连续SiCf/TC17复合材料室温偏轴拉伸性能研究

采用磁控溅射法结合热等静压工艺制备SiCf/TC17复合材料,通过SEM观察试样的断口形貌,研究了复合材料在室温的偏轴拉伸性能及断裂机制。结果表明:纤维偏轴角度在0°~2°间,复合材料轴向性能变化较小,拉伸强度稳定在1960~1987 MPa;纤维偏轴角度再增大时(>2°),材料拉伸强度近似呈单调线性降低,由1870 MPa降至1797 MPa。纤维偏轴角度较小时(≤2°),平坦区基体与纤维断裂面平整,且两者的断裂面平行。纤维/基体界面没有明显的脱粘破碎迹象;纤维偏轴角度较大时(>2°),部分纤维存在“斜切断裂”,纤维拔出距离变长,且不再与基体的断裂面保持在同一平面,基体撕裂损伤严重。依据断口形貌结合局部承载模型,详细论述了SiCf/TC17复合材料两种拉伸失效的断裂过程。纤维偏轴角度较小时(≤2°),裂纹萌生于纤维间距较小的反应层,在界面处钝化或偏转进而形成不同截面的平坦区,当纤维超过承载能力极限,试样整体断裂;纤维偏轴角度较大时(>2°),“拉-剪”耦合效应导致C涂层与反应层间的界面脱粘破碎形成裂纹源,裂纹加速反应层受损或导致界面脱粘致使纤维断裂,当基体及剩余纤维超过承载能力极限,试样整体断裂。

单向热塑性复合材料层压板偏轴拉伸试验及其数值模拟

AS4/PEEK作为一种高性能的热塑性复合材料在航空航天、军事和汽车等领域应用广泛.对不同角度的单向AS4/PEEK层压板进行偏轴拉伸试验,获得了相应的应力-应变曲线、拉伸强度和断裂面角度.在数值模拟中,采用单参数三维塑性模型描述AS4/PEEK的非线性力学行为,模型中的塑性参数使用信任域反射算法得到.结合LaRC05准则和裂纹带理论开发了基于Abaqus的用户材料子程序VUMAT,并将其应用于偏轴拉伸的数值模拟.结果显示该三维弹塑性损伤本构模型能够较准确地模拟AS4/PEEK的塑性效应,且预测的拉伸强度与试验结果吻合良好.本文提出的三维弹塑性损伤模型为热塑性复合材料塑性变形和损伤的综合分析提供了一种准确且有效的方法.

Kapton薄膜偏轴拉伸试验研究

为深入揭示Kapton高分子膜材强度和刚度特征,对其进行7个偏轴角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)下的单轴拉伸试验,获得了材料在各角度下的应力-应变关系、强度和断裂延伸率等数据,推导了相应的弹性模量-应变关系。结果表明:Kapton薄膜为典型的非线性、各向异性材料,整个拉伸过程的应力-应变曲线可以分为3个阶段,即近似弹性段、应变强化段、应力强化段;Kapton膜材强度随偏轴角度的变化表现出“N”形分布规律,异于Tsai-Hill等强度准则的“U”形规律,这是由于膜材内部分子链的择优取向,导致偏轴角度30°时抗拉强度最大,偏轴角度60°时抗拉强度最小;断裂延伸率随偏轴角度的增大呈现出增大的趋势;不同偏轴角度下的弹性模量均有所差异,正交各向异性板的弹性理论可以较好预测Kapton膜材的等效弹性模量;研究所得结论可为Kapton膜材强度、变形预测及相应的充气可展结构设计分析提供参考。

复合材料单向板偏轴拉伸试验方法的研究

通过复合材料单向板的偏轴拉伸试验可以获得材料在拉伸和剪切应力作用下的力学响应,对于研究复合材料的损伤和失效行为有重要意义。研究了聚醚醚酮(PEEK)/碳纤维(CF)单向板偏轴拉伸试件以及加强片的形式。结合理论分析,提出了一种带斜角的加强片形式,并确定了不同偏轴角度下理想的加强片倾斜角度。结合有限元建模分析,对比了不同加强片形式对偏轴拉伸试件的应力场和变形场分布的影响。结果显示,使用方形加强片的试件在偏轴拉伸过程中由于偏轴应力影响,出现应力集中并导致弯曲变形。使用斜形加强片可有效消除试件中的弯矩和应力集中现象。为避免斜形加强片尖端在加载过程中发生脱黏,进一步提出了对斜形加强片尖端进行倒圆角的优化方法,并通过有限元建模分析了优化后加强片附近的应力场分布,与使用未倒角加强片的试件对比发现,对于偏轴角度小于30°的试件,所获得的各方向最大应力相差不大,可采用斜形加强片并倒圆角,以获得更准确的试验数据。该设计有效改善了加强片尖端处的应力集中问题。

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。

GLARE层板偏轴拉伸性能

通过对两种GLARE层板(纤维单向铺层与正交铺层)偏轴拉伸的研究,可以发现,无论偏轴拉伸的角度如何,当铝板屈服后,GLARE层板会从线性阶段进入非线性阶段。单向纤维增强层板,随着偏轴拉伸角θ的增大,极限拉伸强度和硬化指数n都相应明显的减小。单向层板,当偏轴拉伸角θ>15°时,纤维/环氧树脂层横向裂纹在GLARE拉深破坏之前出现。正交层板,14°<θ<76°时,才出现横向裂纹。正交与单向纤维层板破坏的现象不同,破坏机理也不同。

平面三向织物增强橡胶复合材料的偏轴拉伸性能研究

研究了平面三向织物增强橡胶复合材料的偏轴拉伸性能,并与平纹织物增强橡胶复合材料的偏轴拉伸性能进行了对比,同时分析了试样形状(长方形和哑铃形)对织物增强橡胶复合材料的偏轴拉伸的影响。结果表明,平面三向织物增强橡胶复合材料在各个方向的拉伸断裂强度及断裂伸长率变化较小,表现出准各向同性,而平纹织物增强橡胶复合材料则表现为明显的各向异性;哑铃形试样更适合织物增强橡胶复合材料的偏轴拉伸性能测试。

PTFE膜材料的偏轴拉伸性能及破坏机理

为深入把握PTFE膜材料的率相关力学性能及破坏机理,对3种常见的PTFE膜材料进行了偏轴拉伸试验,主要考虑了0°、5°、15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、85°、90°等11个偏轴角度和10、25、50、100、200、500 mm/min等6种拉伸速率,分析了主要力学参数的变化规律,研究了不同拉伸速率下的膜材破坏模式及破坏机理.结果表明:不同拉伸速率下膜材主要力学参数的变化规律比较一致,表现出明显的各向异性;材料的抗拉强度与破坏模式密切相关,随着拉伸速率的增加,抗拉强度逐渐升高,且与拉伸速率的对数呈近似线性关系,这主要与材料应变能及编织结构有关;材料的破坏模式和断裂延伸率受拉伸速率的变化影响不明显.

碳纤维单丝偏轴拉伸力阻效应实验与理论分析

碳纤维在复合材料基体中的分布较大程度地影响了碳纤维智能材料的感知特性,故需在微米尺度下研究多角度偏轴拉伸下的碳纤维单丝的力电功能响应。测试了不同角度拉伸环境下碳纤维单丝的电阻变化,并对其电阻的变化情况进行了分析。结果表明碳纤维单丝在外载荷偏轴拉伸作用下电阻变化与拉伸角度间存在非线性关系。外载荷在纤维方向产生的应变对电阻变化率的作用强于垂直纤维方向应变对电阻变化率的作用,62°拉伸角为正负力阻效应的临界角度。

含孔隙缺陷三维五向编织复合材料偏轴拉伸力学性能分析

针对孔隙缺陷对材料力学性能的重要影响,在材料细观模型中引入随机分布的孔隙缺陷,研究了含孔隙缺陷三维五向编织复合材料的偏轴拉伸力学性能。基于2种典型编织角试件,讨论了孔隙率对材料正轴力学性能的影响,通过与实验数据对比,确定了材料的孔隙率。结合周期性边界条件施加偏轴拉伸载荷,获取了不同偏轴角度下材料的应力-应变曲线,并预测了材料的强度性能。模拟了典型偏轴角度下材料的细观损伤起始、演化过程,分析了材料的失效机理,为其他复合材料结构孔隙缺陷问题及偏轴载荷问题数值分析提供了一定的参考。

短玻璃纤维增强PA66的偏轴拉伸模量和强度研究

对含30%质量分数短玻璃纤维注塑增强PA66材料,按照与注塑方向成0°、30°、45°、60°和90°裁取试验件,进行偏轴拉伸试验,得到了5组试验件的载荷-位移曲线、拉伸模量和拉伸强度。应用45°偏轴拉伸测定了材料的剪切弹性模量。通过对偏轴拉伸模量和强度对比,以及应用复合材料计算剪切模量的结果对比应用各向同性计算的结果,证明了短纤维复合材料并不能当做传统各向同性材料来处理分析,是具有各向异性的材料。分析表明,连续纤维偏轴拉伸模量计算方法对于短纤维复合材料仍然适用,蔡-希尔失效判据也能较好的适用于这种材料。从试验结果和偏轴模量以及强度计算发现,60°是最差承载角。

铺层参数对混杂复合材料偏轴拉伸性能影响

研究了铺层参数对纤维增强塑料排烟筒内衬偏轴拉伸性能的影响,从而为施工提供相应的数据支持。采用单向玻璃纤维布(U)/短切玻璃纤维毡(C)/乙烯基酯树脂制备层合板。设计7种不同的铺层结构:[U/U/C]、[U/U/C]2、[U/U/C]3、[U/U/C]4、[C/U/U/U/U/C]、[U/C/U/U/C/U]、[U/U/C/C/U/U],[U/U/C]为基本结构单元,[U/U/C]2、[U/U/C]3、[U/U/C]4分别为基本结构单元[U/U/C]的2叠加结构、3叠加结构和4叠加结构。采用手糊成型的方法制备板材,分别研究了基本结构单元的叠加数以及铺层顺序对7种铺层结构的偏轴拉伸性能的影响。结果表明:随着偏轴角度的增加,7种铺层结构强度逐渐下降,7种铺层结构在偏轴角度为15°时的强度相对于0°强度分别下降了49.58%、37.00%、25.98%、25.24%、40.33%、40.93%、38.80%,纤维增强塑料排烟筒内衬施工过程中造成的偏角应控制在15°以内。随着基本结构单元循环次数增加,[U/U/C]、[U/U/C]2、[U/U/C]3、[U/U/C]4四种铺层结构在0°方向的强度没有明显差异,在15°~90°偏角范围内,偏轴拉伸强度逐渐增加;[C/U/U/U/U/C]、[U/C/U/U/C/U]、[U/U/C/C/U/U]三种对称层合板在0°方向的强度比非对称[U/U/C]2提高了13.43%、25.73%和27.84%;适当增加纤维增强塑料排烟筒内衬基本结构单元数和采用对称铺层可提高偏轴强度。

广角机织物的织造工艺及其偏轴拉伸力学性能

为开发适用于不同应用领域的产业用纺织品,在对原有普通剑杆织机改进的基础上,探讨了广角机织物的织造工艺,织造了经纱和纬纱夹角为120°的涤/棉平纹广角机织物。借助万能材料试验机研究了普通涤/棉正交织物和广角机织物不同偏轴方向的拉伸力学性能,获得了其应力-应变曲线和特征值变化规律,并分析了其变形及失效模式。结果表明:对于普通正交机织物和广角机织物,其拉伸断裂强力均呈现出明显的极轴特性;在断裂强力相同的情况下,与普通正交机织物相比,广角机织物纬向的断裂伸长率提高了30%,经、纬向弹性模量分别提高了42%和79%,展现出优异的强度和变形特征。

竹束杨木单板复合板偏轴拉伸力学性能研究

为了研究结构用板材——竹束杨木复合板在偏轴拉伸条件下的性能,采用与主纤维方向成0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°共7种角度试样进行拉伸试验,得到7组试验的破坏模式、荷载-位移曲线、拉伸模量和强度。基于Hankinsion公式和Transformation law公式分析了竹束杨木复合板的偏轴模量,基于Hankinsion公式、最大应力(Maximum stress)理论、蔡-希尔(Tsai-Hill)强度理论和双曲线(Hyperbolic)公式对复合板材的拉伸强度进行分析。结果表明:竹束杨木复合板在偏轴拉伸情况下,主要出现纤维拉断破坏、剪切破坏和横纹拉伸破坏3种破坏模式。竹束杨木复合板的偏轴模量和偏轴强度均在45°时最低。Hankinsion公式和Transformation law公式均在不同程度上高估了竹束杨木复合板的偏轴拉伸模量,最大应力理论和Tsai-Hill强度理论在一定程度上能够预测这类板材的强度,但存在一定的差异,而改进的Hankinsion公式更能准确地预测竹束杨木复合板的偏轴拉伸模量和强度。

木基缠绕管用复合板带偏轴拉伸力学性能研究

为了研究木基缠绕管用复合板带的偏轴力学性能,按照与复合板带较厚层的顺纹方向成0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°制备试样进行拉伸试验,根据是否添加纤维布得到了2种复合板带各7种破坏形式、应力-应变曲线、泊松比、弹性模量和拉伸强度。通过数值拟合、Transformation law公式、Hankinsion公式、最大应力强度准则以及蔡-希尔强度准则对板带力学性能进行分析预测。结果表明:复合板带的破坏形式主要为单板顺纹方向的纤维拉断和横纹方向的剪切破坏,纤维布的加入加剧了剪切破坏;在偏轴应力下,0°到90°复合板带试样的承载力、弹性模量和拉伸强度随偏轴角的增大呈先降低再增大的变化规律,且在47°下取得最低值;泊松比随偏轴角的增大呈先增大后降低的变化规律。未加纤维布复合板带的弹性模量可以通过Transformation law公式准确预测;泊松比可以通过数值拟合的二次函数准确预测;拉伸强度可以通过蔡-希尔强度准则预测。而纤维布加入到复合板带中,会使其受偏轴拉伸载荷时的应力-应变更加复杂,力学性能的试验值与预测结果误差较大。

用广义胞元法研究弱界面复合材料偏轴拉伸强度

本文用广义胞元法结合应力集中系数模型,从细观、宏观力学结合的角度,预测了弱界面复合材料偏轴拉伸强度值.用广义胞元法/高精度广义胞元法计算复合材料开裂前和开裂后的应力场,引入基体应力集中系数以得到基体真实应力.在计算真实应力时根据宏观试验现象考量是否对界面开裂后的复合材料进行刚度衰减,最终形成4种方案计算出复合材料的偏轴拉伸强度.通过对比芳纶纤维和亚麻纤维两种弱界面复合材料的偏轴拉伸强度试验值,找到了最可靠的预报方案并具有良好的预报精度.

偏轴拉伸测定复合材料剪切特性的研究

本文通过对偏轴拉伸下破坏特点的分析,说明在特定最优偏轴角下的偏轴拉伸破坏十分接近于纯剪破坏,提出了测定完整(ι12～γ12)曲线的最优偏轴角拉伸试验方法。它概括了Chamis和Sinclair([1]-[3]的10°偏轴和Rosen[4]的45°偏轴拉伸方法,使偏轴拉伸法更完善并具有更普遍的意义。通过对1:1玻璃布/环氧、4:1玻璃布/环氧、7:1玻璃布/环氧三种玻璃钢的偏轴拉伸试验,得到与理论分析相当一致的结果,验证了这一方法的可靠性。

对偏轴拉伸试验测量囊体材料剪切模量的理论分析

囊体是飞艇结构的主要部件,在飞艇的研制过程中,需要确定囊体材料剪切模量,以对飞艇结构完整性分析提供依据。偏轴拉伸试验是一种常用的测量材料剪切模量的方法。文章基于复合材料弹性矩阵,对该方法进行理论分析。

偏轴载荷下连续SiC纤维增强钛基复合材料的拉伸行为研究

连续SiC纤维增强钛基(SiCf/Ti)复合材料是未来高性能动力装置的关键材料之一。针对SiCf/Ti复合材料中纤维与试样轴向载荷常存在一定偏轴角度的问题,通过室温拉伸、有限元模拟和断口表征研究了偏轴角度对SiCf/TC17复合材料力学性能和失效机理的影响。根据SiCf/TC17复合材料力学性能、断口形貌和应力分布可以定义一个临界偏轴角度,其数值约为1°。结果表明,随偏轴角度的增加,复合材料试样的抗拉强度下降,且当偏轴角度超过临界值时,抗拉强度下降速率增加。复合材料的失效机制与偏轴角度相关,当偏轴角度小于临界值时,试样断口由数个平坦的断面组成,纤维拔出和界面开裂程度都较低,纤维断面基本垂直于轴线,为典型的正应力断裂形貌;当偏轴角度大于临界值时,断口的起伏程度增加,纤维拔出和界面开裂现象都更加明显,部分纤维开始出现剪切断裂,表明拉剪耦合在断裂中起到重要作用。因此,对于SiCf/TC17复合材料轴向试样而言,应将纤维与试样整体的偏轴角度控制在临界值内,以获得有效的性能测试数据。

基于声发射技术的T800碳纤维复合材料拉伸失效机制分析

为揭示固体火箭发动机碳纤维缠绕复合材料壳体多载荷工况下的失效机理,开展了单向T800碳纤维复合材料试件不同偏轴角度下的拉伸实验。利用声发射(AE)无损测试技术获得了试件完整波形信号,结合Pearson相关系数选取了AE信号的特征参数,通过K-means聚类算法对AE信号进行了聚类分析,同时结合扫描电镜(SEM)拍摄的微观断口形貌将不同的损伤机制与声发射聚类组对应。进一步利用代表性体积单元并结合渐进损伤方法,实现了单向复合材料损伤过程的数值模拟。分析结果表明,AE信号的峰值频率与幅值两类参数的相关系数低于0.2。采用二者对AE信号进行聚类分析,同时结合数值仿真获得的应力-应变曲线,发现纤维断裂峰值频率最高,基体开裂峰值频率居中,界面脱粘峰值频率最低,试件宏观破坏时的AE信号幅值最高。