汽車用碳-芳綸纖維增強復合材料管件物的成型以及能量吸收機理的研究.pdf

1、到目前為止，全球汽車行業(yè)可以說在工業(yè)歷史上是最大、最復雜的事業(yè)之一。然而，隨著汽車成倍增加，汽車事故的發(fā)生率也像汽車本身一樣成倍增加。目前，全世界道路交通傷害約占所有傷害事件的25％，面對交通安全問題，一方面，作為政策的制定者，世界各地政府都在盡他們最大的努力制定嚴格的汽車安全性標準。另一方面，汽車制造商也注重提高生產質量尤其是防撞性和破壞承受性。目前包括保險杠、安全帶、安全氣囊和防抱死制動系統(tǒng)(ABS)在內許多產品都提高了駕駛人員在突

2、然停車和碰撞過程中的安全性。除了安全性，還需要考慮汽車所產生的有害氣體，例如污染空氣的NOx和引起溫室效應的CO2。隨著節(jié)能和環(huán)保的迫切要求，對高能效的經濟合作型(ECO)汽車的需求愈來愈強烈。通過減輕汽車的重量可以提高燃料的利用效率，但對于傳統(tǒng)的金屬框架的汽車很難在減輕重量的同時保證其高的防撞性，因此，人們嘗試選用新的材料系統(tǒng)替換傳統(tǒng)金屬來生產新一代汽車。在這個領域中，纖維增強復合材料(FRPs)備受關注。
　　纖維增強復合材料

3、質量輕，并且其不像金屬那樣憑借自身的塑性變形來吸收能量，而是通過自身復雜的微觀纖維斷裂、彎曲、分層、摩擦等形式實現(xiàn)理想吸能。纖維增強復合材料的能量吸收性能為傳統(tǒng)金屬的2倍以上，且質量僅為其一半左右。但目前復合材料用作車輛能量吸收部件并沒有得到大范圍的應用，其原因之一即為高昂的成本。
　　本文采用互補性增強材料（碳纖維、芳綸纖維）制復合材料，通過優(yōu)化不同特性多種增強纖維的混雜方式、比例以及合理的幾何形狀，來制造成本低、比能量吸收值E

4、s達到100kJ/kg的高能量吸收性能的汽車防護部件。具體地，以碳纖維、芳綸纖維為增強體，普通的環(huán)氧樹脂為基體，并利用傳統(tǒng)的高產量、低成本的纏繞成型技術制得五種不同結構、原料的碳/芳綸、碳/碳纖維增強復合材料管件，經過100℃、200℃溫度處理100h、200h、400h處理，并且利用準靜態(tài)壓縮實驗檢測其能量吸收性能，然后通過切割、固化、拋光等工序對破壞復合材料管件截面進行觀察，分析其能量吸收破壞機理。
　　研究發(fā)現(xiàn)，在溫度為10

5、0℃條件下，處理100h、200h后的碳/芳綸纖維增強復合材料管件的能量吸收性能比處理之前明顯提高，且隨著處理時間的增加，能量吸收性能也顯著提高;但處理對碳/碳纖維增強復合材料管件的能量吸收性能無明顯影響。相同纖維含量和分布的三層結構（芳綸/碳/芳綸）碳/芳綸纖維增強復合材料管件比五層結構（芳綸/碳/芳綸/碳/芳綸）纖維增強復合材料管件的能量吸收性能更為優(yōu)越。同為三層結構，未處理條件下，碳/碳纖維增強復合材料管件（碳/碳/碳）比碳/芳綸

6、纖維增強復合材料管件（芳綸/碳/芳綸）的能量吸收性能更為優(yōu)越，但溫度處理后的碳/芳綸纖維增強復合材料管件的能量吸收性能可以比碳/芳綸纖維增強復合材料管件的更加優(yōu)越。同時，根據碳/芳綸、碳/碳纖維增強復合材料管件截面破壞的光學觀察，其破壞模式按照能量吸收性能從高至低可分為彎曲破壞模式(Bendingmode)、開花破壞模式(Splayingmode)、以及屈曲破壞模式(Bucklingmode)。但通常情況下，纖維增強復合材料的破壞模式不

7、僅僅是單一的破壞模式，往往為多種破壞模式的復合，且破壞模式與中央裂紋的擴展關系密切。因此，在設計纖維增強復合材料管件時，在確保管件整體不會發(fā)生失穩(wěn)變形的前提下，應盡力控制中央裂紋的擴展，使得向管內和管外彎曲的側葉以較小的曲率彎曲，側葉中纖維充分斷裂吸能，即盡力設計為彎曲破壞模式，避免屈曲破壞。
　　本文也較為成功地優(yōu)化出比能量吸收值高達95.67kJ/kg(芳綸纖維88°/碳纖維17.6°/芳綸纖維88°:1/13.3/3.3，1