三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料热氧老化的强度降解机制

三维机织复合材料热氧老化强度降解机制对复合材料的安全性和耐久性设计至关重要。采用“基体收缩”二步法结合高速摄影记录冲击压缩变形过程和micro-CT表征冲击内部损伤形态,研究三维角联锁机织复合材料老化前后的冲击压缩行为,揭示热氧老化的强度降解机制。研究发现,老化复合材料表面产生的界面裂纹随老化时间增加持续变宽。老化复合材料的冲击压缩性能随老化时间增加逐渐下降,其压缩模量在老化32 d后下降了16.6%,老化复合材料中树脂基体热氧降解和界面脱粘共同作用阻碍了应力波从树脂到纱线的传递导致纱线断裂时间提前,破坏形态更严重。同时,老化裂纹会影响剪切裂纹的扩展路径导致剪切带更宽、损伤更严重,使老化复合材料的冲击压缩性能严重下降,但不会改变冲击压缩45°剪切破坏模式。研究结果为复合材料在热氧环境长期服役的冲击工程制造提供了理论依据。

三维机织复合材料曲板固化变形研究

建立了考虑非均匀温度场影响的复合材料曲板残余应力和固化变形的有限元预测模型,模拟了三维机织复合材料曲板的RTM成型过程,分析了成型过程中曲板温度、固化度及内应力的分布与变化。结果表明,在成型过程中曲板会形成非均匀的温度场和内应力场。温度场的均匀性对曲板变形有较大的影响,若不考虑非均匀温度场的影响会使误差增大10%~15%。使用RTM工艺制备了三维机织复合材料曲板并采用热电偶对成型过程中曲板内部的温度进行监测,利用工业光学扫描仪对曲板的固化变形进行测量。预测结果与实验结果吻合较好,验证了所建立数值模型的准确性,同时还分析了固化温度和厚度对固化变形的影响。

界面层对三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料断裂韧性的影响

为探究界面层对SiC_(f)/SiC复合材料性能的影响,选用国产第3代SiC纤维,通过先驱体浸渍裂解工艺制备了热解碳(PyC)、热解碳/碳化硅(PyC/SiC)、氮化硼(BN)、氮化硼/碳化硅(BN/SiC)4种界面层的三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料。在此基础上,结合声发射技术对复合材料进行常温断裂韧性测试,并利用扫描电镜对其细观损伤模式进行评价。结果表明:界面层对三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料的断裂强度和断裂韧性有强决定作用,但对其初始模量没有太大的影响;以PyC层为主界面层的试样具有良好的断裂韧性,试样P-SiC_(f)/SiC和P/S-SiC_(f)/SiC的断裂韧性分别为13.99和16.93 MPa·m^(1/2),而试样B-SiC_(f)/SiC表现出强界面结合,具有最低断裂韧性6.47 MPa·m^(1/2);但在界面引入SiC层后,试样B/S-SiC_(f)/SiC的断裂韧性显著提高至15.81 MPa·m^(1/2);声发射能量和撞击数可完整描述SiC_(f)/SiC复合材料的实时损伤过程。

三维机织复合材料弹道冲击试验研究

先进复合材料具有高比强度、高比模量等优点,是航空发动机应用研究的热点。本文通过弹道冲击试验研究三维机织复合材料平板在高速物体冲击下的损伤失效机制及其力学行为,采用高速相机记录下了靶板受冲击损伤变化过程,分析了不同速度对三维机织复合材料平板损伤形貌的影响。试验结果表明,三维机织复合材料具有优异的抗裂纹萌生和扩展性,冲击表面的主要破坏模式是纤维剪切破坏和基体破碎,在出口表面主要破坏模式是纤维拉伸断裂和基体开裂。本研究可用于支撑验证碳纤维增强树脂基复合材料包容性,为航空发动机复合材料机匣研制提供基础。

预定型弯曲柱纱三维机织间隔复合材料的压缩性能

为探究柱纱弯曲程度对三维机织间隔复合材料(3DWSC)压缩稳定性的影响,采用手糊成型工艺将环氧树脂与三维机织间隔织物进行复合,并在其固化成型前对材料进行压缩预定型,制备了4种不同厚度即4种柱纱弯曲程度的三维机织间隔复合材料。探究了柱纱弯曲程度对3DWSC平压性能、平压破坏模式及疲劳性能的影响。结果表明,随着柱纱弯曲程度的增大,3DWSC的平压强度先降低后提升,柱纱的破坏模式由脆性断裂和失稳逐渐转变为屈服破坏,3DWSC的疲劳性能下降。

基于虚拟紧凑集束模型的三维机织复合材料弹性常数预测方法

三维机织复合材料弹性常数的准确预测依赖于建立高保真的单胞几何模型。本文通过建立紧凑型三维机织复合材料虚拟集束模型,采用应力松弛计算方法,获得了三维机织预制体实际织造后的纤维束形态。采用压实分析模拟预制体进入模具后受压状态,获得准确的表面单胞状态。最后建立了梁单元模型到实体单元模型的映射算法,建立了含树脂基体的三维机织复合材料单胞实体单元有限元模型。利用纤维线密度换算获得预制体纤维束的真实纤维体积含量,对机织复合材料单胞施加周期性边界条件后,通过计算获得三维机织复合材料的弹性常数。研究结果表明,本文提出的虚拟紧凑集束模型能准确模拟预制体纤维束横截面形态,预测的机织复合材料等效弹性常数与试验结果吻合较好。

经纱织造张力对碳纤维增强三维机织复合材料力学性能的影响研究

三维机织预制体生产过程中,经纱张力控制对预制体织造及复合材料性能有至关重要的影响,选择最佳经纱织造张力可以有效提高三维机织复合材料质量。文章研究了不同经纱织造张力对三维机织预制体及三维机织复合材料性能的影响,结果显示:经纱织造张力越大,在机织造过程中经纱的磨损就较大,预制体面密度越大。当经纱织造张力为150 gf时,织造的预制体对应的复合材料经向拉伸强度最大,但经纱织造张力对其经向压缩性能几乎没有影响。

碳纤维三维机织预制体在线自动检测系统的应用

通过设计3种表面纹路相似的不同组织结构、不同纬密的碳纤维三维机织预制体,在其织造过程中应用视觉检测系统对预制体进行在线实时监测,验证图像识别技术在碳纤维三维机织预制体织造过程中纬密检测的精确度及稳定性。

三维机织复合材料力学性能研究进展

三维机织复合材料具有结构可设计性强、复杂构件整体近净成型、冲击损伤容限高等优点,成为航空航天领域新材料研制关注的重点。近年来,三维机织复合材料的结构设计、细观建模、性能分析等得到了快速的发展,并取得了实质性成果。多轴向机织结构的开发,精细化建模研究,自动化连续生产是三维机织复合材料的发展趋势。本文介绍了典型的三维机织预制体的结构特点,对比分析了不同预制体结构的三维机织复合材料的准静态力学性能,回顾了三维机织复合材料的细观结构建模、理论分析和数值模拟等方面的研究进展,列举了三维机织复合材料在航空航天领域的典型应用,为三维机织复合材料应用研究提供参考。

三维机织间隔织物复合板材结构对其低速冲击性能的影响

采用工业涤纶长丝为原料织造了三维机织间隔织物和普通平纹织物,经过泡沫填充、树脂复合等处理,制成了中空结构复合板材、间隔织物结构复合板材和层合结构复合板材。对这三种不同结构复合板材的冲击性能和冲击后侧压性能进行测试,并计算侧压强度损失率。结果表明:接结纱的应用可以有效地抑制冲击产生的能量释放,聚氨酯泡沫能减少冲击破坏,所以聚氨酯泡沫填充的间隔织物复合板材具有较好的整体性能和抗冲击性能。

三维机织复合材料的结构与材料力学性能的关系

介绍了开发三维机织增强复合材料的目的 ,主要阐述了复合材料的预型件结构及其与力学性能 (纵向拉伸弹性模量 )

基于气缸的三维机织增强体织造系统设计

为在经纱方向引入贯穿织物厚度的接结纱从而提升机织增强复合材料层间性能,以三维正交无卷曲机织增强体为对象,设计了一种窄幅三维机织织造系统。采用气缸作为开口、引纬和打纬的主要驱动部件,实现多重综框的独立开口运动与管状多剑杆机构的多层梭口同时引纬运动,并在可编程控制器上实现各机构协调运作,使经纬纱垂直平铺,接结纱与纬纱交织并贯穿织物起到层间约束作用。通过显微镜观察三维机织增强复合材料各个切面(分别沿经纱、纬纱和接结纱),并测量纱线卷曲度、横截面积、组织单元尺寸等关键几何参数。测量结果表明,这种三维机织系统可实现三维正交无卷曲机织增强体的织造。

三维机织复合材料的力学模型与实验验证

对三维机织复合材料的细观几何结构进行了深入的研究。采用椭圆形纤维束截面假设 ,详细研究了经纱纤维束在织物表面与内部的不同。建立了一种新的三维机织复合材料力学分析模型 ,并对其弹性常数进行了预测。研究了三维机织物的复合成型工艺 ,制作了实验件并进行了性能实验。通过实验值和理论预测值的对比 。

三维机织陶瓷基复合材料的面内剪切性能及损伤研究

采用IOSIPESCU纯剪切试件,考虑纤维的编织结构和失效机理,研究了三维机织碳／碳化硅(C／SiC)复合材料在面内剪切载荷作用下的力学性能和损伤过程．材料具有明显的非线性应力-应变行为和残余变形等特性．材料主要的损伤机制为基体微裂纹开裂,界面脱粘和纤维断裂,其中界面裂纹是材料应力-应变等力学行为的主要影响因素．基于连续介质损伤力学分析方法,提出了简单的损伤演化模型并对损伤演化过程进行了描述．

三维机织间隔复合材料结构对其力学性能的影响

以玻璃纤维为原料,设计3种不同结构的三维机织间隔织物,采用手糊成型工艺制备三维机织间隔复合材料,研究了其在压缩、剪切、弯曲等载荷作用下的力学特性,并分析了材料结构对其力学性能的影响。结果表明,相同高度(20 mm)、相同间隔(30 mm)的3种三维机织间隔复合材料的压缩强度和剪切强度均表现为:三维纤维间隔复合材料<"X"型间隔复合材料<三维织物间隔复合材料,其压缩强度分别为0.52,0.72,1.66 MPa,剪切强度分别为0.22,0.28,0.36 MPa;3种三维机织间隔复合材料的弯曲强度基本相同,均为4.30 MPa左右。

三维机织复合材料的一种梁单元细观力学模型

根据三维机织复合材料中纤维束排列和变形的周期性特点,推导了一种细观梁单元模型。该模型考虑了纤维束的拉(压)弯耦合效应和纤维束之间的相互作用,可以描述纤维束和基体中的细观应力分布,并得到宏观的力学性能。针对一种典型的三维机织复合材料,首先根据编织参数,确定其细观几何结构,取最小周期的一段纤维束作为分析胞元,用上述细观梁单元分析了该段纤维束在面内拉伸荷载下的细观应力分布,计算出平均模量,并用材料试验和细观实体有限元对本模型进行了检验,结果与本文的预测吻合良好。研究表明,拉、弯耦合效应引起的纤维束中的细观弯曲应力同平均轴向应力相比,不可忽略。

三维机织复合材料力学性能研究进展

对近年来关于三维机织复合材料力学性能的研究作了综述和归纳．研究表明，三维机织复合材料的力学性能不仅取决于纤维和基体的性能，而且与三维增强结构形式密切相关．通过对三维机织增强结构的研究，获得了机织复合材料的细观结构和主要力学特征的关系，强调了增强纤维束轴向几何特征和截面形状对材料细观结构的重要影响．试验研究集中于观测机织复合材料的破坏模式，以分析三维机织结构对阻止损伤微裂纹扩展的贡献．理论分析方面较为成熟的研究是三维机织复合材料线弹性力学性能，其研究基础是层板理论模型、取向平均模型和有限元分析模型．而对强度及损伤方面的研究还有待于进一步的工作．本文对当前研究工作中的关键问题进行分析，并就今后的研究工作发表一些看法．

三维机织增强复合材料弹道冲击边缘部分有限元分析

利用有限元软件ABAQUS建立基于三维机织增强复合材料的单胞模型,探讨子弹在三维机织增强复合材料中应力波的传播发生过程,对比分析子弹冲击后边缘部分的实验结果和模拟计算结果,并对三维机织增强复合材料的最终破坏模式与常用层合板进行比较。结果表明:子弹在三维机织增强复合材料中的应力峰值随入射速度的增大而增大,并来回发生反射,弹头从三维机织增强复合材料下表面射出后其增强纱线的断裂较入射上表面粗糙,分层现象在三维机织增强复合材料内部没有发生,而实际观察的破坏孔洞与采用有限元软件模拟后的图形基本吻合。

三维机织结构的几何模型

根据三维机织结构中纱线系统的组成和相应纱线的几何形态,建立了具有普适意义的几何模型,获得了组成三维机织结构各纱线系统在一个结构单元内的纱线长度和取向角,进而计算出纤维体积分数。随后,选择了基于11种不同接结组织的三维机织复合材料试样,测试了试样的纤维体积分数,所得的测试结果与模型输出的预测值有很好的一致性。利用所建立的模型还定量讨论了接结组织对纤维体积分数和取向角的影响。结果表明:分层接结可以提供比正交接结高的纤维体积分数;而正交接结中接结经具有较大的取向,有利于增强三维机织复合材料在厚度方向上的力学性能。

三维机织圆管复合材料拉伸载荷下损伤过程的有限元模拟

在已有三维机织圆管复合材料几何模型的基础上采用三维实体有限元方法,建立细观单胞模型模拟三维机织圆管复合材料在轴向拉伸情况下损伤的起始、扩展、直至最终破坏的全过程。采用改进的树脂传递模塑(Resin transfer moldling,RTM)工艺制作了拉伸试件并进行了相应的试验。计算结果和试验结果吻合良好,均是纬向纱线横向首先产生破坏,并且应力-应变曲线都表现出显著的非线性特征,证明了研究方法的正确性。