铺层针刺预制体碳/碳复合材料力学性能研究
预制体结构是影响碳/碳(C/C)复合材料性能的关键因素之一,其成型方法、碳纤维含量及纤维排布方式对力学性能有直接影响.本文采用机械针刺方法成型碳布/网胎铺层预制体,等温化学气相渗透(ICVI)对其致密获得密度为1.65~1.70 g/cm3的C/C复合材料,通过试验与数学模拟相结合的方法研究预制体纤维排布方式和针刺参数对C/C复合材料拉伸、弯曲和层间剪切性能的影响,对比了不同纤维排布方式C/C复合材料的各项性能,构建了C/C复合材料力学性能和针刺参数的响应面模型,优化出C/C复合材料综合性能最佳的碳纤维排布方式和针刺参数;并采用偏光显微镜(PLM)和扫描电镜(SEM)分析C/C复合材料的显微结构与断口形貌.具体研究内容和取得的结果如下:设计了四种具有不同纤维排布方式的预制体铺层结构,采用相同针刺工艺成型预制体和相同致密工艺制备C/C复合材料板形件,研究纤维排布方式对C/C复合材料力学性能的影响规律及其断裂机制.结果表明:材料拉伸强度与承载方向纤维体积含量呈近似线性增加的关系;[0°/90°/-45°/+45°]纤维排布方式C/C复合材料相对于[-45°/+45°]、[0°/90°/-45°/+45°]和[0°、0°/90°、90°],综合性能更高,可用于制备高强度、高韧性C/C复合材料.纤维排布方向与拉应力夹角不同时,材料内部纤维的拔出与断裂形式存在明显差异:0°方向纤维表现为整丝束断裂拔出,丝束内部纤维拔出长度较短,呈现脆性断裂特征;90°纤维周围碳基体呈现拉应力撕裂,纤维断裂较少;±45°纤维拔出较长,表现出假塑性断裂特征.C/C复合材料因其纤维排布方式的不同,断口形貌呈现出上述一种或几种纤维断裂特征的综合.采用Design-expert软件设计了17种针刺参数组合,采用相同的铺层结构成型预制体和致密工艺制备C/C复合材料筒形件,研究纤针刺参数(针刺密度、针刺深度、网胎面密度)对C/C复合材料力学性能的影响规律,研究结果表明:预制体密度随针刺密度的升高而增大,并最终趋于平缓;随着针刺深度由10mm增大至16mm,预制体密度呈现先升高后降低的趋势,针刺深度为13mm时的预制体密度较高.同时采用Design-expert软件构建了针刺参数(针刺密度、针刺深度、网胎面密度)与C/C复合材料力学性能的响应面方程,各模型的拟合度(R2)均高于0.81,能够较好地反映针刺参数与各项性能之间的数学关系.通过优化分析,确定了针刺C/C复合材料的各项单一力学性能的预测区间;优化出了最佳综合力学性能,当针刺密度为12针/cm2、针刺深度为12mm、网胎面密度为150g/m2时,C/C复合材料的综合力学性能最佳,其轴向和环向拉伸强度分别达到91.5MPa和73.3MPa,弯曲强度可达到125.7MPa,层间剪切强度可达到21.4MPa;基于针刺参数与C/C复合材料力学性能的响应面方程,逆推出了针刺C/C复合材料性能设计时的针刺参数求取方程,其验证结果表明,误差小于7%,针刺参数设计方程具有较好的准确度.
- 作者：
- 王毅
- 学位授予单位：
- 航天动力技术研究院
- 专业名称：
- 材料科学与工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 崔红；郑金煌
- 中图分类号：
- TB332
- 关键词：
- 针刺C/C复合材料；纤维排布方式；针刺参数；力学性能；响应面
- Needled C/C composite； Carbon fiber arrangement； Needling processing parameter； Mechanical property； Response surface method