碳纖維夾芯材料-結(jié)構(gòu)界面破壞及界面增韌的多尺度研究.pdf

1、碳纖維夾芯材料/結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度、高比剛度的力學(xué)特點(diǎn)，同時具有吸能、耐疲勞、熱控制等功能性，在航空航天、交通運(yùn)輸和土木工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而，由于碳纖維面板和泡沫芯體之間的界面性能較弱，同時面板和芯體性能有很大差異，造成界面附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)服役過程中，面板/芯體界面頻繁出現(xiàn)損傷和裂紋，影響夾芯材料/結(jié)構(gòu)整體性和力學(xué)性能，引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞或失效。因此，本論文首先從宏觀層次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證短纖維增韌方法對碳纖維夾芯材料/結(jié)構(gòu)的力學(xué)

2、性能的增韌和增強(qiáng)效果;接著從微觀層次解釋短纖維增韌的作用機(jī)理;并在此基礎(chǔ)上，分別建立短纖維增韌層增韌效果分析和短纖維增韌夾芯梁力學(xué)行為分析的理論和數(shù)值方法。該研究是國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973計(jì)劃課題“超輕多孔材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型的多功能化基礎(chǔ)研究”（2006CB601205，2010年-2011年）、國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“金屬泡沫夾芯復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理和增韌研究”（11102032，2012年-2014年）和工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析

3、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題“具有格柵加筋鋁蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)界面破壞和增韌機(jī)理”（S13205，2013年-2014年）的重要研究內(nèi)容之一。本論文主要研究工作如下:
　　1.具有低密度芳綸短纖維增韌界面的夾芯材料/結(jié)構(gòu)的制備方法研究
　　碳纖維泡沫鋁夾芯材料/結(jié)構(gòu)在工程服役過程中容易出現(xiàn)面/芯界面脫粘破壞，面/芯脫粘會很大程度上降低夾芯材料/結(jié)構(gòu)的性能，引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞或失效。為提高碳纖維泡沫鋁夾芯梁的力學(xué)性能，作者選用強(qiáng)度高

4、、模量高、韌性好、密度低的芳綸纖維，分別采用干、濕兩種方法成功制備低密度芳綸短纖維薄膜。并在夾芯梁制備過程中將該芳綸短纖維薄膜置于面/芯界面，形成短纖維增韌面/芯界面層，以獲得較好的界面粘接韌性和整體結(jié)構(gòu)性能。
　　2.短纖維增韌夾芯材料/結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及行為的實(shí)驗(yàn)研究
　　為驗(yàn)證芳綸短纖維增韌方法的有效性，分別通過三點(diǎn)彎曲、面內(nèi)壓縮、非對稱雙懸臂梁等宏觀實(shí)驗(yàn)方法，研究芳綸短纖維增韌對碳纖維夾芯材料/結(jié)構(gòu)界面性能及整體結(jié)構(gòu)性

5、能的影響。三點(diǎn)彎曲和面內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，芳綸短纖維的增韌界面可以顯著地減少結(jié)構(gòu)在承載過程中的界面脫粘面積并有效地抑制界面脫粘擴(kuò)展，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲和面內(nèi)壓縮載荷下的極限載荷、極限承載位移和能量吸收性能，保持結(jié)構(gòu)的整體性。非對稱雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用芳綸短纖維進(jìn)行界面增韌能夠有效提高夾芯梁的面/芯臨界能量釋放率。另外，考察微觀參數(shù)對界面性能的影響發(fā)現(xiàn)，縮短芳綸纖維的長度與提高芯體的表面粗糙度能夠有效提高界面的臨界能量釋放率。<

6、br>　　3.短纖維增韌界面的微觀力學(xué)行為與增韌機(jī)理研究
　　采用掃描電鏡、微距拍攝、光學(xué)放大等微觀觀測手段，研究芳綸短纖維增韌界面的微觀力學(xué)行為與增韌機(jī)理，解釋芳綸短纖維增韌對夾芯材料/結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)性能的影響。微距拍攝和微觀掃描電鏡觀測顯示，芳綸短纖維在界面開裂后形成連接面板和芯體的橋聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高界面裂紋擴(kuò)展的臨界載荷;并通過纖維拔出、纖維破壞等行為耗散能量，提高界面裂紋擴(kuò)展的臨界能量釋放率。同時，對夾芯梁試件的微觀斷面觀測顯示

7、，芳綸短纖維增韌界面可以在泡沫芯體孔壁與面板連接區(qū)域形成“圓角”增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)增加了界面的接觸面積，進(jìn)而提高了界面粘接性能，從而解釋了芳綸短纖維的微觀增韌機(jī)理。
　　4.夾芯材料/結(jié)構(gòu)中短纖維增韌界面及界面斷裂的微觀分析模型與方法研究
　　芳綸短纖維增韌方法對夾芯梁面/芯界面具有良好的增韌效果，具有良好的應(yīng)用前景。為分析芳綸短纖維的增韌效果，預(yù)測增韌界面的性能，作者考慮短纖維增韌界面張開過程中纖維剝離、纖維拔出和纖維