三维机织夹芯复合材料的制备与压缩性能研究

以玻璃纤维为原料,采用2个系统经纱(一个为上下表层经纱,另一个为夹芯层经纱)、1个系统纬纱,在SU111型全自动剑杆织机上制织经向截面为"口"字形的新型三维夹芯织物。以环氧树脂E-44与9055型固化剂为基体体系,采用手糊成型工艺将上述机织物复合制成三维机织夹芯复合材料。研究三维机织夹芯复合材料的压缩性能,分析材料结构与压缩性能之间的关系,并与"8"字形中空复合材料进行比较。结果表明,芯材间距为5mm的"8"字形中空复合材料的压缩强度高于芯材间距为25mm的三维机织夹芯复合材料,但是后者的弹性模量高于前者。实验结果对该类结构材料的优化设计与力学性能研究具有极其重要的指导价值。

三维机织复合材料的连接性能与失效机制

为了研究织物结构对三维机织复合材料连接性能的影响,设计了多层多向机织结构和层联机织结构复合材料,建立了开孔连接结构宏细观耦合分析模型,揭示了三维机织复合材料连接失效机制。研究表明:±45°纱所占的比例对复合材料机械连接的挤压强度具有重要影响,±45°纱线的引入,可以提高承载纱线的含量,能够有效改善孔边的应力集中现象;多层多向机织复合材料主要发生0°纱、90°纱和斜向纱的横纵向的损伤,损伤最初发生在孔边并逐渐扩展且呈对称分布,载荷的传递方向和损伤的传播方向呈现角度的特征。

三维角联锁机织铺层复合材料的开孔拉伸性能

为了研究孔径对三维角联锁机织铺层复合材料拉伸性能的影响,制备了三种不同孔径的三维角联锁机织铺层复合材料并测试了其拉伸性能,并利用非接触全场应变测试系统和显微图像分析技术对复合材料进行了表征。结果表明,在拉伸过程中应变集中区域从孔的周边过渡到左右两侧,应变累计变化速率随着孔径的增大而增大。相比于开孔前样品,6、10、14 mm三种孔径样品的拉伸强度分别下降了23.13%、44.47%、50.08%,开孔试件的模量分别下降了16.92%、14.93%、22.25%。拉伸破坏包含纱线断裂、纤维拔出、界面脱粘等形式,其中较大孔径(14 mm)条件下,断口处分层破坏现象不显著。

结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响

为了研究三维机织结构参数与复合材料力学性能之间的关系,设计织造了4种不同结构的三维机织物,包括浅交直联、层层角联锁、接结纬接结和接结纬接结+衬纬纱结构,并分别将其制备成复合材料,通过材料试验机探究所得复合材料的结构参数对拉伸、剪切性能的影响。结果表明:纤维体积分数相同时,纱线的屈曲和纱线交织结构决定了复合材料的拉伸性能及尺寸稳定性。经向上,浅交直联结构复合材料拉伸性能和尺寸稳定性最佳,经纱屈曲大的接结纬接结+衬纬纱结构复合材料拉伸性能和尺寸稳定性最差;纬向上,接结纬接结结构复合材料拉伸性能和离散性最差。对比2个方向的拉伸性能发现,复合材料的纬向拉伸性能远远优于经向拉伸性能。织物的交织结构决定了剪切性能及尺寸稳定性,浅交直联复合材料的结构紧密,剪切模量最大,接结纬接结复合材料的结构疏松,剪切模量最小,而剪切强度几乎呈相反的规律。该研究明确了纤维体积分数、纱线屈曲程度、织物交织结构等结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响,为三维机织复合材料的研究和应用提供了参考。

三维织物复合材料高速冲击性能和损伤机制研究

三维织物复合材料在航空航天抗冲击结构领域有较好的应用潜力。本文采用钛合金圆柱弹和三维织物复合材料平板开展了30余次直线打靶试验,弹体速度范围为160~280 m/s,获得了弹回、嵌入、贯穿等不同的冲击试验结果和复合材料靶板损伤形式,根据试验结果分析了三维四向编织、三维五向编织、三维正交机织三种不同结构复合材料的冲击性能和损伤机制,并进行了对比差异分析。研究发现三种结构靶板受弹体冲击后损伤情况类似,撞击点局部出现纤维断裂拔出和基体开裂,三种结构均没有出现分层。三维四向编织结构损伤区域呈锐角十字形,损伤扩展沿编织方向;三维五向编织结构和三维正交机织结构损伤区域呈菱形,损伤扩展沿90°和0°方向。比较本文三种结构平板试验件,发现三维正交机织结构拥有最高的弹道极限,并且损伤区域面积最小。

纬向V形机织间隔复合材料压缩性能有限元分析

探究了纬向V形机织间隔复合材料在平压和侧压载荷下的失效机制及破坏模式。采用ABAQUS软件建立复合材料多尺度单胞模型,并设置周期性边界条件。针对纤维束进行弹性性能分析,预测宏观材料弹性常数。利用Fortran语言对UMAT子程序进行二次开发,引入三维Hashin损伤判据和Camanho刚度退化方案,实现对纬向V形三维机织间隔复合材料的渐进损伤分析。结果表明,模拟结果与试验结果相符。在平压载荷作用下,弯曲振幅较大的V形绒经组先发生断裂,振幅小的绒经组后断裂,出现二次峰值载荷。绒经与纬纱交织处和绒经屈曲处出现应力集中,断裂位置集中在绒经屈曲最大处和与面板衔接处,面板无明显破损;在侧压载荷作用下,树脂面板与树脂内纱线为承力主体,面层纬纱承压较大,而间隔层绒经承压较小。断裂主要发生在两排V形绒经之间,失效模式为树脂渐进式破损、纤维脱黏与纱线断裂。

三维整体夹芯机织复合材料的抗冲击与能量吸收性能

采用落锤冲击测试方法对几种类型3D整体夹芯机织复合材料板材的抗冲击性能进行测试,将测试结果与2D机织层合板、典型3D机织复合材料的抗冲击性能进行比较,分析影响复合材料抗冲击性能的因素。最后采用SEM分析试样的破坏过程与损伤机理。结果表明:当承受相同的冲击力时,具有合适夹芯结构的材料质量要比典型的三维机织复合材料板材轻的多,即可以满足工程上对结构体本身轻质、高强度性能及能量吸收能量的要求;接结方式的不同将影响复合材料板材的抗冲击性能,贯穿接结复合材料的抗冲击性能优于分层接结的复合材料;复合材料的抗冲击性能将随着增强纤维拉伸强度的增大而增大;在落锤冲击条件下,预制件经、纬纱的织造密度对三维整体夹芯机织复合材料板材的抗冲击性能影响很大。

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。

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。

三维正交机织复合材料在重复低速冲击下的有限元仿真

为了建立碳纤维三维正交机织复合材料(3DOWCs)在重复低速冲击下的有限元仿真,本工作将仿真与实验进行比较,以验证仿真的有效性。通过在自制的3D机织机上制造了3DOWCs板件,并对其进行50 J重复低速冲击试验,获得断裂形貌与力学曲线。使用多步骤方法模拟重复冲击的试验,冲击过程中引入重启动技术与人工阻尼。建立了多尺度的有限元模型,并将增强丝束材料属性与损伤模式集成至ABAQUS/Explicit用户定义材料子程序(VUMAT)中,3DOWCs损伤模型包含基于位移的失效模型与三维Hashin失效准则,以模拟3DOWCs在重复低速冲击载荷的损伤演化。使用对称边界条件,建立了1/4有限元模型,以减少计算成本。与实验结果相比,首次冲击的力学曲线、三次冲击的峰值力、损伤分布的连续性验证了该模型的有效性。

新型三维织物夹芯复合材料的制备及其力学性能

以玻璃纤维为原料,采用特殊的三维织造工艺,织制经向剖面为矩形的新型三维夹芯织物。以环氧树脂E-51、9055型固化剂组成树脂基体体系,采用手糊成型工艺将上述机织物复合制成三维织物夹芯复合材料。对高度为10、20及30 mm的三维织物夹芯复合材料的力学性能进行研究,重点分析夹芯层高度对材料压缩与弯曲性能的影响。结果表明:随着夹芯层高度的增加,材料的压缩强度与模量逐渐下降,弯曲强度逐渐上升,弯曲模量逐渐下降,其中纬向弯曲强度明显大于经向。

三维机织空芯结构复合材料的研究

众所周知，二维织物增强的复合材料有层间强度差的问题，为从根本上提高其损伤害限和可靠性，就需要提高材料厚度方向的整体性，三维机织空芯预制件应运而生。本文通过大量理论研究与织造实践，论述了三维机织空芯织物的整体织造技术、结构设计及复合工艺，为批量化生产奠定了基础。

树脂基体种类对三维中空夹芯织物复合材料力学性能影响的研究

以不饱和树脂和环氧树脂为基体,与三维中空织物分别复合成中空夹芯织物复合材料,利用万能材料试验机分别对2种复合材料的拉伸、压缩和弯曲性能进行测试,研究了树脂种类对复合材料力学性能的影响规律。结果表明:不饱和树脂与固化剂质量比为100∶2,固化温度为70℃时,复合材料具有最佳的拉伸、弯曲和压缩性能。环氧树脂基复合材料的弯曲和压缩性能远优于不饱和树脂基复合材料,而拉伸性能则相差不大。

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。

三维夹芯层连织物增强体复合材料机舱罩和导流罩

江苏常州伯龙三维复合材料有限公司和北京航空航天大学共同研制出了风力发电配套产品——三维夹芯层连织物增强体复合材料机舱罩和导流罩。该产品具有质量轻、整体刚度好、抗振吸能、成型工艺简单及成本较低等优点．整体技术达到了国际领先水平。

拉伸载荷下正交三向机织复合材料接头失效多尺度渐进损伤分析

针对机械打孔三维机织复合材料耳片接头的单轴拉伸破坏性能,采用多尺度分析方法研究孔边纱线破坏过程。结果表明,正交三向(ORT)机织复合材料接头孔边的连续的经纱出现大量的纵向损伤;纬纱单元出现大量横向损伤,损伤沿着孔边45°方向逐渐扩展,纬纱发生剪切失效,最终接头的损伤形式为剪切破坏。数值模拟和试验结果的误差为1.14%,验证了多尺度有限元仿真方法的正确性。孔边细观区域的纱线损伤从孔边扩展到边接头边缘。孔边纱线的分布位置不同,纱线的破坏形式虽不一样,但是不影响破坏的扩展趋势。