金属化纤维电磁防护复合材料拉伸强度及失效研究

本文以镀镍碳纤维作为主要增强材料；基于经典层合板理论进行了材料建模和性能参数设定，采用Hashin准则作为材料的失效行为判据，对该材料的拉伸强度进行了数值计算。用热压罐成型工艺制备了金属化纤维电磁防护复合材料，对该材料的室温拉伸强度性能进行了实测。对数值计算结果和实测结果进行分析对比，发现两者较为吻合，实现对电磁防护复合材料的力学和失效性能进行有效预判，从而缩短产品的结构力学设计周期。

当前行业对碳纤维复合材料的力学性能和失效行为研究较为广泛，但对金属化碳纤维增强复合材料的力学性能的报道相对较少。纤维增强复合材料的力学性能参数一般采用试验的方式进行采集，耗费大量开发时间和试验经费。因此利用数值计算和模拟方法来对材料的力学性能进行预判，可有效缩短研发周期，同时可对产品的轻量化设计提供数据依据。

2. 研究进展 国内外利从事纤维增强复合材料建模和强度计算的研究较为广泛。根据材料的应用场景不同，目前的研究热点主要集中在材料的损伤与失效行为。孔祥宏等[1]针对含损伤复合材料泡沫夹层板，提出使用Abaqus/CAE 进行参数化建模， 得到了有限元渐进损伤强度分析的结果与实验结果相吻合的结论。

薛康等[2]提出了基于连续介质损伤力学(CDM)的单向纤维增强聚合物复合材料压缩破坏渐进损伤分析(PDA)模型，通过用户材料子程序接口VUMAT 引入到有限元软件中实现了有限元求解。

3. 复合材料层合板结构建模与仿真分析 3.1. 复合材料的层合板结构建模 经典复合材料强度理论一般以层合板作为研究对象，拉伸强度和拉伸模量作为单向层合板的主要力学性能指标，是产品结构力学设计的基本参数。对于纤维增强复合材料，拉伸强度的求解一般需要提供材料的基本性能参数，以该性能参数作为材料力学性能计算的依据，同时还需要给出基于材料渐进损伤和失效的判据，以模拟材料样件拉伸试验中的断裂情况。

本文中的复合材料增强相是金属化纤维纱线。以单向层合板为研究对象，该材料的几何结构主要由纱线和树脂基体构成。根据《GB1447-2005 纤维增强塑料拉伸性能试验方法》中对拉伸强度试验样条制备要求，对I 型样条进行了层合板模型建模。样条的形状如图1 所示，厚度为2 mm。