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。

Z-pins对层合复合材料非对称分层增韧作用参数分析——Ⅰ型层间韧性

假设纤维Z-pins的桥联力与嵌入厚度成正比,建立适于非对称分层(分层位于层合板厚度方向上的任意位置)的Z-pin细观力学模型并构造相应的Z-pin单元,结合考虑一阶剪切变形的梁单元,建立了用于分析含浅部分层采用Z-pins增韧的双悬臂梁(Double cantilever beam,DCB)有限元模型,并在分层裂纹面上引入接触单元以防止分析过程中2个分层子梁在分层前缘处的相互嵌入。通过数值算例分析了Z-pins对含非对称分层的DCB试件Ⅰ型层间韧性的增强作用。参数分析表明,当分层位置靠近层合板的表面时,Z-pins的增韧作用明显下降,其较薄分层子层的厚度是决定Z-pins对Ⅰ型层间韧性增强效果的关键参数。

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.

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。

静电纺聚氨酯纳米纤维膜对复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响

使用静电纺聚氨酯(TPU)纳米纤维膜作为插层材料,研究其对复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响。结果发现TPU纳米纤维膜插层增韧单向玻璃纤维复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性随膜厚度的增加而增加,112.50μm厚TPU增韧的G_(IC-ini)和G_(IC-prop)达到1.622 kJ/m^(2)和2.587 kJ/m^(2),相对未增韧试样分别提高了467.13%和265.91%;TPU纳米纤维膜对多轴向玻璃纤维、单向碳纤维和缎纹碳纤维复合材料的层间断裂韧性都有很好的提高作用,G_(IC-ini)相对未增韧试样分别提高了135.91%、332.22%和404.27%,G_(IC-prop)相对未增韧试样分别提高了24.27%、197.09%和68.38%。表明TPU插层增韧对单向玻璃纤维复合材料具有最好的改善作用及抵抗层间破坏的能力。

T800/5228A层合板Ⅰ型断裂韧性优化

冷场发射扫描电镜表明,固化5228A/PAEK共混体系发生了反应诱导相分离,相形貌依次经历了海岛-双连续-相反转的演化过程;DMA试验表明,PAEK的引入对5228A基体树脂Tg略有影响,但基本不会改变原有树脂体系的使用温度;T800/5228A经韧化后,在层间内形成了典型的相反转结构,裂纹扩展路径呈现出波纹状,明显区别于原有的光滑平直裂纹路径,Ⅰ型层间断裂韧度(GIC)大幅度提高。

单向纤维增强聚合物基复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的标准试验方法国标与美标的对比分析

本文全面对比分析了单向纤维增强聚合物基复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的标准试验方法国标GB/T 28891-2012和美标ASTM D 5528-01(07)的主要异同点,并对相关规定进行了对比分析。结果表明:国标与美标在环境条件、试样状态调节、试样尺寸要求、试验方法、试验报告等方面有一些区别,二者可相互借鉴完善,并结合更多新材料测试的需求不断更新,考虑复杂试验环境和特殊情况,从而制定更适合我国航空航天工业及高端制造业的单向纤维增强聚合物基复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的标准试验方法标准。

织物增强复合材料层合板I型层间断裂特性

采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性与断裂行为。为了评价测试温度和试样几何尺寸的变化对层间断裂韧性的影响,分别在室温(RT)和液氮温度(77K)条件下对不同尺寸的试样进行了双悬臂梁试验。采用扫描电镜对分层断裂面进行了观察,分析和验证了层间断裂特性。

炭纤维复合材料共固化液体成型工艺及层间性能研究

采用共固化液体成型工艺制备了炭纤维/环氧树脂基复合材料层板,分析了层板的密实和两种树脂的相互扩散情况,采用Ⅰ型层间断裂韧性(能量释放率GⅠC)和短梁抗剪强度研究了共固化液体成型层板的层间性能,并与预浸料成型层板和液体成型层板进行了比较。进一步研究了共固化层板中预浸料/液体成型层界面处的纤维取向对GⅠC的影响。结果表明:所制备的共固化液体成型层板,层内密实程度高、层间富树脂区不明显,预浸料/液体成型层的层间处两种树脂有一定程度的相互扩散;受界面处树脂相互扩散的影响,共固化层板的层间断裂韧性处于预浸料层板、液体成型层板的平均水平,而层板的短梁抗剪强度由性能较低的一方决定;预浸料/液体成型层界面处的纤维取向对GⅠC有明显影响,其中[45/90]的情况有着较高的抵抗开裂和裂纹扩展的能力。

低温环境下测试复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的简易方法

目前ASTM复合材料Ⅰ型层间断裂韧性测试标准需不断观测裂纹扩展长度。然而在低温环境下,裂纹扩展长度不易测量且过程繁琐。为克服这一缺陷,本文采用双柔度法测试复合材料低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性,该方法的步骤与ASTM标准基本相同,但不需观测裂纹扩展长度便能获得低温下Ⅰ型层间断裂韧性。为了验证该方法的可靠性和精度,采用5件碳纤维增强环氧树脂基复合材料双悬臂梁(DCB)试样在-10℃环境下进行Ⅰ型层间裂纹扩展实验,应用ASTM标准所推荐的三种方法及本文的双柔度法进行数据处理获得复合材料Ⅰ型层间断裂韧性。结果表明:ASTM标准的三种方法与双柔度法得到的Ⅰ型层间断裂韧性结果一致,相对差别小于5%,而本文的双柔度法不需测量裂纹扩展长度,因此更简单,为测试低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性提供了一种准确、简单的新方法。

核壳橡胶增韧环氧/玻璃纤维复合材料层压板性能的研究

以核壳橡胶作为环氧树脂增韧剂,制备了一种高温固化环氧基体与玻璃纤维预浸料。结果表明,核壳橡胶用量为5phr时不影响环氧树脂对玻璃纤维的浸渍能力,此时核壳橡胶增韧后环氧/玻璃纤维层压板获得了较好的增韧效果,冲击强度达到278.1kJ/m2,比增韧前提高了20.0%;Ι型层间断裂韧性提高明显,达到982.0J/m2,比增韧前提高了35.4%;径向拉伸强度达到749.5MPa,比增韧前提高了16.5%,拉伸模量没有明显变化;SEM结果表明核壳橡胶增韧基体树脂的破坏断面为典型的韧性破坏,且树脂与玻璃纤维浸润性好、粘接力强。

共聚酯无纺布定型-增韧碳纤维复合材料的制备及力学性能

针对真空辅助树脂灌注工艺(VARI)成型纤维增强复合材料纤维体积含量较低、厚度难以控制、层间韧性较差的问题,将共聚酯无纺布引入碳纤维织物预成型体中,对其进行真空袋热压定型预处理,最后采用VARI工艺制得了碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板。对比研究了共聚酯无纺布改性前后复合材料的厚度变化规律、Ⅰ型层间断裂韧性、短梁剪切性能和三点弯曲性能。结果表明,经共聚酯无纺布改性后层合板的厚度降低,纤维体积含量由改性前的57.9%提高至62.2%,其Ⅰ型层间断裂韧性GⅠC值提高了144.7%,短梁剪切强度和弯曲性能基本持平。Ⅰ型层间断裂韧性提升的主要机制:一是层间断裂面之间的纤维桥联作用;二是层间界面处弥散分布的热塑性颗粒阻碍了裂纹的扩展;三是层间的界面相因发生剪切塑性变形而需耗散额外的断裂能量。

碳纤维增强树脂复合材料-热成型钢超混杂层合板层间力学性能

通过双悬臂梁试验(DCB)研究了金属表面处理和界面插层协同作用对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-热成型钢超混杂层合板层间力学性能的影响。试验结果表明,采用金属表面处理与界面插层协同增韧方案,可以极大地提升层合板的Ⅰ型层间断裂韧性。其中,喷砂/界面胶膜插层试件(GB36#/AF)的Ⅰ型层间断裂韧性相比于脱脂试件提高了343%;喷砂/界面纯树脂插层试件(GB36#/EP)相比于脱脂试件,其Ⅰ型层间断裂韧性提高了129%。并基于内聚区模型对CFRP-热成型钢超混杂层合板分层失效进行了有限元模拟。最后借助激光共聚焦扫描显微镜(LSM)、接触角测量仪(CAG)、扫描电子显微镜(SEM)等对热成型钢表面形貌和试件的断裂面进行了表征并揭示了层间增韧的机制。

基于内联三维网络复合材料自修复实验及数值模拟

通过用热塑性树脂纤维EMAA将铺层好的预浸料沿厚度方向进行缝合及平面方向进行编入,建立起内联三维自修复网络,固化成型之后加工成双悬臂梁(DCB)试件。根据ASTM D5528—01标准测试了试件的Ⅰ型层间断裂韧性。实验结果表明,内联自修复网络层合板的Ⅰ型层间断裂韧性比无自修复网络层合板提高了约116%,自修复后,试件断裂韧性得到很好的恢复,修复效率约为164%。同时,在基于粘聚区的界面单元法基础上,建立了模拟修复剂及树脂基体的双分区粘聚区模型,通过有限元分析方法研究了无修复剂试件、含内联自修复网络试件及自修复后试件的分层裂纹扩展过程,数值结果与实验结果基本吻合,更好地解释了含内联自修复网络试件的层间增韧及自修复机理。

不同无纺布对玻纤/乙烯基酯复合材料力学性能的影响

为了改善玻纤/乙烯基酯(GF/VE)复合材料的层间性能,采用VARI工艺制备层间加入共聚酯(PEs)、聚氨酯(TPU)、聚酰胺(PA)、乙烯-醋酸乙烯基酯(EVA)无纺布的GF/VE复合材料,对其拉伸、弯曲和Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究。结果表明:加入PEs、TPU、PA、EVA无纺布分别使GF/VE复合材料Ⅰ型层间断裂韧性提高了142%、103%、46%、45%;加入TPU无纺布使GF/VE复合材料拉伸强度提升了6.43%,其余分别下降了2.93%、3.72%、28.67%;加入不同无纺布后弯曲强度分别下降了13%、14%、25%、60%。共聚酯和聚氨酯无纺布对GF/VE复合材料的增强、增韧效果优于聚酰胺材料。

Z-pin植入对二维机织复合材料层合板力学性能影响的数值模拟

针对植入Z-pin后的碳纤维增强平纹机织复合材料的微观结构,建立了含Z-pin机织复合材料单层板和层合板的单胞模型。预测了Z-pin直径、分布间隔对单层板的面内纵向拉伸力学性能的影响,发现含有Z-pin的机织复合材料单胞在受面内拉伸时,会在Z-pin附近出现应力集中,单胞首先会在应力集中区域发生失效而导致强度降低。通过三维单胞模型模拟了Z-pin在层合板中拉出脱离的过程,得出了不同Z-pin直径、不同分离层厚度下的拉拔力-位移曲线。建立了用非线性弹簧模拟Z-pin的双悬臂梁(DCB)模型,结合虚拟裂纹闭合技术(VCCT),模拟了含有Z-pin复合材料层合板的Ⅰ型裂纹扩展,结果表明:Z-pin直径越大,分布越密,层合板的等效Ⅰ型应变能释放率GIC越大,且直径越大,GIC随裂纹扩展的波动幅度越大,分布越密,GIC波动的波长越小。

Z-pin植入密度对复合材料壁板力学性能影响的研究

针对植入Z-pin后的碳纤维增强平纹机织复合材料的微观结构,建立了含Z-pin的机织复合材料单层板和层合板的单胞模型。预报了Z-pin直径、面内分布密对单层板的面内纵向拉伸力学性能的影响,得出了含有Z-pin的机织复合材料单胞在受面内拉伸时,会在Z-pin附近出现应力集中,单胞首先会在应力集中区域发生失效而导致强度降低。通过三维单胞模型模拟了Z-pin在层合板中拉出脱离过程,得出了不同Z-pin直径、不同分离层厚度下的拉拔力—位移曲线。建立了用非线性弹簧模拟Z-pin的双悬臂梁模型,结合VCCT裂纹扩展技术,模拟了含有Z-pin复合材料层合板的Ⅰ型裂纹扩展,得出了Z-pin直径越大,分布越密,层合板的等效Ⅰ型应变能量释放率GIC越大,且直径越大使GIC随裂纹扩展的波动幅度越大,分布越密使GIC波动的波长越小。

无人机复合材料壁板Z-pin工艺技术研究

介绍了Z-pin在无人复合材料壁板中的应用及复合材料Z-pin的拉挤工艺,利用热压罐和真空袋压整体Z-pin嵌入工艺,在无人机复合材料层板、板筋结构件、复合材料胶接连接件及泡沫夹层中的应用。对于板件在保持面内抗拉强度的同时,提高无人机复合材料壁板的层间断裂韧性及损伤容限,有效改善了复合材料蒙皮的抗冲击性能。