随机多孔碳纤维纸的非线性面外压缩本构模型

多孔碳纤维纸由随机分布的碳纤维构成,常用于燃料电池、发热材料等先进结构,其主要服役状态为面外压缩。碳纤维纸的压缩应变对其力学、热学、电学性能均有显著影响,因此迫切需要揭示其面外压缩本构关系。该文针对碳纤维纸微结构随机多孔的特点,提出了2种非线性面外压缩本构模型,分别是考虑赫兹接触影响的对数型模型和考虑孔隙率和单胞尺寸的幂函数型模型。基于3种商品化碳纤维纸的应力-应变实验数据,将该文提出的两种模型与传统的线性模型进行分析对比,并讨论了有、无额外有机物对碳纤维纸力学性能的影响。结果表明:碳纤维纸中的额外有机物对其应力-应变关系有比较明显的影响,全面考虑接触变形、弯曲变形与孔隙率变化的对数型本构模型具有较好的鲁棒性,适用范围较广;幂函数型本构模型能够较准确地预测有机物含量较低的碳纤维纸的应力-应变关系;传统的线性本构模型对各种碳纤维纸的预测均有较大的误差,该文提出的两种非线性本构模型对碳纤维纸具有较好的适用性,可以反映碳纤维纸的非线性应力-应变关系。

具有Kevlar短纤维界面增韧的碳纤维/铝蜂窝夹芯板冲击后压缩性能

碳纤维夹芯板受到冲击载荷后易发生分层损伤,在工程应用中严重影响结构安全。首先对碳纤维/铝蜂窝夹芯板界面进行Kevlar短纤维增韧设计;其次对比研究了Kevlar短纤维界面增韧及未增韧夹芯板的低速冲击行为和冲击后压缩行为,将其冲击后剩余压缩强度、能量吸收及破坏模式进行对比;最后运用数字图像相关技术(DIC)获取增韧及未增韧试件在冲击后压缩过程中的应变云图。结果表明:低速冲击过程中,Kevlar短纤维增韧可以有效提高碳纤维/铝蜂窝夹芯板的冲击损伤阻抗,增韧试件的临界损伤阈值载荷明显高于未增韧试件;相比于未增韧试件,4种冲击能量下增韧试件的冲击后剩余压缩强度(CAI)值分别提高了2.68%、9.24%、4.65%、11.13%,能量吸收分别提高了69.09%、52.88%、55.03%、101.70%;对碳纤维/铝蜂窝夹芯板冲击后压缩过程中的DIC观测,进一步验证了芳纶短纤维对界面的增韧效果,并揭示了增韧界面对结构的增强机制。

芳纶纤维增韧碳纤维增强环氧树脂复合材料-铝蜂窝夹芯结构界面性能和增韧机制

研究了低密度芳纶短纤维(AF)对碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)-铝蜂窝夹芯结构的界面增韧效果和增韧机制。制备了复合材料夹芯梁,将6 mm长度的AF制成絮状纤维薄层用于夹芯梁界面层的增韧,并采用非对称双悬臂梁实验对增韧和未增韧夹芯梁进行了界面断裂韧性的测量。相比于未增韧夹芯梁试件,增韧试件的平均临界能量释放率提高了91%,平均临界载荷提高了55%,而引入AF增韧层仅使夹芯梁质量提升了0.36%,显示本文方法具有良好的增韧效果与效率。使用SEM观察了夹芯梁界面的断面形貌与特征,微观观测结果显示,在界面裂纹扩展的过程中,AF一方面在面板与芯体之间形成桥联微结构,通过纤维拔出、纤维剥离、纤维断裂等行为,提高界面裂纹扩展的耗散能与临界载荷。另一方面,在蜂窝壁板周围的树脂"圆角"富余区,AF还能提高树脂与蜂窝壁板的粘结性能,避免蜂窝壁板因与面板接触面积过小而发生拔出。本文定量地测量了AF对CF/EP-铝蜂窝界面的宏观增韧效果,并阐释了其微观增韧机制,相关发现可为提高复合材料夹芯结构的安全性和可靠性提供指导。