SMA增强GFRP复合材料界面性能研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:seanstarseanstar
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纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)由于其自身构造特点,表现出比强度高、耐腐蚀性好以及易于制备和加工等优异性能,在诸多工程领域发挥了积极的作用,例如在土木建筑、汽车结构和航空航天等领域纤维增强复合材料已经代替了很多传统材料,对人类社会的发展产生了巨大的推动总用。然而,纤维增强复合材料同样也表现出很多不足之处,在外加载荷的作用下,容易出现基体开裂、纤维基体界面脱粘甚至纤维断裂等不同形式的伤害,这些伤害有时无法用肉眼观察,但是对结构安全性构成了巨大威胁。其中纤维与基体间界面的粘结性能是影响复合材料承载能力诸多因素中的重要一极。因此,很有必要针对此类问题进行深入研究,并探索减小甚至消除这类损伤的方法,以提升纤维复合材料结构的可靠性。  形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)由于具有形状记忆效应(Shape Memory Effect,SME)和超弹性(Super elasticity,SE)等优良性能被广泛地应用于土木建筑工程、航空航天工程、机械制造工程等工业领域。近年来,人们开始研究用SMA作为增强材料来提升复合材料结构性能,从而提高其抵抗外载荷的能力。然而,SMA作为金属材料,具有光滑的外表面,这导致了SMA增强复合材料中SMA纤维与树脂基体相容性差的问题。因此,本文基于以上问题有以下工作:  (1)基于双线性软化内聚力模型对材料界面损伤行为进行理论分析。研究了混合情况下界面初始损伤和完全分离破坏的力学行为,给出了混合破坏模式情况下初始损伤位移值和完全分离破坏位移值。  (2)采用浇注体制作了SMA/环氧树脂单纤维拔出试件,然后通过单纤维拔出试验分析了SMA纤维增强复合材料的界面特性。采用大型有限元软件ABAQUS对形状记忆合金增强复合材料的纤维拔出过程进行数值模拟。研究表明,随着SMA纤维埋入深度从1 cm增加到2 cm时,单纤维增强复合材料的极限拔出载荷逐渐增加,弱界面效果是影响界面性能的关键。当作用时间为0.4 s时SMA纤维和树脂基体材料内部应力最大,此时树脂基体回弹明显,发生脱粘。  (3)从试验角度对形状记忆合金增强复合材料的界面性能进行研究。采用酸刻蚀后涂覆SiO2纳米颗粒的方法来对SMA纤维进行表面处理。利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)技术,得出不同表面处理方式处理后的SMA纤维表面微观形貌。随后通过单纤维拔出试验得到 SMA纤维增强复合材料的拔出载荷-位移曲线。研究表明,酸刻蚀后涂覆纳米SiO2颗粒的改性方法得到微观形貌的较为粗糙并且凸起分布相对均匀,其改性效果最好。通过对SMA酸刻蚀后涂覆SiO2纳米颗粒的方法可以有效地提高单纤维拔出的极限载荷和临界剪切强度,从而提高复合材料的界面粘结性能。  (4)利用真空辅助成型工艺(Vacuum Assisted Resin Infusion,VARI)制作出SMA纤维增强复合材料层合板,随后对复合材料层合板进行三点弯曲试验。研究表明:相对于未处理的SMA纤维增强复合材料层合板,通过对SMA酸刻蚀后涂覆SiO2纳米颗粒的方法可以有效地提高层合板弯曲强度;从破坏形貌来看,改性后的层合板出现了拉伸断裂,有效的避免了未改性层合板的分层破坏现象。酸刻蚀后涂覆纳SiO2纳米颗的改性方法能有效提高复合材料层合板的弯曲性能。
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