预浸料层间增韧粒子微结构缺陷控制对CFRP抗冲击性能的影响

本研究聚焦国产T800级碳纤维预浸料层间增韧设计,对比实验室自制热塑增韧粒子和市售热塑增韧粒子的层间微观形貌、粒子尺寸等,比较了两款性能不同粒子增韧层合板的力学性能。本文创新性提出层间粒子微结构缺陷定量化策略,并探讨了层间粒子微结构缺陷密度对CFRP抗冲击性能的影响机理。

碳纳米管膜层间增韧对碳纤维复合材料力学性能的影响

分别采用两种碳纳米管膜进行层间增韧,应用热压罐工艺成型了碳纳米管膜/碳纤维增强树脂基复合材料,研究了碳纳米管膜的成型工艺、取向、面密度对复合材料力学性能和层间韧性的影响。结果表明:CNT膜平行于碳纤维铺放时复合材料的压缩强度、90°弯曲强度和层剪强度均高于CNT膜垂直于碳纤维铺放时的复合材料性能。面密度较小的CNT膜对复合材料的增韧效果较好。喷涂法成型的碳纳米管膜层间改性的复合材料层间断裂韧性明显优于拉膜法碳纳米管膜层间改性的。CNT无规膜的面密度为0.75 g/m2时,复合材料的GIC和GIIC最优,相比改性前分别提高了21%和42%。

复合材料层间增韧机理的有限元分析

在复合材料层间植入韧性夹层,可以有效提高层间韧性,其增韧机理在于夹层可以有效降低纤维层对裂纹尖端的约束,并降低裂纹尖端应力。文中建立层间裂纹的有限元模型,采用数值分析方法,分别计算加入夹层前后裂纹尖端的J积分值、应力强度因子以及裂纹尖端的应力场。计算结果表明,加入夹层后Ⅰ型和Ⅱ型层间裂纹尖端的J积分、应力强度因子和裂尖应力场均显著降低,并指出在夹层和相邻纤维层间界面附近出现的高应力区是造成界面失效的一个原因。

碳/环氧复合材料层间增韧研究进展

综述了碳/环氧复合材料层间增韧的研究现状与发展趋势,着重对碳/环氧复合材料层间增韧方法与性能的关系进行了介绍。

层间增韧复合材料层合板低速冲击损伤预测

基于层间增韧复合材料层合板的低速冲击实验,在ABAQUS分析环境下建立了一套量化考查低速冲击载荷作用下层间增韧对复合材料层合板力学行为影响的有限元分析模型。模型中采用自行开发的VUMAT子程序定义复合材料层内单元材料本构关系,预测典型的层内失效模式,包括纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体开裂失效和基体挤裂失效,并对失效单元进行相应的刚度折减。模型中在复合材料层合板相邻两铺层间定义了一层层间界面单元,层间分层起始损伤是采用二次名义应力判据来预测的,层间分层扩展采用的是混合模式的能量准则来判断的。有限元预测结果和实验结果的比较验证了分析方法和分析模型的准确性和有效性。

层间增韧复合材料在静压痕力下的损伤阻抗和渐进损伤分析

在复合材料层合板层间植入韧性层是提高复合材料韧性和抗冲击能力的有效方法。为了研究层间增韧对层合板损伤阻抗的改善作用,文中通过准静态压痕试验研究层间增韧复合材料在准静态压痕力下的损伤和破坏行为,利用超声C扫描测量分层损伤面积。试验结果表明,层间增韧复合材料具有较高的分层起始载荷和分层起始能量,损伤阻抗显著提高。在相同的载荷水平下,具有较小的分层损伤面积。文中还采用有限元方法对层间增韧复合材料在静压痕力下的分层和铺层失效进行数值分析,有限元计算结果与试验结果吻合较好。

CFRP复合材料层间增韧结构优化

采用T700/6240碳纤维/环氧树脂预浸料和自制热塑性酚酞基聚醚酮(PEK-C)增韧膜,通过热压成型工艺制备不同层间增韧结构复合材料层合板,对其进行低速冲击、冲击后压缩及三点弯曲实验,并结合扫描电子显微镜(SEM)微观形貌表征及数学优化思想,确定最佳增韧结构。结果表明,在不同位置铺设12层增韧膜的四组试样中,中部增韧效果最佳,其冲击后压缩强度(CAI)比未增韧时提高42.39%。在层合板中部铺设8、16和23层增韧膜的试样,CAI和弯曲强度随增韧膜数量的增加分别呈现递增和递减趋势。通过弯曲试样SEM形貌表征发现,随增韧膜数量的增加,裂纹纵向扩展受到抑制,且由于环氧树脂与PEK-C的相容性较差,出现局部分层损伤。结合总增益和单层增益函数变化趋势,确定最佳增韧结构为层合板中部铺设11或12层增韧膜。

微米Al_2O_3层间增韧EP/CF复合材料性能研究

采用喷雾技术,通过VARTM工艺制备了微米Al2O3层间增韧环氧树脂/碳纤维复合材料,研究了微米Al2O3面密度对改性复合材料II型层间断裂韧性的影响,并进一步分析了改性对复合材料弯曲、冲击等性能的影响。研究结果表明,微米Al2O3的加入明显改善了复合材料的II型层间断裂韧性,当面密度为15 g/m2时,改性效果最好,II型层间断裂韧性由348 J/m2增加至522 J/m2,其增韧机理与裂纹的偏移、大量微裂纹的形成、Al2O3粒子从基体中拔出及与基体脱粘等现象有关。此外,改性复合材料的冲击性能得到了较好的改善,弯曲性能则稍有提高。

添加表面毡对复合材料层间增韧的影响

复合材料结构容易受到外来物体冲击,所以提高复合材料的抗冲击能力至关重要。研究了添加表面毡对复合材料层间增韧的影响。通过使用S-4800场发射扫描电镜(FESEM)、光学显微镜以及压剪、三点弯曲以及拉伸试验方式对含有表面毡(WFM)与不含表面毡试样(WF)进行对比测试。通过观察断裂形貌,发现添加表面毡试样断裂发生在表面毡层,短切纤维连接着相邻两层方格布,起着桥联作用。短纤维的桥联作用改变了剪切破坏机理,增大了能量消耗。测试结果表明,添加表面毡后,单位面积剪切破坏吸能能力提高7.3%。添加表面毡能够降低方格布的曲率,增大相邻方格布的相对滑移能力,进而在弯曲、拉伸过程中产生较小的破坏以及较大的变形。

纤维波纹对层间增韧碳纤维/环氧复合材料单向板力学性能的影响

本文采用层间增韧型碳纤维/环氧预浸料X850,通过碾压预制的面外波纹和预浸料叠层中插入预浸料条两种方法,分别制作了含面内纤维屈曲和面外纤维褶皱缺陷的单向层板,成型固化采用热压罐工艺。对复合材料中的两种纤维波纹进行了表征,并对拉伸与压缩性能进行了测试分析。实验结果表明:得到了波纹比不同的复合材料试样,纤维含量一致且无其他缺陷;在所预制的波纹比范围内,面外褶皱对层板的拉伸性能影响较小,压缩性能小幅降低,而拉伸及压缩性能对面内屈曲非常敏感,随波纹比增大,强度、模量及试样的破坏模式均发生显著变化,说明纤维波纹形式对该类缺陷的评估十分重要。

氧化锌纳米线层间增韧碳纤维环氧复合材料研究

针对碳纤维环氧复合材料树脂本身固有的脆性,改善复合材料层合板的分层抵抗能力和层间断裂韧性一直是研究热点。实验采用低温水热法在碳纤维表面生长氧化锌纳米线来改善碳纤维环氧复合材料的层间韧性。结果发现,氧化锌纳米线碳纤维杂化结构能够显著的提高碳纤维环氧复合材料的I型层间断裂韧性。此外,由于氧化锌与碳纤维之间较差的粘结性能,不同生长条件下形成的氧化锌纳米线对层间韧性的提高并无显著区别。

纤维增强复合材料层间增韧技术研究进展

连续纤维增强复合材料因轻质、高强等优点被广泛应用于航空航天等领域,提高复合材料层间强度的方式主要有改善树脂基体性能、增加法向材料和层间增韧等。层间增韧方法是一种将纤维、颗粒及薄膜等作为增强相嵌入连续纤维复合材料层间,以达到层间增强效果的方法。采用层间增韧方法无须改变现有的工艺方法,实现过程容易,并且增强效果明显。综合成本、技术难度等方面因素,层间增韧方法为一种切实可行、效果明显的层间增强方法。本文综述了纤维增强复合材料层间增韧技术的最新研究进展,将复合材料层间增韧技术的研究分为纤维层间增韧、纳米材料层间增韧、颗粒层间增韧、薄膜层间增韧等,可为提升纤维复合材料层间性能及纤维复合材料得到更广泛的应用提供支撑。

基于结构仿生的GFRP板簧层间增韧性能研究

为了提高玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)板簧的层间韧性,进而提高其疲劳寿命,本文仿照珍珠母矿物质结构单元的排列形式设计了砖砌型增韧结构的GFRP板簧。制作了同尺寸砖砌型结构和非增韧结构缩比板簧样件,层叠铺设方法按照变厚度层合板铺层递减设计原则,并对砖砌型结构和非增韧结构缩比板簧进行了刚度实验、疲劳实验和剩余刚度实验。实验结果显示:与无增韧结构GFRP板簧相比,砖砌结构GFRP板簧的刚度降低了8.4%,但疲劳性能提升了28.99%,疲劳实验后无增韧结构完全断裂,没有剩余刚度,砖砌增韧结构GFRP板簧仍具备43.52%的原始刚度。无增韧结构GFRP板簧的疲劳失效形式是层间分层,结构完全断裂;而增韧结构GFPR板簧的疲劳失效形式是层间分层被阻断,结构形成局部断裂,进行剩余刚度实验后,其断裂截面呈阶梯状。

复合材料层间增韧膜可控制备工艺的研究

利用实验室自制提拉机,以不同制备工艺,包括制膜溶液浓度及提拉速度,制备了PEK-C树脂薄膜,测试了其厚度及厚度分散性。结果表明:薄膜厚度随着制膜溶液浓度及提拉速度的增大而增大,且分散性增大;在较低的速度区间(0.259cm/s^0.789cm/s)及较低的溶度范围(6%~11%),分散性较小,可用作制膜。

PES/短切CF混合膜层间增韧碳纤维复合材料的研究

将长度为0.5 mm的短切碳纤维(CF)粉末,分散在质量分数为25%的聚醚砜(PES)/N, N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中,通过浸没沉淀相转化法制备PES面密度相同但短切CF粉末面密度不同的混合膜,研究混合膜对真空辅助灌注成型制备的CF增强环氧树脂复合材料的I型断裂韧性的影响。研究结果表明,短切CF粉末与PES质量比在1∶4和2∶4时,其在PES溶液中分散良好,所制备的混合膜在120℃环氧树脂中可在13 min溶解完全。当混合膜中短切CF粉末的面密度为8.3 g/m^(2)时,所制备的复合材料的I型断裂韧性值最高;相比于未增韧复合材料的I型断裂韧性的起始值和增长值分别提升29.3%和34.8%,相比于纯PES薄膜增韧样的起始值和增长值分别提升6.9%和5.2%。

树脂基层合结构复合材料层间增韧研究

综述近年来国内外对复合材料层间增韧的研究现状,重点介绍层间胶膜增韧、层间颗粒增韧、层间纳米纤维增韧和Z-pin增韧技术等4种层间增韧方法,总结树脂基层合结构复合材料在纺织领域的应用。文章表明,复合材料层合板由于易发生分层破坏,使得其在强度和刚度等性能上明显下降,最终使得整个复合材料发生破坏,严重限制了它的应用,全面对复合材料的层间断裂韧性问题进行研究,加强各种增韧方法增韧效果的系统研究,保证树脂基复合材料在提高其韧性的同时具有良好的综合性能,进一步开展适用多种成形工艺的层间增韧技术,对复合材料在各个领域的应用具有十分重要的意义。

聚醚砜多孔纤维网纱层间增韧碳纤维/环氧复合材料的性能

先用湿法纺丝制备聚醚砜(PES)多孔纤维并进行湿法抄造制备出四种不同面密度的PES多孔纤维网纱(PESV),用真空辅助树脂灌注成型(VARI)制备出聚醚砜多孔纤维网纱层间增韧碳纤维/环氧复合材料。研究了PES多孔纤维在环氧树脂的溶解行为以及复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性(G_(IC))和Ⅱ型层间断裂韧性(G_(ⅡC))、层间剪切强度和弯曲性能,并分析了复合材料层间断裂的微观形貌。结果表明,固化温度为180℃时,PES多孔纤维完全溶解在环氧树脂中;PESV面密度为31.6 g/m^(2)时CF/EP复合材料的G_(IC)和G_(ⅡC)最佳,分别提高了54.4%和62.2%。其原因是,PES多孔纤维在环氧树脂中溶解后相分离形成了PES/环氧树脂的两相结构,改善了层间韧性;PESV面密度为21.9 g/m^(2)时,复合材料的层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量也分别提高了2.9%、4.0%和7.7%。

碳纤维增强树脂基复合材料的层间颗粒增韧技术研究进展

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有高强高模的优点,被广泛应用于汽车、体育、船舶、航空航天等领域,达到了材料轻量化的要求。目前使用较多的树脂基体以环氧树脂(EP)等热固性树脂为代表,普遍存在脆性大、韧性差的问题,导致复合材料层合板容易在层间发生开裂。层间增韧是一种有效的增韧方式,它可以在不改变基体树脂粘度的情况下对特定区域进行增韧,提高材料的断裂韧性。本文介绍了层间断裂模式并总结了层间断裂韧性(ILFT)测试的数据处理方法,总结了聚合物颗粒与无机纳米颗粒(主要是碳纳米管)的颗粒种类、增韧机制、引入方式,并主要通过层间断裂韧性评价了各种颗粒的增韧效果。

纤维增强热固性聚合物基复合材料层间增韧研究进展

综述了纤维增强热固性聚合物基复合材料(PMC)层间增韧的最新研究进展。热固性复合材料由于基体树脂高的交联密度而呈脆性,表现出低的冲击损伤阻抗和损伤容限特征。柔性聚合物层间增韧是改善聚合物基复合材料层间断裂韧性和抗冲击性的有效手段,且不会降低热固性树脂的热性能和高模量。目前有3种层间增韧方法:颗粒增韧、聚合物纤维增韧和薄膜增韧。讨论了3种方法的概念、实施方案、增韧机理及研究成果。最后重点阐述了创新性的复合材料"离位"增韧思想,介绍了具有全部自主知识产权的"离位"复合材料高性能化技术体系,包括预浸料和液态成型两大复合材料产品系列。

氧化石墨烯-碳纳米管复合膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料层合板结构的层间性能一直是材料的性能短板,本文利用氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)设计制备了具有一定渗透性和树脂浸润性的复合膜,采用层间增韧方法,制备了GO-CNT复合膜改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,通过张开型Ⅰ型层间断裂韧性(G_(ⅠC))与滑移型Ⅱ型层间断裂韧性(G_(ⅡC))对GO-CNT-CF/EP复合材料的层间韧性进行了研究,并结合复合材料的破坏微观形貌和损伤/破坏特征分析了GO-CNT复合膜对复合材料的层间增韧效果及增韧机制。结果表明:GO与CNT质量比为3∶7时制备的复合膜具有良好的成膜工艺性和树脂浸润性,EP与GO-CNT复合膜的接触角远低于其与纯GO膜的接触角,并且GO与CNT结构中的羟基、羧基、环氧基等含氧基团增加了它们与EP的物理亲和性和化学作用,有利于复合材料层间GO-CNT/EP微区结构的强韧化。GO-CNT复合膜对复合材料的张开型层间断裂韧性G_(ⅠC)没有增强效果,甚至复合材料的G_(ⅠC)值还发生了轻微下降。而GO-CNT复合膜对复合材料的滑移型层间断裂韧性G_(ⅡC)具有良好的改善作用。复合材料的G_(ⅡC)从CF/EP复合材料的1855 J/m~2提高到GO-CNT-CF/EP复合材料的2720 J/m~2,提高了47%。这归因于GO-CNT复合膜和树脂间形成的相互穿插交叠的网络结构抑制了滑移型破坏载荷导致的层间微裂纹的扩展。GO-CNT/EP复合材料具有和CF/EP基本相当的玻璃化转变温度。