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原文传递三维机织间隔织物增强环氧泡沫夹芯板的开发

论文题名：	三维机织间隔织物增强环氧泡沫夹芯板的开发
关键词：	船舶用板材;三维机织间隔织物;弯曲性能;压缩性能;冲击性能
摘要：	随着造船业的不断发展，船舶用板材不仅需要满足较高的力学性能，其轻量化，无磁化，降噪减震也是重要的发展方向。泡沫夹芯结构复合材料因具有轻质高强、吸湿率低、耐腐蚀、吸声、隔热等优点，已开始广泛性地进入船舶制造业的视野。然而，目前主流的三明治结构泡沫夹芯板大多存在撞击后易开胶分层的弊病，严重影响其服役性能。因此，本文尝试以一体化织造成型的三维机织间隔织物为骨架，环氧泡沫为填充物开发一种整体性能优异的新型船舶用泡沫夹芯板。　　本文首先探究了不同发泡温度（85℃、95℃、105℃、115℃）和不同发泡剂含量（2%、3%、4%、5%）对环氧泡沫发泡成型的影响，结合泡沫密度、泡孔形态以及抗压强度三项指标确定复合材料的发泡体系和制备工艺。研究结果表明：当发泡温度为105℃，发泡剂含量为3%时，泡沫的密度为0.36g/cm3，压缩强度可达6.28MPa。相比于其它配方，此配方扫描电镜（SEM）图中的泡孔呈现出饱满的圆球状且尺寸及分布较为均匀。此后，制备了三维机织间隔玻璃纤维织物、三维机织间隔织物/环氧树脂中空复合材料（3DWSC中空复材）和三维机织间隔织物增强泡沫夹芯板（3DWSC泡沫夹芯板）。3DWSC泡沫夹芯板截面的SEM图显示，泡沫孔洞在材料中分布细致均匀，泡壁与中空复材骨架形成良好的界面。　　其次，本文对3DWSC中空复材、3DWSC泡沫夹芯板和商用海洋板的试样进行了弯曲性能测试和破坏模式分析，通过相互对比评估3DWSC泡沫夹芯板的应用潜力。结果显示：相比于未填充泡沫的3DWSC中空复材，填充泡沫后的夹芯板的弯曲刚度总体提高。在经纱方向上由1.04×107N·mm2增加到1.48×107N·mm2，提高了45.41%。纬纱方向上由1.36×107N·mm2增加到1.89×107N·mm2，提高了39.96%。相比于海洋板在受到弯曲破坏之后材料会直接分层失效，3DWSC泡沫夹芯板在达到载荷峰值之后，载荷-挠度曲线上还会出现一段平台，表现出一定的韧性和强度。　　再次，本文进一步对3DWSC中空复材、3DWSC泡沫夹芯板和商用海洋板进行了压缩性能测试，并对其破坏形式进行了观察与分析。由实验数据知，对3DWSC中空复材进行泡沫填充前后，平压强度从8.35MPa提高到34.09MPa，提高了308.26%。经纱方向侧压强度也由10.50MPa提高到24.90MPa，提高了137.14%。纬纱方向侧压强度由15.93MPa提高到30.05MPa，提高了88.64%。3DWSC泡沫夹芯板的侧压破坏图显示，面板发生缓慢而均匀的挤压弯曲变形且未出现分层破坏；从侧压应力-应变曲线中可得，载荷在达到最大承载能力之后，并没有陡然下降，而是呈现出一段韧性平台，表现出较高的能量吸收特性。而海洋板在达到最大载荷后，承载能力快速下降，在破坏模式图中可观察到明显的分层失效。　　最后，本文探究了3DWSC中空复材、3DWSC泡沫夹芯板和商用海洋板在10J、20J、30J、40J能级下的冲击响应和破坏模式。并分别对10J、20J、30J能量冲击后的试样进行侧压试验，评估材料冲击后的剩余强度。研究结果表明：3DWSC泡沫夹芯板在不同能级下的冲击载荷（4000-5000N）均高于商用海洋板（3000-4200N）。40J能量冲击后，3DWSC泡沫夹芯板的冲击面仅有小面积凹陷，背面的裂纹沿纬向呈“一”字型扩展；而商用海洋板则出现几乎贯穿的冲击凹陷，同时伴随着层间分层和板面断裂。30J能量冲击后，3DWSC泡沫夹芯板的侧压剩余强度损失率仅22.29%，远低于商用海洋板（46.99%），且其冲击后的侧压强度仍能保持在24-27MPa之间并能延续一段相对长的韧性平台。
作者：	谢章婷
专业：	纺织工程
导师：	许福军;周家德
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东华大学
学位年度：	2021