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原文传递碳纤维单向与三维编织混杂织物灌注成型复合材料结构与性能的研究

论文题名：	碳纤维单向与三维编织混杂织物灌注成型复合材料结构与性能的研究
关键词：	高速轨道列车;转向架侧梁;复合材料;三维编织织物;碳纤维单向织物;灌注成型;力学性能;吸能特性
摘要：	碳纤维增强聚合物基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer:CFRP）凭借其高比强度和比模量、耐疲劳性能好以及其可设计性强等优点被广泛应用于航空、航天和轨道交通等领域。在CFRP中，碳纤维三维编织物通过树脂灌注成型制备的复合材料具有抗冲击损伤容限高、比吸能高以及易成型复杂结构件等优势，近几年得到快速发展。然而，对于三维编织CFRP，由于其编织工艺和纤维取向等原因导致复合材料沿编织方向的力学性能低于相同体积分数下单向复合材料的力学性能，无法满足某些特定领域的工程需要。对此，有研究者在编织的过程中引入轴向纱线，通过提高轴向方向纤维含量来增强复合材料的承载作用，但此种方式对轴向力学性能的提升幅度有限。因此，研究如何提高三维编织复合材料的轴向力学性能，并保持其整体力学性能优势对三维编织CFRP的应用具有非常重要的意义。本研究以某高速轨道列车转向架构架复合材料侧梁为研究背景，采用碳纤维单向织物与三维编织织物进行层间混杂，并通过环氧树脂的灌注成型制备了兼具优异面内和层间性能的三维编织/单向碳纤维织物（3D/UD）混杂CFRP层合板，对混杂CFRP层合板的结构和力学性能进行深入研究，并进一步对混杂CFRP管状结构在压溃作用下的失效形式和吸能特性进行分析，其研究内容和结果如下：　　（1）选用四步法旋转编织工艺制备了碳纤维三维编织织物，采用碳纤维单向织物与三维编织织物混杂铺层，并通过真空辅助灌注成型工艺制备CFRP层合板，系统研究了不同碳纤维三维编织/单向织物混杂比、不同铺层顺序及不同铺层角度对碳纤维三维编织/单向织物增强环氧树脂基复合材料的结构与性能的影响。结果发现，CFRP的力学性能受碳纤维取向、碳纤维三维编织/单向织物的混杂比和铺层顺序的影响较大；CFRP的拉伸性能、压缩性能随着0°碳纤维单向织物的增加而增加；储能模量和弯曲性能随着0°碳纤维单向织物增加呈现出先增大后减小的趋势；相同碳纤维三维编织/单向织物混杂比下，不同铺层顺序对弯曲性能影响较大；当碳纤维单向织物在三维编织织物层间均匀分散时，CFRP的层间剪切性能最好；在碳纤维单向织物中加入三维编织层能有效提高CFRP抗低速冲击能力，在编织层中加入碳纤维单向织物能有效提高其冲击后压缩强度。　　（2）采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备了与转向架侧梁管径尺寸等比例缩小的不同混杂比和铺层顺序混杂的方形管状CFRP结构件，并进行准静态轴向压缩测试，研究其失效形式和吸能特性。结果表明，各混杂试样在压溃时均呈现渐进损伤失效；当碳纤维三维编织织物与碳纤维单向织物的混杂比不同时，随着三维编织层的增多，CFRP方管的后压溃阶段的压缩均值载荷增加，维持在较高水平，平均比能量吸收也逐渐增加；当碳纤维三维编织/单向织物的混杂比相同，铺层顺序不同时，三维编织层在最外层有利于提高管状CFRP的能量吸收水平。　　（3）为了更高效的研究转向架侧梁的吸能特性，利用ABAQUS软件建立了3D/UD混杂CFRP方管的有限元模型，采用3D-Hashin准则作为失效判据，仿真模拟了混杂CFRP方管的准静态轴向压缩的压溃过程。混杂CFRP方管失效过程和吸能特性参数的仿真分析结果与试验结果匹配度较好，验证了模型的有效性。
作者：	李哲瑞
专业：	材料与化工
导师：	刘勇;张辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东华大学
学位年度：	2022