新型短纤维增强聚合物复合材料UACS力学性能研究

It is easy to cause uneven distribution of fibers in curing the complex structures using conventional CFRP, which influences the designability and safty. Therefore, short fiber reinforced polymers exhibit good development due to the excellent fiber flowability. UACS（unidirectionally arrayed chopped strands）is a new type of short fiber reinforced polymer by introducing regular slits into prepreg, which shows higher tensile strength and better flowability than previous short fiber reinforced polymers and is suitable to be cured into complex structures. However, large area of delamination occurs easily under load due to the continuous slits. Therefore, applicants developed two patterns of newly designed UACS with discontinuous slits. Early tensile experiment results reveal that discontinuous slits inhibit the delamination extension and enhance the tensile strength effectively. This project will reveal the mechanical properties including compression, bending, impact and hydrothermal effect based on the experiments and FEM analysis. Additionally, the project will develop Z-reinforced UACS laminate, which has important significance in the development of short fiber reinforced composites.

传统的碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）在应用于成型复杂几何形状的构件时，固化过程中极易出现纤维分布不均匀，影响结构的设计性和安全性。因此，具备优异的纤维可流动性的短纤维增强聚合物复合材料得到了良好的发展。UACS是在传统的CFRP预浸料中引入规则切口的短纤维复合材料。过去的研究表明UACS表现出比以前短纤维复合材料更好的拉伸强度及优异的纤维流动性，适合于成型复杂几何形状的构件。然而，最初的UACS因为切口的连续性在承载中容易发生大面积的分层。基于此，申请者发展了两种不连续型切口的新型UACS。前期的拉伸试验表明不连续切口抑制了分层的扩展并有效提高了拉伸强度。本项目将从力学实验及有限元分析两个方面揭示新型UACS层合板的压缩、弯曲、冲击等力学性能及热湿效应，同时发展一种厚度方向增强的新型UACS层合板，在短纤维增强复合材料的研究领域具有重要的意义。

单向短碳纤维增强（UACS）复合材料层合板较传统的碳纤维增强聚合物复合材料层合板（CFRP）固化后纤维分布更均匀，具有优越的结构设计性和安全性，更宜应用于成型复杂几何形状的构件。过去的研究表明，新型的Bi-angled型UACS表现出比以往短碳纤维增强复合材料及其他类型UACS更好的拉伸强度以及优异的纤维流动性，适合于成型复杂几何形状的构件。然而，分层破坏仍然是新型UACS层合板的主要破坏形式，碳纤维的高拉伸强度未能得到充分发挥。本研究通过在新型的UACS层合板中引入不同缝合密度的Kevlar缝线，加强其厚度方向的力学性能，研究不同缝合密度对新型UACS层合板拉伸性能的影响。.（1）实验结果表明经缝合处理的新型UACS层合板试验件与未缝合的新型UACS层合板试验件相比具有更好的抗拉性能，且层合板的拉伸强度随着缝合密度减少而提高。其中，与无缝合的UACS层合板相比，缝合密度为15 mm的新型UACS层合板试验件拉伸强度提高14.0%。同时缝线提高了UACS层合板抗分层能力，但缝线的引入对新型UACS层合板拉伸模量以及泊松比无明显影响。.（2）有限元计算结果表明：缝合后的新型UACS层合板在承载后分层最初出现在0°层与相邻层间中切口的交叉区域以及靠近自由边界的切口区域，且缝线的引入对分层的发展有显著的抑制作用。然而，若是缝线密度较大会引入更多原始损伤，且致使层合板纤维体积分数下降。最终层合板由于分层不断发展以及0°层中纤维断裂而失效。有限元渐进损伤分析的结果与试验结果吻合良好，表明缝线的引入有效地提高了UACS层合板的强度水平。