摘要：X型桁架/泡沫夹层复合材料的制备及力学性能

夹层结构是复合材料高效应用的重要结构形式，在减轻结构重量、提高结构刚度、实现结构/功能一体化等方面具有突出优势。目前常用的夹层结构复合材料有两种，一种是蜂窝夹层结构复合材料，另一种是泡沫夹层结构复合材料。本文重点研究泡沫夹层结构复合材料。由于传统泡沫夹层结构复合材料在厚度方向的抗压、抗剪能力低，面板与芯材容易开胶，使用过程中经常出现芯材塌陷和面板失稳，难以检测和检测。修理。这严重限制了泡沫夹层复合材料在机身和机翼等重要部件中的应用。为提高泡沫夹层结构复合材料的性能，本文采用轻质高强碳纤维形成“X”型桁架结构，在厚度方向加强泡沫夹层结构。 /泡沫夹层结构复合材料，对其制备工艺、影响因素和力学性能进行了系统的实验研究和深入的理论分析，研究成果为该类增强材料的合理设计、制备和应用奠定了基础。泡沫夹层结构复合材料。首先，研究了Z-pin法X桁架/泡沫夹层结构复合材料的成型质量，优化了热压工艺参数，热压过程中Z-pin与泡沫芯材的外加压力分布关系。阐明了工艺流程，建立了Z-pin穿入面板的长度、植入角度的变化值与Z-pin压力的关系。其次，提出了一种确定X桁架/泡沫夹层结构成形压力的合适Z-pin方法。在预定的成型压力下，成功制备了X-truss/foam夹层结构复合材料，夹层结构复合材料的厚度和Z-pin角度与估算结果吻合较好。这里在此基础上，系统地研究了Z-pin直径、Z-pin植入密度、角度、方向、Z-pin外露泡沫表面长度和面板厚度等结构参数对X-truss的平面抗压性能、抗剪性能/泡沫夹层结构。性能、平面拉伸性能、弯曲性能和横向压缩性能等的影响，揭示了X型桁架/泡沫夹层结构的结构参数对其主要力学性能的影响。发现随着Z-pin注入角在45°~90°范围内的增加，平面压缩性能增加，剪切和弯曲性能下降。适当增加Z-pin端部外露长度，将Z-pin向受载方向倾斜植入，有利于提高抗剪性能。虽然弯曲性能和横向压缩性能主要受面板厚度的影响，但它们也对 Z-pin 注入密度和方向等参数有很大的依赖性。同时，针对对角缝合的X桁架/泡沫夹层结构复合材料，研究了以碳纤维预浸纱为缝合线，采用对角缝合法制备的X桁架/泡沫夹层结构的成型工艺。在相同的原材料和结构参数下，综合比较了Z-pin法和斜缝合法制备的X型桁架/泡沫夹层结构复合材料的力学性能。研究发现，对角缝合X桁架/泡沫夹层结构复合材料的剪切强度、平面拉伸强度、弯曲强度和横向抗压强度均高于Z-pin法X桁架/泡沫夹层结构复合材料，但平面抗压强度较低，平面抗压强度较低。较低的抗压强度是由于缝合线不直。为了解决这个问题，提出了一种利用泡沫芯材的可压缩性和热膨胀性来克服缝线易屈曲的方法，有效地提高了对角缝线X-桁架/泡沫夹层结构复合材料的力学性能，特别是平压强度提高了106%。最后，对于这种X-truss/foam夹层结构复合材料，基于等应变假设，建立了X-truss采用框架/泡沫夹层结构的三维单胞模型估算平面压缩模量和剪切模量，理论计算值与实验值吻合较好。还采用弹性基础梁原理，考虑泡沫芯材的弹性支撑，建立了X桁架/泡沫夹层结构复合材料平面抗压强度的估算公式。估计结果与实验值吻合较好。目前，上述研究成果正用于模拟飞行器方向舵，制备具有一定曲面的X-truss/foam夹层结构复合材料段，并准备验证实验，以促进该技术的推广应用。飞机结构中的材料。

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