(gè)規(guī)則形狀的分層，認(rèn)為壓縮破 壞過程是各個(gè)子層不斷發(fā)生屈曲失效的過程，當(dāng)所有的子層都屈曲時(shí)，層板發(fā)生破壞；（ 3）開口等效法，用一個(gè)圓孔或橢圓孔取代沖擊損傷，之后用孔斷裂韌性判據(jù)來判斷板的破壞；（ 4）損傷累積法，利用動(dòng)態(tài)有限計(jì)算層板的沖擊損傷的剛度下降，作為板的初試損傷，用損傷累積法模擬板的壓縮破壞過程，并計(jì)算剩余壓縮強(qiáng)度。正確評(píng)估復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的破壞，就可以為夾層機(jī)構(gòu)的檢修和更換提供依據(jù)，也能為設(shè)計(jì)師提供參考數(shù)據(jù)，對(duì) 于了解復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的損傷容限很重要，為泡沫夾層結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用提供了有效方法。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 2 實(shí)驗(yàn)部分 實(shí)驗(yàn)儀器和原料 本實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)儀器和藥品分別列于 表 01 和 表 02 中。 制備硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的配方（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）：蔗糖聚醚和聚醚二醇， 100；催化劑， ；發(fā)泡劑， 8；泡沫穩(wěn)定劑， 2； PAPI， 115；玻璃微珠， 0~15。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 由于樹脂