汽车用碳/芳纶纤维增强复合材料管件物的成型以及能量吸收机理的研究

【摘要】到目前为止,全球汽车行业可以说在工业历史上是最大、最复杂的事业之一。然而,随着汽车成倍增加,汽车事故的发生率也像汽车本身一样成倍增加。目前,全世界道路交通伤害约占所有伤害事件的25%,面对交通安全问题,一方面,作为政策的制定者,世界各地政府都在尽他们最大的努力制定严格的汽车安全性标准。另一方面,汽车制造商也注重提高生产质量尤其是防撞性和破坏承受性。目前包括保险杠、安全带、安全气囊和防抱死制动系统(ABS)在内许多产品都提高了驾驶人员在突然停车和碰撞过程中的安全性。除了安全性,还需要考虑汽车所产生的有害气体,例如污染空气的NOx和引起温室效应的CO2。随着节能和环保的迫切要求,对高能效的经济合作型(ECO)汽车的需求愈来愈强烈。通过减轻汽车的重量可以提高燃料的利用效率,但对于传统的金属框架的汽车很难在减轻重量的同时保证其高的防撞性,因此,人们尝试选用新的材料系统替换传统金属来生产新一代汽车。在这个领域中,纤维增强复合材料(FRPs)备受关注。纤维增强复合材料质量轻,并且其不像金属那样凭借自身的塑性变形来吸收能量,而是通过自身复杂的微观纤维断裂、弯曲、分层、摩擦等形式实现理想吸能。纤维增强复合材料的能量吸收性能为传统金属的2倍以上,且质量仅为其一半左右。但目前复合材料用作车辆能量吸收部件并没有得到大范围的应用,其原因之一即为高昂的成本。本文采用互补性增强材料(碳纤维、芳纶纤维)制复合材料,通过优化不同特性多种增强纤维的混杂方式、比例以及合理的几何形状,来制造成本低、比能量吸收值Es达到100kJ/kg的高能量吸收性能的汽车防护部件。具体地,以碳纤维、芳纶纤维为增强体,普通的环氧树脂为基体,并利用传统的高产量、低成本的缠绕成型技术制得五种不同结构、原料的碳／芳纶、碳／碳纤维增强复合材料管件,经过100℃、200℃温度处理100h、200h、400h处理,并且利用准静态压缩实验检测其能量吸收性能,然后通过切割、固化、抛光等工序对破坏复合材料管件截面进行观察,分析其能量吸收破坏机理。研究发现,在温度为100℃条件下,处理100h、200h后的碳／芳纶纤维增强复合材料管件的能量吸收性能比处理之前明显提高,且随着处理时间的增加,能量吸收性能也显著提高；但处理对碳／碳纤维增强复合材料管件的能量吸收性能无明显影响。相同纤维含量和分布的三层结构(芳纶／碳／芳纶)碳／芳纶纤维增强复合材料管件比五层结构(芳纶／碳／芳纶／碳／芳纶)纤维增强复合材料管件的能量吸收性能更为优越。同为三层结构,未处理条件下,碳／碳纤维增强复合材料管件(碳／碳／碳)比碳／芳纶纤维增强复合材料管件(芳纶／碳／芳纶)的能量吸收性能更为优越,但温度处理后的碳／芳纶纤维增强复合材料管件的能量吸收性能可以比碳／芳纶纤维增强复合材料管件的更加优越。同时,根据碳／芳纶、碳／碳纤维增强复合材料管件截面破坏的光学观察,其破坏模式按照能量吸收性能从高至低可分为弯曲破坏模式(Bendingmode)、开花破坏模式(Splayingmode)、以及屈曲破坏模式(Bucklingmode)。但通常情况下,纤维增强复合材料的破坏模式不仅仅是单一的破坏模式,往往为多种破坏模式的复合,且破坏模式与中央裂纹的扩展关系密切。因此,在设计纤维增强复合材料管件时,在确保管件整体不会发生失稳变形的前提下,应尽力控制中央裂纹的扩展,使得向管内和管外弯曲的侧叶以较小的曲率弯曲,侧叶中纤维充分断裂吸能,即尽力设计为弯曲破坏模式,避免屈曲破坏。本文也较为成功地优化出比能量吸收值高达95.67kJ/kg(芳纶纤维88°／碳纤维17.6°／芳纶纤维88°：1/13.3/3.3,100℃条件下温度处理200h)的复合材料管件,基本实现了制作高能量吸收、低生产成本的车用复合材料能量吸收部件的目标。
【作者】马岩；
【导师】阳玉球；
【作者基本信息】东华大学，纺织材料与纺织品设计，2014，硕士
【关键词】复合材料；能量吸收；碳/芳纶；成型；破坏机理；

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