高性能纖維針刺氈三維重構(gòu)及其復(fù)合材料性能表征.pdf

1、采用碳纖維或石英纖維等其他高性能纖維制作而成的針刺氈，是三維針刺復(fù)合材料的主要原材料。針刺氈的加工流程簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，不僅可以顯著提高三維針刺復(fù)合材料的層間性能，還可以使其降低生產(chǎn)成本、縮短加工周期。隨著此類針刺氈的應(yīng)用越來越廣泛，深入研究它們的結(jié)構(gòu)、性能變得越來越重要。本文通過對(duì)碳纖維針刺氈的結(jié)構(gòu)分析建立了其三維模型，并進(jìn)一步研究了碳纖維針刺氈增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性性能、層間剪切強(qiáng)度及導(dǎo)熱性能，主要內(nèi)容包括:
　　(1)采用隨機(jī)

2、取樣法對(duì)三種碳纖維針刺氈中的纖維長(zhǎng)度做了統(tǒng)計(jì)分析，提出純彎梁模型來模擬碳纖維在針刺氈中的非伸直狀態(tài)?；趦山M分二參數(shù)混合Weibull分布對(duì)纖維長(zhǎng)度和彎曲半徑的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，驗(yàn)證結(jié)果表明曲線具有較高的擬合度。纖維取向的測(cè)量結(jié)果表明，碳纖維在針刺氈平面內(nèi)基本是均勻分布的。通過以上工作實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳纖維針刺氈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化表征。
　　(2)針對(duì)伸直纖維和彎曲纖維分別建立了碳纖維模型，并在此基礎(chǔ)上建立了纖維生長(zhǎng)模型。提出了纖維移動(dòng)法

3、，它通過纖維的不斷移動(dòng)來尋找模型中的合適位置，避免與模型中已有纖維相交。利用Python語(yǔ)言編寫建模腳本文件，然后在商業(yè)有限元軟件ABAQUS中執(zhí)行，最后基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立了碳纖維針刺氈的三維模型。
　　(3)建立了三種碳纖維針刺氈的三維模型，分別是封閉模型、開放模型和裁剪模型。提出了多種方法對(duì)不同尺寸裁剪模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)做了全面的統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果表明，隨裁剪模型尺寸增加，纖維的平均長(zhǎng)度也不斷增加。分析結(jié)果和裁剪模型可以用來預(yù)測(cè)碳纖維

4、針刺氈增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性性能。模擬了包括壓縮過程和針刺過程的預(yù)針刺工藝，研究了針刺作用下纖維的移動(dòng)路徑、纖維形貌以及纖維之間的相互作用。
　　(4)對(duì)碳纖維針刺氈增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和理論預(yù)測(cè)，探討了裁剪尺寸對(duì)復(fù)合材料縱向拉伸性能的影響。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，碳纖維針刺氈增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性性能隨樣品尺寸的增加而減小。在建立復(fù)合材料的三維有限元模型時(shí)，采用了嵌入單元技術(shù)，并提出了等效浸膠纖維束的概念。與混合律和夾雜

5、理論比，采用有限元方法的預(yù)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值。預(yù)測(cè)結(jié)果從側(cè)面驗(yàn)證了碳纖維針刺氈三維模型的有效性。
　　(5)對(duì)三種2.5D機(jī)織物層合復(fù)合材料力學(xué)性能的分析結(jié)果表明，加入碳纖維針刺氈會(huì)顯著提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，針刺作用則會(huì)使層間剪切強(qiáng)度進(jìn)一步提高。三種復(fù)合材料的層間失效機(jī)理各不相同。碳纖維針刺氈的加入使2.5D機(jī)織物層合復(fù)合材料的平面內(nèi)力學(xué)性能得到了小幅提升，但是針刺作用會(huì)使平面內(nèi)力學(xué)性能大幅下降。
　　(6)基于瞬態(tài)熱