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材料导报  2020, Vol. 34 Issue (14): 14191-14197    https://doi.org/10.11896/cldb.19060029
  高分子与聚合物基复合材料 |
多轴向三维机织复合材料的低速冲击力学性能
王心淼1, 2, 陈利1, 2, 焦伟1, 2, 赵世波1, 2
1 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室, 天津 300387
2 天津工业大学纺织科学与工程学院, 天津 300387
Low-velocity Impact Properties of Multiaxial 3D Woven Composites
WANG Xinmiao1, 2, CHEN Li1, 2, JIAO Wei1, 2, ZHAO Shibo1, 2
1 MOE Key Laboratory of Advanced Textile Composites, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China
2 College of Textile Science and Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China
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摘要 为了分析多轴向三维机织复合材料的低速冲击力学性能,研究结构内斜向纱对复合材料冲击损伤的影响,以碳纤维和环氧树脂为原材料,设计并制备了多轴向三维机织复合材料及三维正交机织复合材料,采用落锤冲击装置对两种材料进行了低速冲击实验,获得了冲击载荷和能量及时间曲线,通过观测试样外观及内部冲击形貌,对比讨论了多轴向三维机织复合材料的冲击损伤机理。结果表明:斜向纱的引入使得多轴向三维机织复合材料具有更高的承受低速冲击载荷能力和更好的吸能性能,材料以部分纤维断裂和层间裂纹扩展为主要失效模式,且冲击损伤在结构面内各纱线层的传播受纱线轴向的影响,0°经纱层、90°纬纱层的损伤区域近似呈椭圆,且椭圆的长轴方向沿经纱轴向或纬纱轴向;-45°斜向纱和+45°斜向纱之间是互相作用、互相影响的,斜向纱层内的损伤形貌同时受到本层-45°斜向纱或+45°斜向纱轴向,以及相邻层+45°斜向纱或-45°斜向纱轴向的共同影响,损伤区域形状近似为一组对边平行于-45°方向、另一组对边平行于+45°方向的平行四边形。
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王心淼
陈利
焦伟
赵世波
关键词:  多轴向三维机织  复合材料  低速冲击  冲击损伤  微纳米焦点CT检测    
Abstract: In order to analyze the low-velocity impact property and failure mechanism of multiaxial three-dimensional (3D) woven composites, and to study the effect of bias yarns in the structure on the impact damage of the composite, a multiaxial 3D woven composite with carbon fibers and epoxy resin was designed and manufactured. Then the low-velocity impact property of the composite was tested by using an Instron Dynatup 9250HV testing machine, and was compared with a three-dimensional (3D) orthogonal composite. The load and energy versus time curves with impact were collected by the testing machine. The failure mechanism of two kinds of composites were analyzed and compared by observing the appearance and internal impact fracture morphologies of the samples. Results show that the insertion of ±45° bias yarns make the multiaxial 3D woven composite have higher low-velocity impact resistance property and higher energy absorption property. It is found that partial fiber breakage and interlayer crack propagation are important damage mechanism. Morever, the impact damage of each yarn layer in the structure is affected by the axial direction of the yarn in this layer. The shape of the damaged area of 0° warp layer and 90° weft layer is similar to ellipse, and the long axis of ellipse is along the warp axis direction or the weft axis direction, while the -45° bias yarn and the +45° bias yarn are interacting on each other during the impact testing. When the +45° bias yarn layer and the -45° bias yarn layer are disposed adjacent to each other, the shape of the damaged area in the bias layer is simultaneously affected by axial direction of this yarn layer and the adjacent yarn layer, the impact damage area is approximately a parallelogram with a set of opposite sides parallelling to the -45° direction and the other set of opposite sides parallelling to +45° direction.
Key words:  multiaxial 3D woven    composite    low-velocity impact    impact damage    micro-CT test
               出版日期:  2020-07-25      发布日期:  2020-07-14
ZTFLH:  TB332  
基金资助: 天津市科技重大专项与工程(18ZXJMTG00190);山西省科技重大专项(20181102022);天津市高等学校创新团队培养计划(TD13-5043)
作者简介:  王心淼,于2014年9月至2019年12月在天津工业大学纺织科学与工程学院攻读博士学位,主要从事立体机织复合材料领域的研究。
陈利,天津工业大学教授,博士研究生导师,天津市特聘教授,主要从事多维多向编织材料及其复合材料的科研和教学工作,现任先进纺织复合材料教育部工程研究中心主任、天津市重点实验室主任,教育部重点实验室常务副主任,复合材料研究所所长、入选教育部新世纪优秀人才支持计划和天津市“131”创新人才第一层次,兼任复合材料学会常务理事、SAMPE北京分会常务理事,全国专业标准化技术委员会委员。自1993年以来一直紧密围绕国家航空航天等领域的重大需求,积极开展多维多向编织材料和先进复合材料领域前沿科学与技术问题的研究,先后承担完成了国家科技支撑计划、863计划、军品配套项目、国家自然基金、天津市支撑计划以及航天航空部门委托的科研项目300余项。研究成果已成功应用于我国嫦娥卫星、载人航天、战略导弹、高超声速飞行器,以及新型战机等国防重点型号工程,为我国航空航天事业做出了贡献,多项研究成果达到国内领先、国际先进水平,先后获国家科技进步二等奖2项,省部级科技奖一等奖2项、二等奖6项,发表学术论文126篇,其中SCI、EI收录67篇,国家发明专利20项,出版译著1部,培养博士研究生12名,硕士研究生20名。
引用本文:    
王心淼, 陈利, 焦伟, 赵世波. 多轴向三维机织复合材料的低速冲击力学性能[J]. 材料导报, 2020, 34(14): 14191-14197.
WANG Xinmiao, CHEN Li, JIAO Wei, ZHAO Shibo. Low-velocity Impact Properties of Multiaxial 3D Woven Composites. Materials Reports, 2020, 34(14): 14191-14197.
链接本文:  
http://www.mater-rep.com/CN/10.11896/cldb.19060029  或          http://www.mater-rep.com/CN/Y2020/V34/I14/14191
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