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1、第卷第期年月材料研究学报,沈三维编织碳碳复合材料高温力学性能的测试与预报韩杰 才赫晓 东杜善义哈尔滨工业大学摘要用快速通电加热渊试技术研究 了细编穿刺复合材料在时的拉伸性能把碳纤维和基体 的性能 作为己知参数,选取适 当细观代表性单胞,利用细观力学和三维有限元方法预报其高温弹性模最,分析了织物结构参数的影响,其随温度的变化规律与实测结果吻合关健词碳碳复合材料力学性能有限元法由于碳碳复合材料制造周期长、成本高、工艺复杂,因而通过改变织物,分别测定它们的力学性能去进行编织方案的选优是不现实的,最合理的办法是对各种不同织物结构的碳碳材料先作理论预报,在理论上 定性选定织物结构后,再投资进行材料的工艺
2、优化研究,以节省投资和缩短研制周期,实现材料一设计一工艺一评价一体化,实验方法作者研 究的三向细编穿刺碳碳复合材料的结构是向为五锻碳布叠成编织物,向为间距,的穿刺纤维束将穿刺增强的织物预热处理,预渍沥青常压碳化,再预浸沥青、高压碳化、石墨化,如此 多周期循环,制成高密度的成品,然后切取,和向拉伸试件高温是通过快速通电直接加热达到的,加热速度在高温时大于一用自动红外测温技 术测温,响应时间为一环境仓减压到,使用 不锈钢或铜夹具并水冷,加载速度一快速通电加热拉伸试验只能测定出载荷与位移曲线,由于在试件长度方向上温度不均 匀,因此拉伸模量只能进行数学处理近似求出 若已知弹性阶段尸一曲线上两点仍,、妈
3、,左儿,均匀温区温度为,长度为凡,非均 匀区的温度分布用红外热像仪测出并近似拟合为抛物线分布,则非均 匀区对伸长的贡献八,可,吕,一占心,国家 自然科学攀金资助项目年月收到初稿年月日收到修改稿本文联系人韩杰才,教授哈尔滨市哈尔滨业大学复合材料研究所材料研究学报年由此求得弹性模量为。二口一口“。一“,口一汀一,一一编制相应的计算程序多段拟合求出平均值 同理可求出断裂延伸率细观计算模型多向编织复合材料的可设计性,允许在其结构 中选取一个代表性单胞单胞是包括不同取向纤维束和基体、真实地反映复合材料结构各个细节的最刁谭位,单胞在空间的排列构成真实的复合材料细编穿刺复合材料的代表性单胞是向碳布和向穿刺纤
4、维束的复合体编织组织的分析模型二向织物可以简化为阳】层合板基于经典层板理论的假设,二向编织复合材料的刚度可表示为。犷护”一,、一。一,一。二,一。忿”一,“一“。二,一一。一。,一。犷”一。,。”一,一“一。“一“。,一。,一式中,分别为碳布缎数,泊松比和材料主方向刚度,又为与碳布缎数有关的常数,其定义见文献这样可求出柔度矩阵和弹性常数一”一,俨一竿一对单层织物,一,一”么同理可求出其它弹性常数,表给出了不同缎数下的计算结果表二向给织碳碳复合材料弹性模量理论预报结果二乓,二,工声亡、阅名八,门了声,工、一户、矛,石月呀,挂,碑八,工声、七月峥飞,口,、心气曰尸第卷第期韩杰才等三维编织碳碳复合材
5、料高温力学性能的测试与预报滋少撇撇撇困困困呻,一衅衅峥图细编穿制订材料代表性体积单胞,及有限元网格划分,的计算模型细 编穿刺的代表性体 积 单 胞 见图,则单胞等 效 体的本构方程为万。一二,、,式电二,为单胞的有效模量万。和。是单胞的平均应 力和平均应变,由单胞内各单元的应力和应变体积平均给出。一,一丁。,。一,一歹。,预报复合材料的宏观弹性常数就是预报如下边界条件万二二常数,万,。,一卜么一为了求出鱿,给定下二则等效弹性应力一应变关系变成二、,卜万一、矛了一一口即,万二若二,其中万二为单胞中方向上 的平均应力,根据和向的平均应力还可求出,同理,其它弹性常数均可求出为了求出单胞中各相材料纤维
6、、基体的应力,划分如图。的有限元网格 根据有限元方程和细编穿刺单胞模型编制了专用非线性程序 有限元程序 中采用八节点三维等参元,非线性计算采用增量理论结果与讨论由图可见,拉伸强度随温度的升高而增加,到一达到最大后,温度继续增加,强度开始 缓慢降低关于的性能随温度而增加的现象,尚无较满意的解释认为,材料各向异性包括层片状基体和各向异性纤维导致材料在浸渍、碳化和石墨化过程中,形成大量 的残余内应力,随着温度增加,残余内应力逐渐消失,石墨的六方晶面间的滑动受到高温碳原子面外振动 的阻碍图表明随温度增加,断裂应变开始几乎没有变化,只在高于时,断裂应变成倍增长,并表现出一定的塑性 细编穿刺多向织物纤 维
7、之间的相 互 自锁结构,使其变形能力不超过,远低于低密 度材料研究学报年一乏么匕沪旬一匕名名争争争,芍习,一尽。二二。沪沪加,。,图拉伸强度和断裂应变随温度的变化一于吞目。亨。冬昌品公尾吞,勺勺口吞,甘内几口卜、,。二堆二石,吞乙吞,。乙石弘以,图的高温拉伸模量的实验与理论值一一材料的一塑性流动 对初始拉伸模量而言,其变化趋势与强度类似图细编穿刺的模量最大点为一,略低于强度最大 的温度,同时超高温弹性模量随温度下降趋势比强度下降速度快这是由于高温时,碳原子面的相对滑动成为可能,变形较容易,模量减小图是 实验结果 与理论结果的比较,计算 中认为纤维与基体的结合是完好的,不考虑损伤影响向的性能强烈
8、地受到向穿刺纤维束的影响,向的性质与碳布的经纬多少有关,向纤维束的交叉使得交接点产生应 力集 中,影响性能加之向穿刺纤维对碳布纤维的损伤作用,使其性能低于向分析表明增加碳布缎数对向模量 几乎没有影响,而增加向穿刺纤维束间距第卷第期韩杰才等三维编织碳碳复合材料高温力学性能的侧试与预报二甲左才。几,匆,“,琢靶一卜一一一一拟图一向拉伸模量随织物结构参数变化刁尤的公戈巧心心叨的言一护。图一向拉伸模量随织物参数变化一尤或减少其孔数均可降低穿刺过程对向织物的影响,增加习,向模量,但其变化幅度不大图和的微小改变,均可使向模量产生显著变化图因此控制细编穿刺性能的主要织物结构参数是向穿刺纤维束的孔数和间距 通过细观有限元分析给出的三维曲面图形,很容易判断出相应弹性模量所对应的编织参数,正确选取这些织物参数可以获得所需性能的复合材料,达到优化材料设计的 目的材料研究学报年参考文献,一一吕文涛,顾震隆,复合材料学报,韩杰才【博士学位论文】哈尔滨工业大学,赫晓东【博士学位论文】哈尔滨工业大学,勿竖一一一,