編織復(fù)合材料在特種環(huán)境下雷擊損傷特性研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其優(yōu)良的比強(qiáng)度、比剛度、疲勞抗性、環(huán)境適應(yīng)性、可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天等尖端工業(yè)領(lǐng)域。隨著技術(shù)水平，各種廉價(jià)纖維原材料以及低成本成型工藝的相繼出現(xiàn)與發(fā)展，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展到汽車(chē)工業(yè)、體育用品、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等諸多民用領(lǐng)域。特別在電力行業(yè)，近幾年，在國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)以及國(guó)家大力提倡綠色、可持續(xù)能源利用的大背景下，人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注于將先進(jìn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于各種傳統(tǒng)電力產(chǎn)品的制造上，以克服其自身缺

2、陷，提高設(shè)備的可靠性及工作壽命。由于大部分電力設(shè)備長(zhǎng)期工作在室外，雷電沖擊對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞特性的評(píng)估，及其力學(xué)性能的影響是亟需研究的課題之一。因此，本文圍繞雷電沖擊對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件的影響進(jìn)行了如下方面的工作：
　　以廣泛使用的單向編織型碳纖維織物作為增強(qiáng)體、環(huán)氧樹(shù)脂作為基體制作單向試樣件。采用實(shí)驗(yàn)方法得到材料橫向、縱向及厚向力學(xué)、電學(xué)和熱解動(dòng)力學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了評(píng)估，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)及仿真分析奠定基礎(chǔ)。<

3、br>　　采用實(shí)驗(yàn)方法研究了兩種鋪層設(shè)計(jì)的碳纖維編織/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層合板在干燥環(huán)境下受到不同強(qiáng)度模擬雷電沖擊后的電擊破壞特性及剩余力學(xué)性能，并對(duì)材料電擊破壞特性與力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析與機(jī)理解釋。研究顯示，雷電沖擊對(duì)復(fù)合材料造成了三種典型破壞形式，并隨著電擊強(qiáng)度的增加及鋪層角度的改變呈現(xiàn)出不同形態(tài)的變化。微觀掃描分析發(fā)現(xiàn)電擊會(huì)對(duì)樹(shù)脂與纖維界面造成嚴(yán)重破壞。此外，雷電沖擊會(huì)改變?cè)嚇蛹牧W(xué)失效位置與作用機(jī)理，兩種試樣件的剩余模量與強(qiáng)度

4、均隨著雷電沖擊次數(shù)的增加而呈現(xiàn)相同幅度的下降趨勢(shì)。
　　本文研究了濕熱效應(yīng)對(duì)這兩種鋪層復(fù)合材料試樣件在受到雷電沖擊后的破壞形態(tài)影響，以及試樣件的力學(xué)性能在這種濕熱-雷擊耦合沖擊下的變化特性。結(jié)果顯示，濕熱效應(yīng)會(huì)改變材料的導(dǎo)電特性并且顯著增大三種典型破壞區(qū)域的面積，但鋪層角度對(duì)破壞形態(tài)的影響則趨于不明顯。微觀掃描結(jié)果顯示纖維與樹(shù)脂間粘結(jié)強(qiáng)度在濕熱作用下顯著降低并在雷電沖擊下嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)層間與層內(nèi)的分層開(kāi)裂現(xiàn)象。力學(xué)測(cè)試首次發(fā)現(xiàn)濕熱

5、效應(yīng)對(duì)特定鋪層的試樣件會(huì)產(chǎn)生特殊的硬化作用。此外，鋪層角度也會(huì)影響濕熱效應(yīng)對(duì)材料力學(xué)性能的作用效果。
　　本文研究了一種特殊設(shè)計(jì)的碳纖維布/玻璃纖維布混合鋪層編織復(fù)合材料層合板在干燥及濕熱條件下受到不同強(qiáng)度等級(jí)模擬雷電沖擊后的破壞特性。與碳纖維復(fù)合材料相比，混合鋪層試樣件受電擊沖擊后表現(xiàn)出三種不同的破壞形式。濕熱效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重降低玻纖與碳纖的層間粘結(jié)強(qiáng)度。在雷電沖擊下，玻纖、碳纖及內(nèi)部分層破壞區(qū)域均顯著擴(kuò)大，并出現(xiàn)完全脫膠現(xiàn)象。這種混

6、合鋪層結(jié)構(gòu)因其表層玻璃纖維對(duì)雷電能量產(chǎn)生了聚積作用嚴(yán)重加深了雷電對(duì)其造成的破壞程度。
　　本文建立起一套完整的復(fù)合材料雷電沖擊損傷仿真計(jì)算模型，可以對(duì)材料的溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、熱燒蝕場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行分析。在燒蝕計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文首次采用基于原位強(qiáng)度的LaRC破壞準(zhǔn)則并結(jié)合復(fù)合材料漸進(jìn)失效理論編寫(xiě)出一套復(fù)合材料受雷電沖擊后剩余力學(xué)性能表征的計(jì)算方法。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。這套方法可以應(yīng)用于低強(qiáng)度雷電沖擊對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能破