2.5D机织复合材料双剪连接力学行为与损伤机制

为研究装配参数对2.5D机织复合材料连接性能的影响,制备了具有不同宽径比w/D与边径比e/D的2.5D机织复合材料试样,通过双搭接拉伸实验,分析了在连接载荷下材料的力学行为与失效模式,并借助微计算机断层扫描技术(Micro-CT)观察试样内部损伤情况,阐明其损伤机制。结果表明:试样在w/D和e/D分别取6和3时,表现出较高的力学性能,但适当减少w/D或e/D依旧能保有相当强度,当w/D下降为4时,刚度减少3.18%,极限挤压强度减少2.77%;当e/D下降为2.5时,刚度与强度分别减少1.62%和7.19%;螺栓孔的位置参数对材料的失效模式影响显著,减小w/D使经纱承受更多载荷,失效模式向净张力失效演变;减小e/D使纬纱承受更多载荷,失效模式向撕裂失效演变。

机织角联锁变密度复合材料的面外压缩力学特性

为研究变密度结构设计对三维机织角联锁复合材料面外力学性能的影响,设计制备了三维机织角联锁不变密度复合材料、三维机织角联锁经纱变密度复合材料和三维机织角联锁纬纱变密度复合材料。结合扫描电子显微镜、数字图像相关技术和X射线计算机断层扫描等检测技术,对角联锁变密度复合材料的面外压缩力学行为、内部损伤量化和渐进损伤等进行了测试与表征。研究结果表明:上疏下密角联锁纬纱变密度复合材料展现出优异的压缩性能,其压缩比强度比不变密度复合材料高3.40%;同时,上疏下密角联锁纬纱变密度复合材料损伤体积仅为11.64 mm 3,远低于不变密度复合材料的26.90 mm 3。进一步分析得到,不变密度复合材料压缩破坏以剪切失效为主,而上疏下密角联锁纬纱变密度复合材料则为基体开裂。

三维纺织复合材料热-力学性能研究进展

三维纺织复合材料具有优异的力学性能、可设计性强和耐极端环境等优点,在航空航天领域有着广泛应用。为深入了解应用于高温环境中三维纺织复合材料的结构体系和力学行为,本文从三维纺织结构出发,综述了三维纺织复合材料结构类型及其在航空航天领域上的应用;总结了三维纺织复合材料成型工艺和结构特征;分析了三维纺织复合材料热-力学性能的研究进展情况;提出了未来的研究重点和需解决的关键问题,以期为新一代三维纺织复合材料的耐高温/承载设计、制造和应用提供依据。

C/C三维纺织复合材料细观结构及力学性能研究进展

C/C三维纺织复合材料因其可设计性强、力学性能优异和耐高温等特点而被广泛地应用于航空航天、轨道交通和光伏热场等高温端部件。然而,C/C三维纺织复合材料内部纱线结构复杂且孔隙率高,呈现出高度各向异性和非均匀性,这些因素都会给力学性能及损伤机制揭示带来巨大困难。因此,本工作从实际应用出发,围绕C/C三维纺织复合材料,从细观重构、力学性能表征和数值模拟三个方面阐述近几年的国内外研究现状,并在此基础上重点对C/C三维纺织复合材料结构功能一体化制备、深度学习模型的发掘和高温实验环境下渐进损伤实验平台的搭建做出了展望。

含减纱2.5D机织碳/环氧复合材料低速冲击损伤机制

针对锥形回转体构件常用的减纱工艺,设计和制备了不含减纱、含半列减纱和含整列减纱2.5D机织碳/环氧复合材料。分别设置54 J和72 J的冲击能量,采用落锤冲击仪对3种复合材料开展了低速冲击试验,获取了载荷-时间曲线,并采用Micro-CT开展了损伤形貌和损伤量化分析。基于低速冲击损伤“局部”分布特征,建立了一种宏-细观混合有限元模型,开展了3种复合材料的低速冲击数值模拟,并揭示了失效机理。结果表明:数值模拟的力学响应曲线及损伤形貌与对应试验结果吻合较好;相比于不含减纱试样,在54 J冲击能量下,含半列减纱和整列减纱试样的冲击损伤体积分别增加了21.0%和34.8%;在72 J冲击能量下,含半列减纱和整列减纱试样的冲击损伤体积分别增加了15.7%和24.4%。可以看出,减纱点的引入明显降低了结构的承载效率。

UHMWPE/乙烯基酯2.5D角联锁机织复合材料动态压缩性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)动态测试系统和岛津材料试验机,对材料厚度方向的压缩性能进行实验研究,得到了三种高应变率(360,710s-1和1120s-1)和准静态下的压缩应力-应变关系,压缩强度和冲击吸能,通过冲击破坏形貌探讨材料的动态压缩破坏模式和吸能机理。结果表明:UHMWPE/乙烯基酯2.5D角联锁机织复合材料厚度方向的压缩性能是与应变率相关的,其屈服应力、屈服应力下应变和压缩模量对应变率都是敏感的,同时,表现出明显的应变率强化效应;动态压缩下材料的破坏开始于经纱在试样表面的弯曲处,并沿着厚度方向发生剪切断裂;纤维束与树脂的分离和纤维束的剪切破坏是主要的破坏模式,组分材料的弹性吸能和纤维束的剪切断裂吸能是材料的主要吸能机理。

z向纱对三维正交复合材料层间剪切性能影响

采用置换法增强体成形工艺和树脂传递模塑（RTM）固化工艺制备炭纤维三维正交复合材料。对比研究了不同z向纱体积含量的三维正交复合材料的细观结构、层间剪切性能和破坏形貌。结果表明,基于置换法成形工艺制备的三维正交预制体其3个方向的纱线具有优异的伸直性;z向纱的体积含量在1%~5%时,对材料的层间剪切强度及模量的增强作用明显;同时,随着固化成型压力的增加,材料的层间剪切强度呈上升趋势,但当压力增大到一定程度,纤维屈曲现象明显,从而降低层间剪切强度的增加幅度;在层间剪切载荷的作用下,材料的主要破坏模式包括纤维的断裂、抽拔以及z向纱与树脂的脱粘,但相应增加z向纱的细度,使z向纱与基体之间的孔隙尺寸减小,可防止材料分层现象的产生。

多层多向机织复合材料细观结构建模及其性能

为分析多层多向机织复合材料的细观结构,基于多层多向机织工艺及不同于传统机织结构的纱线空间运动规律,推导了工艺参数与结构参数之间的关系,建立了细观结构分析模型;为研究多层多向机织复合材料的拉伸性能和失效机制,采用多层多向机织工艺、树脂传递模塑复合工艺,以碳纤维和环氧树脂为原材料制备了2种不同结构的多层多向机织复合材料,采用万能试验机和非接触全场应变仪对材料进行了0°和90°方向的准静态拉伸性能测试,并与正交三向机织复合材料进行了对比分析。结果表明:斜向纱的存在对多层多向机织复合材料的拉伸破坏模式和断口形貌有较大影响,斜向纱一定程度上阻碍了裂纹和应变沿承载方向扩展,0°方向拉伸试样断口处经纱层内经纱全部断裂,90°方向拉伸试样断口处纬纱层内纬纱全部断裂,2个方向的拉伸试样斜向纱层中均存在部分斜向纱纤维未断裂,拉伸试样非完全断裂。

结构变化对碳纤维/铜纤维混编酚醛树脂基摩擦材料弯曲性能的影响

以碳纤维和铜纤维为原料制备了3维4层深交联机织物,将酚醛树脂和其他填料组成树脂体系,并与深交联织物进行复合成型,制成3维深交联摩擦材料。通过改变织物纬向的铜纤维含量及位置获得4种深交联摩擦材料,探究不同位置和含量的铜纤维对摩擦材料在纬向弯曲性能的影响。结果表明:摩擦材料的弯曲性能随着铜纤维含量的增加而减小;当铜纤维在摩擦材料预制体中间层时,会降低复合材料的弯曲性能。材料的破坏模式具体表现为树脂基体的碎裂,以及纤维的抽拔及断裂。

纺织结构/STF柔性复合材料的机械防护性能

以纺织结构为增强体和剪切增稠液(STF)为基体制备的柔性复合材料为研究对象,综述了纺织结构/STF柔性复合材料在机械受力下的防护机理,分别介绍了织物结构、STF的流变性能及复合工艺等因素对机械防护性能的影响,对STF在柔性复合材料应用中目前存在的问题及应用前景进行了展望。为开发轻便、性能良好及舒适的柔性复合材料提供依据。

碳纤维增强编织复合材料圆管制备及其压缩性能

为进一步探究编织结构与长度对复合材料圆管压缩性能的影响,采用树脂传递模塑成型工艺复合二维编织铺层与三维四向编织圆管,通过轴向准静态压缩试验获取了 4 种复合材料圆管试样的压缩力学行为。结合高速摄影记录,分析了编织复合材料圆管的破坏过程及失效模式,探索其压缩失效机制。结果显示:试样均表现出弹塑性特征,但三维编织圆管呈现出更好的压缩承载特性,其压缩模量与载荷峰值分别达到 5. 91 GPa 与 14. 23 kN;试样呈现出纤维断裂、基体开裂脱黏、瓣状破坏、剪切以及挤压屈曲等破坏模式中的几种或全部的组合;二维编织复合材料圆管的渐进失效特征更为明显,具有较好的吸能特性,且其压缩模量随管件长度的增加而有所提升,但是吸能效果与试样长度呈非线性关系。

针刺密度对三维碳毡增强树脂炭复合材料力学性能的影响

采用具有不同针刺密度的网胎层/无纬布叠层碳纤维针刺毡为预制体,以酚醛树脂为先驱体,通过液相浸渍炭化工艺(LPI)制备针刺碳毡增强树脂炭复合材料。通过三点弯曲和压缩试验研究了碳毡针刺密度对树脂炭复合材料力学性能的影响,并探讨了针刺碳毡增强树脂炭复合材料的损伤破坏机制。结果表明:当采用密度为0.4g/cm^3的针刺碳毡时,针刺密度会对碳毡的孔径分布产生影响,影响其浸渍炭化过程,并对树脂炭复合材料的力学性能有较大影响。当针刺深度为13mm、针刺密度控制在20~50针/cm^2时,复合材料的弯曲性能先增强后下降,并在针刺密度为40针/cm^2时达到最高。随着针刺密度的增加,复合材料的横向压缩性能基本不变,纵向压缩性能逐渐增强。针刺碳毡增强树脂炭复合材料弯曲和压缩破坏特征分别为脆性断裂和塑性断裂,弯曲主要破坏模式为底部倒“V”型开裂破坏;横向压缩主要有三种破坏方式:分层破坏、层间剪切破坏及树脂炭压溃破坏。随着针刺密度的增加,纵向压缩破坏失效模式由层间分层及剪切破坏向端头多层纤维折断模式破坏转变。

芳纶纤维复合材料低速冲击响应实验研究

芳纶纤维因具有轻质高强、良好耐疲劳性和化学稳定性等优良性能,逐渐成为重要的国防军工材料。选用芳纶单向布和平纹织物设计并制备了不同结构参数的芳纶纤维复合材料层合板,采用落锤冲击试验仪在不同的冲击能量下进行低速冲击实验,根据最大接触力、能量吸收能力和凹陷深度评估层板的抗冲击性能。结果表明,[0/45/-45/90]s单向层合板的接触载荷峰值高于[0/90]s单向层合板和平纹织物层合板,并在高能量冲击下具有优异的能量吸收能力,其损伤区域最小。破坏形貌表明,单向复合材料层合板损伤以分层为主,而平纹织物复合材料层合板以整体塑性大变形为主,这为芳纶纤维复合材料的优化设计及防护应用提供一定的理论指导。

三维机织角联锁SiCf/SiC复合材料弯曲性能及损伤机制

为解决陶瓷基复合材料在服役环境中由于弯曲而导致失效的问题,从理论上分析了经向和纬向弯曲过程中复合材料弯曲受力与内部纤维之间的相互作用机制。以SiCf/SiC复合材料为例,利用微计算机断层扫描技术获得其内部纤维结构和孔隙等三维图像;并在此基础上,分别对三维机织角联锁SiCf/SiC复合材料经向和纬向进行弯曲性能测试,从细观、微观尺度分析弯曲损伤机制。结果表明:三维机织角联锁SiCf/SiC复合材料的纬向和经向性能明显不同,且纬向试样的弯曲强度大于经向试样;SiCf/SiC复合材料的弯曲损伤模式复杂,经向试样裂纹主要沿着经纱与纬纱接触点扩展,而纬向试样裂纹主要在纬纱束之间产生,并最终导致弯曲破坏。

SiCf/SiC纺织复合材料细观结构及力学性能研究进展

碳化硅纤维增强碳化硅基体(SiCf/SiC)纺织复合材料具有结构设计性强、密度低、力学性能优异、耐高温和抗氧化性好等优势,成为航空发动机热端高温部件理想的候选结构材料。然而,目前对SiCf/SiC纺织复合材料的制备技术、性能、细观表征等方面开展的研究较少,但从长远来看,它仍是我国航空发动机制造必须开展研究的方向。本文针对SiCf/SiC纺织复合材料,围绕其细观结构、力学性能实验表征和数值模拟分析等三个方面,概述了SiCf/SiC纺织复合材料近几年的研究现状,综合对比国内外应用基础研究,虽然国内在制备技术方面取得了很大的进展,达到了国际先进水平,但是在构件考核验证和应用方面尚处于起步阶段,只有在可靠性、耐久性、工艺及性能综合平衡的基础上优化,实现材料与工艺、结构与设计的协同,才能在航空发动机未来发展中取得突破。

碳纤维增强编织复合材料圆管的扭转力学性能及其损伤机制

为研究编织层数对编织复合材料圆管的扭转力学性能和失效模式的影响,采用二维编织铺层(Over-Braiding)工艺及真空辅助树脂灌注成型工艺分别制备了2、3和4层的碳纤维/树脂编织复合材料圆管。通过搭建扭转试验-非接触全场应变测试平台,研究了3种编织层数的复合材料圆管的扭转力学响应。基于扫描电子显微镜与微计算机断层扫描技术等测试方法,分析了编织复合材料圆管的扭转失效机制。结果表明:编织复合材料圆管在扭转载荷下呈线弹性脆断特征,且形成了贯穿管壁的空间螺旋剪切带损伤区;编织层数的增加利于应力应变的稳定扩散,减少整体结构分层损伤,4层圆管的失效扭矩可达450.00 N·m,分别是3层圆管和2层圆管的1.39和2.20倍;失效模式主要有纤维断裂或劈裂、脱黏、基体开裂或碎裂等,宏观层面的失效模式种类差异不大,但在微观层面,编织层数越少,圆管的纤维失效特征更明显。

缝合铺层碳/环氧复合材料动态压缩性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)动态测试系统对环氧树脂E-51和缝合铺层复合材料厚度方向的压缩性能进行实验研究,得到了不同应变率下的压缩应力-应变关系和压缩强度,并通过冲击破坏形貌来探讨材料的动态压缩破坏模式.结果表明:环氧树脂E-51是应变率相关材料,但其应变率敏感程度并不高;缝合铺层碳/环氧复合材料厚度方向的应力-应变曲线对应变率是敏感的,随着应变率的增加,最大应力增大,应变率在900 s-1比应变率在350 s-1的压缩强度增加120%;破坏的主要原因是纤维和树脂的分离以及纤维之间产生相对位移形成微裂纹,随着载荷的增加和应力集中的作用,促使裂纹扩展导致材料破坏.

运用CAD培养学生建筑制图空间想象力

空间想象能力是培养学生识图与画图能力的关键。所谓空间想象能力就是人对头脑中已有的表象进行加工、综合、重现、创造出整体形象的空间想象和思维能力。在具体制图教学中，就是要求学生实现平面与空间的转换以及“形”与“体”的转换。近些年来，在建筑教学中，AutoCAD这种软件使用较为普及，它有三维绘图功能，较容易实现从平面到三维，又从三维到平面的不断转化，同时还可以充分利用电脑绘图多功能的优越性，

超高分子量聚乙烯织物/聚脲柔性复合材料的抗破片侵彻机制

为研究平纹机织叠层和三维角联锁增强聚脲柔性复合材料的抗侵彻性能,以15 mm角联锁整体织物及叠层平纹织物(单层厚度0.39 mm,40层)为研究对象,通过表面喷涂聚脲制备2种不同织物结构的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)织物/聚脲柔性复合材料;采用1.1 g柱状楔形破碎片,开展了弹道侵彻实验,并获取了弹道极限速度和比吸能;在此基础上,借助超景深显微镜及计算机断层扫描仪,观察侵彻后UHMWPE织物/聚脲柔性复合材料的表面及内部损伤形貌,分析抗破片侵彻机制。研究结果表明:UHMWPE织物/聚脲柔性复合材料抗破片侵彻性能具有明显的织物结构效应;相较于同厚度的叠层平纹织物增强聚脲柔性复合材料,角联锁织物增强聚脲柔性复合材料的弹道极限速度提升了4.9%;对于未被穿透的UHMWPE织物/聚脲柔性复合材料,其被侵彻过程主要包括聚脲对破片的包裹、剪切冲塞和纤维拉伸断裂破坏;叠层平纹织物的主要失效模式为剪切冲塞、分层失效,角联锁织物主要为纤维拉伸变形、拉伸断裂破坏。

三维编织复合材料圆管力学性能研究进展

材料的力学性能对其后续应用会产生重要影响,当前国内外有关三维编织复合材料圆管力学性能的研究还不够深入。针对这一问题,探讨了三维编织复合材料圆管的细观结构特征,如单胞模型、内部编织结构以及单胞特性与编织工艺参数之间的联系等,研究了三维编织复合材料圆管在拉伸、压缩、冲击、扭转、疲劳等不同载荷下的力学行为及破坏模式,总结了三维编织复合材料圆管模拟仿真的思路方法,归纳了材料损伤演化模式/失效机理特性,指出了目前存在的问题及未来三维编织复合材料圆管力学性能的研究方向。