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摘 要

因为传统碳纤维增强复合材料固有的脆性问题，让碳纤维增强复合材料能具有类金属的延展性，即伪延性，极为重要。而通过铺层偏轴布置，采用非连续纤维可以增强碳纤维增强复合材料的伪延性，因此偏轴层多方向短纤维增强复合材料的拉伸性能研究有重大意义。为了研究偏轴层对短纤维增强复合材料强度的影响，实验对偏轴层角度在15° ~ 45°范围内的短纤维层合板和无偏轴层的短纤维层合板分别进行拉伸实验，通过引伸计和光学显微镜观察得出相应应力应变曲线和破坏过程并进行对比。结果表明，偏轴层通过其角度影响层合板拉伸强度，当偏轴角θ小于35º时，拉伸破坏应力迅速降低。当偏轴角大于35°时，随着偏轴层角度的增加，拉伸破坏应力变化趋势相对减小，同时延性随着角度增加而增强。

关键词：非连续纤维；偏轴层层合板；偏轴角；拉伸强度

Experimental analysis of tensile properties of off-axis layer multi-directional discontinuous fiber reinforced composite laminate

Abstract

Due to the inherent brittleness problem of traditional carbon fiber reinforced composite materials, carbon fiber reinforced composite materials have metal-like nonlinearity, that is, pseudo ductility, which is extremely important. The off-axis arrangement of the plies and the use of non-continuous fibers can enhance the pseudo ductility of carbon fiber reinforced composites. Therefore, the study of the tensile properties of multi-directional short fiber reinforced composites with off-axis layers is of great significance. In order to study the effect of the off-axis layer on the strength of short fiber reinforced composites, the experiments were carried out on the short-fiber laminates with the off-axis layer angle in the range of 15° ~ 45° and the short-fiber laminates without the off-axis layer respectively, and the corresponding stresses were obtained and observed through the extensometer and optical microscope observations- Strain curve and failure process. The results show that the off-axis layer affects the tensile strength of the laminate through its angle. When the off-axis angle θ is less than 35º, the tensile failure stress decreases rapidly. When the off-axis angle is greater than 35°, as the angle of the off-axis layer increases, the change trend of tensile failure stress relatively decreases. At the same time, ductility increases with increasing angle.

Key Words: Discontinuous fiber; Off-axis layer laminate; Off-axis angle; Tensile Strength

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

第二章 复合材料知识 5

2.1 短纤维性能 5

2.2 偏轴层性能 7

第三章 实验方法 10

3.1 材料要求 10

3.2 预浸料要求 10

3.3 层合板试样要求及原因 11

3.4 制作方法 12

3.5试样制作过程 13

3.6 拉伸实验 16

第四章 结果与讨论 18

4.1 伪延性分析 18

4.2 结果分析 19

4.3 经济性分析 22

第五章 结论 24

参考文献 25

致谢 28

第一章 绪论

在科技迅速发展的当下，航空航天、车辆和军事等许多领域对于材料行业的要求越发严格，纤维增强复合材料凭借其出色比刚度和强度，疲劳性和耐腐蚀性，近年来逐渐成为材料研究的新趋势，可以由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等增强纤维材料与基体材料进行模压或拉挤等成型工艺制成。按增强材料的种类的分类，常见的纤维增强复合材料有纤维增强复合材料有玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，碳纤维增强复合材料(CFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)^[1]。其中碳纤维增强复合材料作为最主要的一种纤维增强复合材料，由各种有机纤维经加热碳化制成，其增强纤维是碳含量超过90％的无机高性能纤维，同时具有碳材料的固有特性和纺织纤维的可加工性，是新一代增强纤维。由于碳纤维制造工艺简单，成本低廉，且有小密度、高模量、高强度、耐高温等优秀的性能，碳纤维增强复合材料成为复合材料研究的重点^[1]。然而，相比金属材料，碳纤维增强复合材料缺发延展性，其失效的发生总是突然且灾难性的，且残余承载能力很差，这使其在结构设计中必须采用较大的安全系数，限制了使用^[2]。所以，为了使其能够具有类似金属的伪延性，许多学者采取了不同的研究方法。

首先，按增强纤维的类型，纤维增强复合材料可以分为连续纤维增强复合材料和非连续（又称短纤维）纤维增强复合材料。非连续纤维复合材料是通过切割分散在基质中的长纤维或纤维束制成的复合材料，其中非连续碳纤维是通过用纤维切割机切碎碳纤维长丝而形成的，长度通常为mm级，其基本性能主要和其原料的性能相关，即连续碳纤维。连续纤维容易对设备造成磨损，因其纤维过长会导致材料变形量大，且加工较为困难，而短纤维在增强材料效果不错的前提下，具有分散均匀、工艺简单、喂料方式多样等的优点，可以应用于制成外形复杂的构件等连续纤维不适合的特殊领域^[3]。此外连续纤维增强复合材料的固有脆性是其主要缺点，而不连续纤维增强复合材料可以大大削弱这一缺点。

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