摘要: 相比于传统的金属材料，碳纤维复合材料因其较高的比强度、比模量、良好的化学稳定性等优势被广泛应用于航空航天、汽车船舶、工业医学等领域。其中，碳纤维编织结构作为复合材料中的增强体能够大大提高复合材料的整体性。编织结构的多样性也使得复合... 展开 相比于传统的金属材料，碳纤维复合材料因其较高的比强度、比模量、良好的化学稳定性等优势被广泛应用于航空航天、汽车船舶、工业医学等领域。其中，碳纤维编织结构作为复合材料中的增强体能够大大提高复合材料的整体性。编织结构的多样性也使得复合材料的性能呈现多元化。在二维双轴编织的基础上，二维三轴编织引入了轴纱，进一步提高了材料的面内准各向同性的特点，有利于应对实际使用过程中来自不同方向的外部载荷。但是目前对于二维三轴编织复合材料（2dimensionaltriaxialbraidedcomposite，2DTBC）正轴和偏轴压缩失效行为的理解不足。因此，研究二维三轴编织复合材料在不同面内、面外方向压缩载荷作用下的力学响应和破坏机理具有重要意义。 本文织造了二维三轴碳纤维织物，通过真空辅助树脂转移模塑技术完成了二维三轴碳纤维层合板的制作。通过实验测试和有限元模拟相结合的方式研究了二维三轴编织复合材料在轴向（0°）、离轴（±60°）和垂直（90°）三个方向上的面内压缩破坏机理。此外，对二维三轴编织复合材料在不同高应变率下的面外压缩力学响应及损伤机理进行了分析。本文的主要内容和结论如下： （1）通过万能试验机和霍普金森压杆对二维三轴编织复合材料面内不同偏轴方向分别进行静态和动态压缩实验，得出材料在不同条件下的应力-应变曲线。结果表明，在准静态和动态压缩条件下，沿轴向方向（0°）的压缩强度分别为226MPa和252MPa，表现出最强的承载能力；离轴方向（±60°）承载能力次之，压缩强度分别为200MPa和230MPa；垂直轴向方向（90°）承载能力最弱，压缩强度分别为166MPa和187MPa。 （2）二维三轴编织复合材料面外压缩实验通过霍普金森压杆来实现，通过控制气压大小来控制不同的加载速率以达到不同的应变率。结果表明二维三轴编织复合材料在面外压缩上具有明显的应变率效应，即随着加载速度的增加（应变率增大），材料的峰值应力、压缩模量也随之增加。从应变率1000/s到1800/s再到2800/s，峰值应力分别提高了51.3%和66.2%，压缩模量分别提高了44.3%和88.7%。 （3）通过红外相机和高速相机分别捕捉试样在准静态、动态面内压缩下局部损伤的发生和发展。用计算机断层扫描技术拍摄准静态压缩条件下试样的内部损伤状况，超景深显微镜记录试样在动、静压缩条件下的最终损伤形貌。结果表明，在准静态和动态面内压缩条件下，沿轴向方向（0°）损伤形貌主要为轴纱断裂、轴纱边缘分层；离轴方向（±60°）损伤形貌为编织纱断裂，整体表现为剪切现象；垂直轴向方向（90°）损伤形貌以丝束的扭结和分层为主。试样在0°和90°载荷下温度分布分散，在温度区间25℃到30℃的占比分别为30%和48%；30℃到35℃的占比分别为31%和36%；35℃到40℃的占比分别为14%和8%，因此表现为分层、丝束扭结、断裂等多种损伤形式。60°载荷下试样的温度分布较为集中，在温度区间25℃到30℃的占比达到了64%；30℃到35℃的占比仅为14%；35℃到40℃的占比为5%，表明破坏模式较为单一，主要由丝束断裂引起的。在面外压缩上，低应变率表现出分层的损伤模式，高应变率下表现出纤维拔出、丝束断裂等破坏模式。 （4）建立了考虑内聚层的三维介观尺度有限元模型，通过和实验曲线对比，验证了模型的准确性，模拟了试样在面内不同偏轴、正轴角的压缩和面外不同应变率压缩下的渐进损伤的起始、累积和扩展过程。结果发现，0°方向下富树脂区中的轴纱断裂是试样失效的主要原因，继而发生轴纱边缘的分层。90°方向下没有沿着纤维方向的承载丝束导致其压缩强度最低，编织纱的平面外运动导致其产生最多的分层。60°方向下结构的反对称效应解释了其剪切现象，也因此导致了最少的分层。在面外压缩仿真过程中，被验证为Ⅱ型（滑开型）分层模式。这项工作将为从不同方向全面了解平面内、外压缩状态下二维三轴编织复合材料的变形和破坏机理提供有益的见解。 收起