3D打印CFRP-Ⅰ型层间断裂韧性的断层替换测试法及参数化分析

为实现3D打印碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)Ⅰ型层间断裂韧性的测试分析,并量化评价打印参数对该型断裂韧性的影响规律,推进3D打印CFRP技术在桥梁工程中的应用,分别从试验及仿真角度开展了相关探索。首先,提出了一种新型的3D打印CFRP层间预制裂纹制备方法-断层替换法,利用该方法开展了系统性的试验研究,分析了两类关键打印参数对Ⅰ型层间断裂韧性的影响规律。其次,基于内聚区理论及surface-based cohesive关系,构建了各类打印工况下的预制裂纹试件双悬臂梁(double cantilever beam,DCB)试验的仿真模型,并完成了仿真计算与试验测试的对比分析。结果表明:3D打印CFRP的Ⅰ型层间断裂韧性随着打印温度及速度的提高而增大,且打印温度对断裂韧性的影响更显著,当温度由245℃升至285℃时,断裂韧性提高了294.6%;当速度由20 mm/s增至60 mm/s时,断裂韧性提高了27.6%;当打印温度与速度提高时,试件在打印过程中热量散失更小,Ⅰ型层间力学性能得到提高;但当打印速度过大时,印材在打印过程中无法完全沉积并实现较好的黏结,反而对Ⅰ型层间力学性能造成负面影响。同时,仿真结果与试验数据的相对误差均控制在15%以内,表明提出的断层替换法在I型层间断裂韧性试验数据获取方面是合理且稳定的。因此,该方法可为后续量化评价3D打印CFRP桥梁工程构件的层间力学性能提供试验技术支撑。

湿热环境对复合材料层间断裂韧性的影响规律及其机理

层间断裂韧性是表征复合材料抗层间分层扩展能力的主要指标,湿热环境是飞机复合材料结构面临的主要严酷环境,研究湿热环境下的层间断裂韧性在航空领域具有重要意义。通过不同湿热环境条件下的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性实验,分析其微观结构,获取湿热环境对树脂基复合材料层间断裂韧性的影响规律和湿热环境对层间断裂韧性的影响机制。结果表明:湿热环境会对树脂基复合材料Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性产生截然相反的影响,随着温度上升,树脂基复合材料层压板Ⅰ型层间断裂韧性呈上升趋势,而Ⅱ型层间断裂韧性呈下降趋势;Ⅰ型分层时会出现大量纤维桥联现象,湿热环境下树脂发生软化,纤维桥联现象增多,导致Ⅰ型层间断裂韧性随温度升高而增大;湿热环境下随着温度的升高,树脂的剪切强度会逐渐降低,树脂与纤维的界面剪切强度也会逐渐降低,导致Ⅱ型层间断裂韧性随温度升高而降低。

超细纤维增强复合材料Ⅰ型层间断裂韧性分析

采用静电纺丝技术制备了厚度约0.1 mm的超细纤维无纺布薄膜,并入层合板中间界面,固化成型后加工为双悬臂梁(DCB)试样。根据ASTM D5528标准测试了Ⅰ型层间断裂韧性。实验结果表明,增强试样比空白试样的Ⅰ型临界应变能释放率(GⅠC)提高了约35%。同时采用有限元分析方法研究了含无纺布薄膜试样和空白试样的裂纹扩展过程,数值结果与实验结果吻合较好,更好地解释了含无纺布薄膜层合板的层间断裂机理。

层间颗粒增韧复合材料层压板的Ⅱ型层间断裂韧性

采用热塑性颗粒对HT7/5228、HT3/NY9200G、HT3/5224和HT3/3234四种热固性树脂基体复合材料进行层间增韧,测试了未层间增韧对比件和层间增韧改性件的型层间断裂韧性G c。试验结果表明,增韧颗粒和基体树脂形成的Interlayer层有效的吸收了断裂能量并抑止了裂纹的失稳扩展,G c显著提高。层间增韧的几何效应、裂纹传播路径控制、裂尖屏蔽和颗粒桥联是主要的增韧机理。有限元分析结果表明Interlayer层降低了裂纹尖端J积分值和裂尖应力集中,进一步解释和支持了增韧机理。

复合材料铺层拼接层间断裂韧性的试验研究

针对评价复合材料层合板层间断裂韧性的测量,提出了用拉伸试验法测定Ⅱ型层间断裂韧性,设计了内含铺层拼接区的分层破坏试验层合板,制备了拉伸试件。通过拉伸试验测得了拼接区开裂和分层裂纹稳态扩展过程中的载荷与变形规律:层间破坏具有Ⅱ型断裂特征,且裂纹扩展比较稳定。利用测试数据计算出断裂功,并以临界能量释放率表示层合板的Ⅱ型层间断裂韧性,结果表明用铺层拼接件拉伸法进行层间断裂韧性试验是可行的。

缝合层合板的Ⅰ型层间断裂韧性研究

通过缝合的方法改善织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性.采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了缝合层合板的层间断裂韧性与断裂行为.为了评价缝合工艺参数(缝合密度)对层间断裂韧性的影响,用改进的插入型夹具在实测不同缝合工艺层合板的Ⅰ型层间断裂韧性值(GIC)的基础上,分析和阐明了缝合工艺参数(缝合密度)与GIC间的关系;以提高层合板的平均层间断裂韧性值为目标,以拉伸和弯曲强度为约束条件优化了缝合工艺;采用摄影显微镜对分层断裂面进行了观察,分析和考察了缝合对其它性能的影响.结果表明:改进的插入型夹具可方便地完成缝合层合板的Ⅰ型层间断裂韧性测试;缝合后裂纹不连续扩展,缝合密度对裂纹扩展行为有较大影响;随着缝合密度的增大,层间断裂韧性值增大,但拉伸和弯曲强度降低,缝合密度存在最佳值.

复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性

本文采用铰链式双悬臂梁试件对碳／双马来酰亚胺复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究，分析比较了层间断裂韧性Ｇ＿（ＩＣ）的表达方法，用三次多项式和幂函数拟合实验柔度的方法得到的结果比较满意，实验结果表明纤维桥连对单向层合板的Ｇ＿（ＩＣ）的影响是显著的，用刀片切割桥连纤维后Ｇ＿（ＩＣ）值下降百分之二十，分散性也有显著下降。另外发现Ｇ＿（ＩＣ）值随试件厚度增加而增大。

玻纤表面毡改善层合复合材料层间断裂韧性

采用玻纤表面毡作为增韧剂,添加到复合材料层间构建结构化增韧层,对VARTM成型的玄武岩织物增强环氧树脂复合材料进行层间增韧改性,并对增韧前后复合材料的Ⅰ型、Ⅱ型层间断裂韧性及冲击后剩余压缩强度进行了测试.结果表明:经玻璃纤维表面毡增韧后,层合复合材料的断裂韧性G_ⅠC从27.6 J/m^2增加到48 J/m^2,G_ⅡC从87.2 J/m^2增加到122.5 J/m^2,Ⅰ型、Ⅱ型层间断裂韧性分别提高了73.9%和40%,材料的冲击后压缩强度CAI值从103.75 MPa增加到129.22 MPa,提高了24.5%.SEM图像表明:低黏度树脂对玻纤表面毡具有较好的浸透作用,无规排列的玻纤在层间与环氧树脂形成了非反应诱导相分离的双连续相结构,获得了显著的增韧效果.

热塑性复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性

对一种新型热塑性复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究。将非线性能量释放率作为层间断裂的控制参量,并提出用非线性因子法和改进的能量面积积分法计算。两种方法的结果非常接近,均能较好地反映韧性基体复合材料的层间断裂韧性。SEM照片分析表明,纤维和树脂界面强度过低是造成热塑性复合材料层间断裂韧性远低于基体断裂韧性的原因。另外,层间断裂韧性随加载速率增加而减小,在单对数坐标系下两者呈线性关系。

复合材料混合型层间断裂韧性及失效判据

提出了一种新的混合型分层试验方法，用于测定复合材料层压板Ⅰ型和Ⅱ型混合的层问断裂韧性．在预制的分层中放置铰链，形成双悬壁梁Ⅰ型加载方式，再用三点挠曲试验增加Ⅱ型载荷．当分层扩展时，混合型临界应变能释放率分量ＧⅠｍ和ＧⅡｍ随着变化，ＧⅠ减小ＧⅡｍ增大．在实验基础上，建立了混合型分层失效判据，为复合材料结构设计提供依据．

缝合增强复合材料层合板层间断裂韧性研究

为了提高复合材料层合板抵抗分层的能力,引入缝合技术来提高层合板的层间断裂韧性。采用自主研发的单线弯针缝合设备来缝合干纤维,通过真空辅助树脂灌注技术(VARI)固化成型,脱模后制成缝合层合板试样。通过对试样进行双悬臂梁(DCB)试验研究了缝合密度对缝合层合板I型层间断裂韧性G IC的影响规律,并探究了缝线失效形式和层间断裂韧性间的联系。采用端部缺口弯曲(ENF)试验研究了缝合密度和缝线直径对缝合层合板Ⅱ型层间断裂韧性G IIC的影响机理。结果表明:缝合能够显著阻碍层间裂纹的扩展,随着缝合密度的增加,层合板I型层间断裂韧性均有不同程度的提高,Ⅱ型层间断裂韧性表现出先略微降低而后上升的变化趋势;层合板层间断裂韧性随缝线直径的增大而增大。试验发现,缝线主要存在断裂与拔出两种失效形式,缝线断裂比例越高,相应的G IC也越高。

吸湿对复合材料层间断裂韧性的影响

采用铰链式双悬臂梁试件和端部切口弯曲试件研究了吸湿对一种双马复合材料的１型和巨型层间断裂韧性的影响。发现Ⅰ型层间断裂韧性Ｇ１Ｃ随吸湿量增加而增大，Ⅱ型层间断裂韧性增大后又减小。层间断裂韧性的增加可能与吸湿后基体韧性的增加相关。当吸湿量高时，基体剪切强度的下降导致了Ｇ１Ｃ的下降。

碳纳米管/共聚酰亚胺复合膜增强炭纤维/环氧树脂复合材料的层间断裂韧性和导热性

炭纤维/环氧树脂复合材料已被广泛用作航空航天领域的结构材料,但由于其沿厚度方向缺乏炭纤维增强材料,层间力学性能和面外导热性较差。本文制备了碳纳米管/共聚酰亚胺(CNT/BOH)复合膜作为增韧层,以提高炭纤维/环氧树脂层压板的层间断裂韧性和厚度方向导热性。由于BOH膜的塑性变形和CNTs的增强效应,CNT/BOH膜的引入使炭纤维/环氧树脂层压板的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性分别提高260%和220%,此外,由于CNTs高的本征导热性和交联网络的形成,有效改善了层压板的厚度方向导热性。这种增韧方法为同时提高炭纤维/环氧复合材料的力学性能和导热性提供了一种有效的策略。

模压成型工艺参数对CF/PEEK复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响

连续碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料是重要的医疗器械及航空航天热塑性复合材料,可采用模压成型工艺制备层合板及结构,其工艺参数影响复合材料力学性能。本文主要考察了模压成型温度、压力以及降温速率等参数对CF/PEEK复合材料Ⅰ型层间断裂韧性(G IC)的影响规律,并通过扫描电镜表征复合材料撕裂面的微观形貌,分析材料失效模式。较高的模压成型温度可提高基体分子链流动性,适中的成型压力有利于控制树脂不被过多挤出模具,适中的降温速率可降低结晶度并抑制界面粘结强度的损失,均有利于提高CF/PEEK复合材料的G IC。

改性环氧树脂制备复合材料层间断裂韧性的实验研究

采用纳米SiO2对环氧树脂改性并通过RTM工艺制成碳/环氧复合材料,观察纳米粒子在复合材料中的分布情况,测试复合材料的层间断裂韧性并用显微镜观察断裂面形貌。结果表明,纳米粒子在复合材料厚度方向和沿预裂纹的面内方向均没有明显的过滤性,改性后的碳/环氧复合材料的层间断裂韧性比改性前提高45%,断裂面更粗糙,纳米SiO2对环氧树脂的增韧效果良好。

EMAA/CNT膜对复合材料Ⅱ型层间断裂韧性及自修复率的影响

纤维增强树脂基复合材料的典型结构之一为层合结构,较弱的层间性能引起的分层是层合结构失效破坏的主要因素。本文首先采用聚乙烯甲基丙烯酸(EMAA)和碳纳米管(CNT)制备了无孔实心膜和多孔夹芯膜两种EMAA/CNT复合薄膜。然后,将两种复合薄膜分别引入玻璃纤维/环氧层合板的中间界面,研究其对Ⅱ型层间断裂韧性(GⅡC)的增韧效果和对Ⅱ型裂纹的自修复性能。结果表明:多孔EMAA/CNT夹芯膜具有较佳的增韧和修复性能,相比纯玻璃纤维/环氧的空白试样,多孔EMAA/CNT夹芯膜增强板的GⅡC提高了19.6%,并且通过热激励修复后其GⅡC的修复率为92.5%;而无孔EMAA/CNT实心膜增强板的GⅡC降低了27.5%,其GⅡC的修复率为81.8%。微观表征表明,多孔夹芯膜与环氧在层间形成均匀的结构,从而起到良好的增韧和修复作用。

缝合复合材料的制备及层间断裂韧性研究

采用锥管针刺技术将铺层平纹碳布在厚度方向上进行缝合,通过控制针距和行距,得到缝合密度不同的缝合预制体,利用树脂传递模塑成形工艺(RTM)制备出碳纤维/环氧树脂缝合复合材料。通过端部开口弯曲试验(ENF)方法,研究缝合复合材料的Ⅱ型层间断裂韧性及缝合密度对缝合复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明:缝合技术可有效地提高复合材料Ⅱ层间断裂韧性,缝合密度越大,层间增韧效果越显著,缝合密度为2.5mm×2.5mm时,GⅡC增量最大达到212%。同时,对试样的断口形貌进行了讨论,发现缝合线改变了复合材料的破坏模式。

树脂基体中热塑性树脂含量对碳纤维环氧复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响

制备了国产CCF800H碳纤维增强环氧树脂基复合材料,通过调控环氧树脂中的热塑性增韧树脂含量,探索热塑性树脂增韧颗粒含量对复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响,结果表明,在碳纤维对增韧剂颗粒的过滤效应下,热塑性树脂增韧颗粒会在复合材料层间富集,并且随着热塑性树脂增韧剂含量增加,复合材料层间厚度增大。随热塑性树脂增韧剂含量增加,在层间树脂基体韧性及层间高韧树脂厚度增大的共同作用下,复合材料Ⅱ型层间断裂韧性逐步提升。

平纹织物结构对织物增强复合材料层间断裂韧性影响的研究

本文采用粘贴片式双悬臂梁(DCB)试件和端部切口弯曲(ENF)试件研究了平纹织物的经纬纱密度对玻璃平纹织物/环氧树脂复合材料的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性的影响。实验结果表明织物的密度对层间断裂韧性有显著的影响。提出了在织物增强复合材料层合板中,基体在织物孔洞中形成层间铆接,并且就其与层间G_(IC)和G_(IC)的关系进行了研究。

风电叶片大梁用拉挤板复合组件Ⅰ型层间断裂韧性测试研究

通过两种方法制备了风电叶片大梁用拉挤板复合组件Ⅰ型层间断裂韧性试样即双悬臂梁(double cantilever beam,DCB)试样,并依据ASTM D5528进行试验,研究分析其断裂行为。实验结果表明,直接采用树脂进行复合的DCB试样会因内聚破坏和界面破坏的相互转换而导致非稳定扩展,进而使得应变能释放率迅速下降。含有导流织物的DCB试样其裂纹扩展较为稳定,匹配性较好导流织物可以提高Ⅰ型层间断裂韧性(GIC)。采用有限元平台的内聚力模型(cohesive zone model,CZM)模拟含有导流织物试样的裂纹扩展过程,结果表明内聚力模型模拟结果与试验的一致性较好。在裂纹起始扩展阶段,界面增韧作用越强,对模拟影响越大,但当裂纹稳定扩展之后,界面的增韧作用基本不对内聚力模型模拟产生影响。