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1、湿热环境下复合材料层合板的挤压性能湿热环境下复合材料层合板的挤压性能答辩人：答辩人：学学 号号 ：导导 师师 ： Bearing Properties of Composite Laminates on Bearing Properties of Composite Laminates on Hydrothermal Conditions Hydrothermal Conditions目录1.绪论2.吸湿行为研究3.挤压性能研究4.挤压强度估算湿热环境下的复合材湿热环境下的复合材料层合板的挤压性能料层合板的挤压性能绪论1绪论研究背景研究的目的与意义研究的思路与方法复合材料的应用Carbon l

2、aminateCarbon sandwichFiberglassAluminumAluminum/steel/titanium pylons高比强高比模耐疲劳多功能耐腐蚀可设计复合材料复合材料高比强高比模耐疲劳多功能耐腐蚀可设计绪论研究背景研究的目的与意义研究的思路与方法机械连接的破坏模式各种基本破坏模型并不是互不相关的，而是紧密结合的，往往产生两种甚至三种基本破坏模式的混合破坏模式。绪论研究背景研究的目的与意义研究的思路与方法问题的提出 挤压性能研究研究意义绪论研究背景研究的目的与意义研究的思路与方法湿热环境的影响在湿热环境下，随着水分子的浸入，基体吸湿后会发生微膨胀，使材料产生附加内应力，

3、使层合板各方面性能明显下降。 综上所述，在复合材料结构设计中，必须考虑温湿度作用对材料和结构性能的影响。研究复合材料在湿热环境下的挤压力学性能，可以为结构设计提供必要的试验依据，具有重要工程意义。绪论研究背景研究的目的与意义研究的思路与方法主要研究内容 为研究复合材料层合板在高温湿热环境下的挤压力学性能，本文重点进行两个试验：碳纤维/环氧树脂复合材料层合板试件的吸湿试验和单钉双剪典型连接试验，并用一种工程中广泛运用的经验方法结合试验结果进行分析和运用。2吸湿行为研究吸湿行为研究品牌资产及其测量吸湿试验方案选择为研究碳纤维复合材料层合的吸湿行为，本章对一批碳纤维/环氧树脂层合板试件进行烘干、吸湿

4、试验，分析其吸湿过程中的规律。a.在常温下完成自然老化过程b.在高温下浸泡在水中完成吸湿过程c.在高温高湿共同作用下吸湿吸湿行为研究品牌资产及其测量吸湿试验设备名称规格/型号数量量程/精度备注温湿度环境箱GP/GDJS-2501温度: -40+150 湿度范围: 3098%R.H温度波动度: 0.5 温度均匀度: 湿度波动度: +2/-3%R.H最小显示分辨率供试件吸湿使用高温箱GP/GW2-D1温度范围 0+温度波动度: 0.5温度均匀度: 烘箱及配合试验机用分析天平FA-10041量程100 g精度0.1 mg游标卡尺0-1501量程0-150 mm精度0.02 mm数显卡尺0-1501量

5、程0-150 mm精度0.01 mm 吸湿行为研究品牌资产及其测量试验步骤a.将试件放入高温环境箱进行为期约一周的烘干处理，记录试件烘干前的质量。b.24小时内标准吸湿试件的吸湿量变化小于0.05%，此时试件达到吸湿平衡，停止吸湿实验。 %05. 0%10000100mmmmmmWiim吸湿行为研究品牌资产及其测量试件详情 本文选取了由某研究院提供的不同铺层试件进行试验。材料代号数量/件Wh/mm2铺层详情材料体系D12361.54(45,-45)/(0,90)/(45,-45)/(45,-45)/(45,-45)/(0,90)/(45,-45)FL6673G-37KD22362.20(45,

6、-45)/(0,90)/(45,45)/(0,90)/(45,-45)sG12363.71(45)/0/0/(45)/0/0/(45)/0/(0/90)/0/(0/90)/0/(45)/0/0/(45)/0/0/(45)CYCOM 977-2-35-12KHTS-134G22363.32(45)/0/0/(0/90)/(0/90)/0/0/(45)sG32364.7245/-45/0/90/0/-45/0/0/45/0/45/0/-45/0/90/0/-45/45sG42363.06(45)/(0/90)/0/(45)/0/(45)/0s吸湿行为研究品牌资产及其测量结果曲线0246810121

7、416180.00.20.40.60.81.01.2 吸湿量/%时间/h1/2 D1 D20246810121416180.00.10.20.30.40.50.6 吸湿量/%时间/h1/2 G4 G2 G1 G3而与D组不同的是，G组的吸湿量曲线只有第一阶段，并且线性阶段上升较为缓慢，没有观察到吸湿饱和的现象。 试验值曲线非常符合复合材料吸水性的“两个阶段”理论：第一阶段是曲线上升比较快的一个线性阶段，试件的吸湿率随时间平方根线性增加；第二阶段是曲线上升相对较为平缓的一个阶段，此时吸湿并未饱和，吸湿率仍然会随时间平方根递增，吸湿速率逐渐趋于缓慢直到平衡。吸湿行为研究品牌资产及其测量吸湿理论分析

8、 运用分离变量法可算得扩散系数 D 的表达式：221122)()4(ttMMMhDtt22)()4(kMhD Shen CH和Springer GS等经研究，根据菲克第二定律，得出了吸湿率与扩散系数的关系式：) 12(exp() 12(18222022hDtnnMMnt 运用上式模拟吸湿量的曲线，这种方法基于两个假设：一是复合材料内部的扩散率和温度是恒定的；第二，水分只沿厚度方向的上下表面吸湿，其他表面吸湿忽略不计。吸湿行为研究品牌资产及其测量试验值和模拟值吸湿曲线051015202500.20.40.60.811.21.4温度70C，湿度85%时间/h1/2吸湿量% 理论结果试验结果0510

9、15202500.10.20.30.40.50.60.70.80.91温度70C，湿度85%时间/h1/2吸湿量% 理论结果试验结果051015202500.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5温度70C，湿度85%时间/h1/2吸湿量% 理论结果试验结果051015202500.10.20.30.40.50.60.7温度70C，湿度85%时间/h1/2吸湿量% 理论结果试验结果D1G1D2G2吸湿行为研究品牌资产及其测量试验值和模拟值吸湿曲线G1G2051015202500.050.10.150.20.250.30.350.40.45温度70C，湿度85%时间/

10、h1/2吸湿量% 理论结果试验结果051015202500.10.20.30.40.50.60.7温度70C，湿度85%时间/h1/2吸湿量% 理论结果试验结果G3G4 这六组试件的理论值与试验结果的第一阶段线性趋势基本一致，但随着时间的增长，实际吸湿量都稍大于模拟值。这是因为假设中忽略了侧面吸湿的影响，水分只从面积较大的上下表面渗入，而实际上试件都约在2-4mm不等，少量水分还是会从侧面扩散进入试件，从而导致了最大吸湿量的实际值和理论值间的误差。这种现象在较厚的试件（G3组）中表现尤为明显，但从整体上看，模拟的曲线和试验值还是比较吻合的。吸湿行为研究品牌资产及其测量铺层比例对吸湿性能的影响

11、从试验值和模拟值比较看来，六组吸湿试验仍然存在不足之处：在试件尚未达到完全吸湿平衡阶段就停止了实际的称重。虽然理论上24小时的增量已经在0.05%内，但吸湿量还是有小幅增长，从而影响 值，间接导致了两者间的偏差。吸湿第一阶段的持续时间和厚度是成正比的，因此，在条件允许的情况下，应适当延长吸湿周期以增加吸湿数据的有效性。M 为了研究铺层角对吸湿特性的影响，采用厚度相同、总铺层数相同、铺层比不同的四种层压板进行同步吸湿试验，所采用材料均为CYCOM 977-2-35-12KIMS-134。代号厚度层数0/45/90比例铺层H11.881030 / 60 / 1045/-45/0/0/-45/45/

12、90/0/-45/45H21.881040 / 50 / 1045/0/-45/90/45/0/-45/0/0/45H31.881050 / 40 / 1045/0/-45/90/0/0/45/0/0/-45H41.881060 / 30 / 1045/0/0/0/-45/90/0/0/0/45吸湿行为研究品牌资产及其测量H组试验结果024681012141618200.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.55 吸湿量/时间/h1/2 H1 H2 H3 H42030405060700.03700.03750.03800.03850.03900

13、.03950.04000.04050.04100.04150.04200.0425 线性斜率K45铺层比例 在90铺层比例为定值10%的情况下， 45铺层所占比例越高，材料的吸湿速率越快。吸湿行为研究品牌资产及其测量H组试验值和模拟值曲线 这四组试件的材料、厚度都是一样的，从曲线上也能看出他们吸湿量非常接近，增长趋势也基本一致。他们之间的吸湿量的差距主要是由碳纤维比例和单向带铺设的方向引起的：保持90方向的铺层不变，增加45方向的铺层数量有利于提高材料的整体吸湿性能。051015202500.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5温度70C，湿度85%时间/h1/2

14、吸湿量% 理论结果试验结果051015202500.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5温度70C，湿度85%时间/h1/2吸湿量% 理论结果试验结果 H1 H2吸湿行为研究品牌资产及其测量H组试验值和模拟值曲线 H2051015202500.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5温度70C，湿度85%时间/h1/2吸湿量% 理论结果试验结果051015202500.050.10.150.20.250.30.350.40.45温度70C，湿度85%时间/h1/2吸湿量% 理论结果试验结果H4H3从四组对比图可以看出，试件基本都已经达到了

15、吸湿饱和，延长了吸湿周期后测得结果和理论值吻合度很高。结合前六组试验结果我们可以得出一下结论：在吸湿周期足够的情况下，式对较薄的试件（D、H组）饱和吸湿量模拟有很高的精确度。因为试件很薄，所以沿着面积较大的面进入材料内部，厚度方向的水分吸收几乎可以忽略不计；而较厚的试件饱和吸湿量受厚度方向水分吸收情况的影响，只有在第一阶段线性增长有较好精确度，故此方法用来估算较薄试件的吸湿量能节省工程时间，有较好的适用性。) 12(exp() 12(18222022hDtnnMMnt3单钉双剪挤压性能试验挤压性能试验品牌资产及其测量单钉双剪挤压试验方法介绍 本章采用ASTM D 5961标准试验方法研究几种铺

16、层层压板的双剪挤压性能，并研究湿热环境对双剪挤压特性的影响。参数销钉直径d孔直径D厚度h长度L宽度W端距e尺寸/mm6+0.00/-0.036+0.03/-05180.5挤压性能试验品牌资产及其测量单钉双剪挤压试验设备挤压性能试验品牌资产及其测量试验结果的处理 通过双剪挤压典型连接试验能直接测得的数据是试件的极限载荷和引伸计的位移可以计算试件的挤压强度和挤压应变。 按下式计算挤压强度等于载荷处以受载孔净截面的面积：)/(maxhDPb 式中： 为极限挤压应力，单位为MPa; 为破坏前的最大载荷，单位为N； D、h分别为试件的孔径和厚度。 按下式对记录的每个位移值确定挤

17、压应变： 式中： 为挤压应变，单位为mm/mm； 为引伸计在第 i个数据点的位移，单位为mm.bmaxPDii/ii挤压性能试验品牌资产及其测量湿热环境对层合板挤压性能的影响材料铺层试验条件试件编号Dh=A(mm2)Loctite BZ 9704 /5HS SM 285/40(-45,45)/(0,90)/(-45,45)/(0,90)/(-45,45)/(0,90)/(-45,45)室温干态 E4-BRS-1313.4 E4-BRS-1413.52高温湿态E4-BRS-113.06E4-BRS-313.07CYCOM 977-2-35-12KHTS-134(45)/0/+18/-18/+36

18、/-36/+54/(45)/-54/+72/-72/90s室温干态 F2-BRS-1722.52 F2-BRS-1822.4高温湿态F2-BRS-421.44F2-BRS-722.22挤压性能试验品牌资产及其测量试验数据计算试件编号极限载荷/KN极限应变极限强度/MPa平均极限应变平均极限强度/MPa常温E4-1311.950.281891.790.267 881.545常温E4-1411.780.253871.30湿热E4-110.450.246800.150.243790.280湿热E4-310.200.240780.41试件编号极限载荷/KN极限应变极限强度/MPa平均极限应变平均极限强

19、度/MPa常温F2-1722.970.2431019.980.29 978.295常温F2-1820.980.338936.61湿热F2-418.750.228874.530.202861.205湿热F2-718.840.175847.88试件编号初始峰值载荷/KN初始峰值应变初始应力/MPa平均初始峰值应变平均初始应力/MPa常温E4-137.310.0658545.520.0652545.69常温E4-147.380.0645545.86湿热E4-15.680.0453434.920.038426.335湿热E4-35.460.0307417.75试件编号初始峰值载荷/KN初始峰值应变初始

20、应力/MPa平均初始峰值应变平均初始应力/MPa常温F2-1718.750.137832.590.139827.233常温F2-1818.410.141821.88湿热F2-411.100.065517.720.061509.535湿热F2-711.140.057501.35 对比两组试验结果发现相似的规律：高温湿热会降低试件的承载能力，湿热环境中的初始损伤点应力和极限强度都比室温干态下低，并且对应发生破坏的应变也更小，也就是发生破坏的时间相对更早。挤压性能试验品牌资产及其测量试验现象分析0.00.10.20.30.40.5020040060080010001200挤压应变挤压应力/MPa 常

21、温干态 高温湿态初始损伤点P10.00.10.20.30.40.50.6020040060080010001200 挤压应力/MPa挤压应变 常温干态 高温湿态初始损伤点P1F组E组湿热环境下的双剪挤压试验现象和常温下大体相同，当试验机加载到一定程度时，会发出略为刺耳类似纤维断裂的声音，但是高温下听见响声的时间要比室温干态下更早；并且随着载荷的不断增加，响声的间隔会越来越短促，一直到试件失效破坏。挤压性能试验品牌资产及其测量试件破坏形式及试验结论同一组试件在不同的环境中的破坏模式：室温干态的破坏模式要比高温湿热剧烈的多，这是因为高温湿热会使试件的挤压强度降低很多，故常温的承载能力高，破坏的也相

22、对剧烈。 E组 F组挤压性能试验品牌资产及其测量铺层比例对层合板挤压性能的影响 复合材料层合板一般由0、45、90四种铺向角的单向铺层组合而成，其中45层所占比例对复合材料层压板的挤压强度有重要影响。当45层含量较少、层合板主要由0层组成时，很容易引起劈裂或剪切破坏。当90 层过多时容易发生拉伸破坏，这两种破坏都是脆性破坏，强度都很低。因此，一定量的45是复合材料层合板强度的保证。 本节先对两组(14件)材料为P2352W-19的试件进行了双剪挤压试验，研究混合铺层中45铺层比例对挤压性能的影响。代号厚度层数0/45/90铺层比例铺层B13.041625 /50/ 2545/90/45/0/9

23、0/45/-45/0sB53.04160 / 100 /045/-45/45/-45/45/-45/45/-45s挤压性能试验品牌资产及其测量试验结果0.00.10.20.30.40.50.6020040060080010001200 挤压应力/MPa挤压应变B1B545铺层比例并非越多性能越好。铺层比例并非越多性能越好。B1组呈标准的挤压破坏，而B5的破坏模式是一种非典型的挤压破坏，可以看出，试件靠近孔的端部呈不规则变形，这是因为B5是由100%的45铺层组成，加载过程中纤维就只能沿着45度方向撕裂破坏。因此，45铺层过多时破坏形式是非常规的，会对连接问题造成不便。挤压性能试验品牌资产及其测

24、量45铺层比例对挤压性能的影响 对4组材料为CYCOM 977-2-35-24KIMS-194-ATL的试件进行了室温环境下的双剪挤压试验：组号厚度层数0/45/90铺层比例铺层C33.762030 / 60 / 1045/-45/0/0/-4 5 / 4 5 / 0 / -45/45/90sC43.762040 / 50 / 10 4 5 / 0 / -45/90/45/0/-45/0/45/0sC53.762050 / 40 / 10 4 5 / 0 / -45/90/0/0/45/0/-45/0sC63.762060 / 30 / 1045/0/0/0/45/0/0/0/45/90s挤压

25、性能试验品牌资产及其测量试验结果 C组试件的铺层比例是按规律变化的，但由于其材料、厚度相同，相邻两组间的破坏形态其实并不大。故选取了C3和C6进行比较，由于C3的45铺层比例更高，极限破坏强度更大，所以C3的破坏程度也略大于C6。2030405060702003004005006007008009001000 强度/MPa45铺层比例 极限强度 初始峰值在一定的范围内，随着45铺层比例的增加，初始破坏产生的越晚，初始峰值强度也越高；因此，在同等条件（尺寸、材料）下，铺层比例为0=40%，45=50%，90=10% 的复合材料层合板挤压强度最高。经验方法应用品牌资产及其测量经验方法介绍 美国原道格拉斯飞机公司部首席科学家Hart-Smith所建立，现广泛运用在飞机工程界。该经验方法可以回避一些难以考虑的影响因素，方法简单，且便于工程应用。 对单钉双剪模型，存在如下关系式： ) 1/(1/1/5 . 1) 1(1 1bcdWdWdWdWCKbrubC为应力集中减缓因子；为无孔层合板的拉伸强度；为挤压强度；bbru经验方法应用品牌资产及其测量无孔层合板拉伸强度试验试件编号极限载荷P/KN极限强度 /MPA平均无孔拉伸强度 /MPAC3-189.259659.42650.32C3-286.796641.22C4-1107.04