不同針刺工藝的針刺復合材料面內拉伸強度分析

碳纖維針刺復合材料的工藝簡(jiǎn)單、可設計性強和成本較低，具有高比強度、高比模量等優(yōu)異性能，可用于制造高超聲速飛行器的機翼前緣、固體火箭發(fā)動(dòng)機噴管、飛行器剎車(chē)等不規則熱防護部件[1~3] 因此，對針刺復合材料的制備和力學(xué)性能的研究越來(lái)越多 張曉虎等[4]和嵇阿琳等[5]對不同工藝的針刺C/C復合材料進(jìn)行拉伸、壓縮和彎曲力學(xué)實(shí)驗，定性分析了針刺工藝對材料力學(xué)性能的影響 Li等[6]和Nie等[7] 測試針刺C/C和C/C-SiC復合材料的高溫力學(xué)性能，給出了溫度對材料性能的影響 但是，上述實(shí)驗測得的針刺復合材料力學(xué)性能均有一定的離散性 這種離散性與材料中針刺區域分布的隨機性和纖維結構的不確定性相關(guān) 這表明，針刺材料的微細觀(guān)結構特征，例如不同區域的孔隙結構[8]、紗線(xiàn)尺寸變化[9]等因素對其力學(xué)性能都有很大的影響 用微細觀(guān)分析模型，可定量分析表征材料的微細觀(guān)結構特征 Xie等[10]建立了針刺C/C-SiC復合材料的細觀(guān)模型，用有限元法預報材料的剛度性能并分析了針刺工藝對其剛度性能的影響 同時(shí)，對于微細觀(guān)結構不確定性問(wèn)題，分析了試樣尺寸及針刺工藝對針刺材料離散性的影響，給出了實(shí)驗測試時(shí)合適的試樣尺寸[11] 賈永臻[12]建立針刺區域的數值計算模型，預報了針刺C/C復合材料的拉伸模量和剪切模量 本文作者也觀(guān)測了碳纖維增強樹(shù)脂基針刺復合材料內部結構，給出了計算材料剛度性能的理論分析方法并成功預報了針刺復合材料的彈性模量[13] 但是，目前關(guān)于預測針刺復合材料強度的報道較少[14,15] 尤其是描述針刺工藝對強度的影響，還沒(méi)有成熟的表征方法或理論模型 針刺復合材料是通過(guò)針刺工藝把面內纖維引入到厚度方向，但是在提高層間和厚度方向性能的同時(shí)降低了面內性能 因此針刺工藝直接影響材料的面內性能，特別是面內的強度 鑒于此，本文對6種不同工藝的碳纖維增強樹(shù)脂基針刺復合材料進(jìn)行拉伸測試，分析針刺工藝參數對其面內拉伸強度的影響并觀(guān)測斷口表面及材料內部形貌和分析材料的斷裂機制 基于纖維累計損傷理論(LLS)提出一個(gè)針刺復合材料面內拉伸強度預測模型，來(lái)預報不同工藝針刺復合材料的面內拉伸強度 1 實(shí)驗方法 針刺復合材料預制體為針刺整體氈 針刺整體氈，是由無(wú)緯布和短切纖維網(wǎng)胎交替疊層連續針刺而成的準三維PAN基T700碳纖維預制體[14,16]，如圖1所示 無(wú)緯布由單向連續長(cháng)纖維組成，相鄰兩層