碳纤维增强树脂基复合材料的层间颗粒增韧技术研究进展

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有高强高模的优点,被广泛应用于汽车、体育、船舶、航空航天等领域,达到了材料轻量化的要求。目前使用较多的树脂基体以环氧树脂(EP)等热固性树脂为代表,普遍存在脆性大、韧性差的问题,导致复合材料层合板容易在层间发生开裂。层间增韧是一种有效的增韧方式,它可以在不改变基体树脂粘度的情况下对特定区域进行增韧,提高材料的断裂韧性。本文介绍了层间断裂模式并总结了层间断裂韧性(ILFT)测试的数据处理方法,总结了聚合物颗粒与无机纳米颗粒(主要是碳纳米管)的颗粒种类、增韧机制、引入方式,并主要通过层间断裂韧性评价了各种颗粒的增韧效果。

BN粒子改性PVDF电纺纤维膜插层增强碳纤维/环氧树脂复合材料层间韧性

针对纤维增强复合材料层压板的分层失效问题,本文提出了一种氮化硼(BN)粒子改性聚偏氟乙烯(PVDF)电纺纤维膜以插层方式增强碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层间断裂韧性的方法。通过超声处理将BN均匀分散于PVDF溶液中,利用静电纺丝方法制备了BN改性PVDF纤维膜(BN&PVDF),作为插层材料被引入碳纤维的层间,采用手工铺设-真空热压法制备BN&PVDF增强CF/EP复合材料层压板(BN&PVDF-CF/EP)。重点研究了BN粒子含量对改性PVDF电纺纤维膜增强CF/EP层间断裂韧性的影响及相关增韧机理。研究结果显示:当BN含量为3.2wt%时,BN&PVDF电纺纤维膜的增韧效果最好,相对于CF/EP,BN&PVDF-CF/EP的Ⅰ型层间断裂韧性提高了129.6%,Ⅱ型层间断裂韧性提高了160.6%;BN粒子引入后,提高了PVDF的拉伸强度和模量;SEM分析显示,BN粒子被部分镶嵌于PVDF纤维上,提高了PVDF纤维表面的粗糙度,增强了PVDF纤维与基体的界面相互作用,引起了更加复杂的增韧形式并提高了PVDF纤维的增韧效果。

碳纤维复合材料层合板的动态力学性能及失效机制

为了进一步明确碳纤维增强复合材料(CFRP)在冲击加载下的动态力学行为,采用电子万能试验机和霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究了铺层方式为[-45°/90°/45°/0°]的CFRP在厚度和面内方向的静/动态力学性能。结果表明,CFRP复合材料主要发生脆性破坏,在不同方向纤维铺层之间相互纠缠,有效支撑基体,可避免材料发生瞬间坍塌失效。受微裂纹扩展和加载速率关系的影响,复合材料呈现出明显的正相关应变率效应,虽然加入了不同铺层纤维,但材料失效破坏仍主要由基体决定。沿厚度方向加载,裂纹主要以沿45°角扩展的剪切破坏为主,断面在剪应力作用下出现了大量纤维的拔出和断裂。沿面内加载方向,纤维间的粘结层发生脆性断裂,与加载方向一致的纤维发生了屈曲失稳,裂纹穿透纤维层导致脱层。

碳纤维复合材料在某舰船推进轴系中的设计研究

针对碳纤维复合材料重量轻、强度大、吸振能力强的特性,以某舰船推进轴系为研究对象,对碳纤维复合材料在推进轴系中的应用进行研究。基于Ansys Workbench的ACP模块对碳纤维复合材料进行铺层建立了碳纤维轴段计算分析模型。通过对不同铺层方案、不同搭接长度、不同连接方法进行分析,研究不同情况下的碳纤维轴段抗扭转与抗拉压能力,寻找碳纤维轴系的设计方案,最后将设计出的碳纤维轴系与纯钢轴进行对比研究,形成碳纤维轴系设计分析流程。研究表明,当碳纤维轴段选用混合连接且搭接长度为160 mm,铺层方式为[(15°/45°/60°/90°/-60°/-45°/-15°);14;]时,能显著提高此推进轴系的抗扭转和抗拉压能力,碳纤维轴系较于普通纯钢轴轴系自重轻,有较好减振能力。所得结果可为后续同类型推进系统的设计与计算校核提供参考。

碳纤维增强Vitrimer环氧树脂复合材料层间修复与热塑成型行为

研究了新型碳纤维增强Vitrimer环氧树脂复合材料(V-CFRP)的层间修复性能和热塑成型工艺,并分析了热压修复与热塑成型机理。结果表明:新型Vitrimer环氧树脂的玻璃化转变温度(T_(g))为92.8℃,其高于T_(g)温度下表现出显著的应力松弛行为,应力松弛时间与温度呈现线性关系;采用三点弯曲实验研究了V-CFRP复合材料的热压修复行为与热塑成型能力,热压修复研究发现在180~220℃,5 MPa条件下热压1.5~2.0 h可实现复合材料层间破坏近乎100%的修复;热压成型研究表明,V-CFRP复合材料在180~220℃预加热5~30 min,其弯曲模量和弯曲强度下降超过80%,弯曲模量的大幅下降意味着V-CFRP适于热压再成型;并采用模塑热压方法,在200℃,5 MPa和2 h热压条件下,实现了V-CFRP板材热塑成型制备具有三维特征的结构件,证明了V-CFRP复合材料的热压模塑成型能力。

机器人化复合材料自动铺层技术综述

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber-reinforced composite,CFRC)因具有轻质高强、耐腐蚀、耐冲击等优越性能,在生产生活中的应用已越来越广泛,然而复材产品的生产制造仍是劳动密集性产业,主要依靠人工.机械臂自上世纪50年代进入工业生产中以来,极大提高了生产效率和质量,然而目前机械臂在复材产品制造中的应用是少见的,主要集中在机械臂形式的自动铺丝(Automated fiber placement,AFP)中.复材产品制造工艺繁琐,将复合材料铺放在模具上是复材产品制造过程中的一个重要环节,本文称之为“铺层”,使用机械臂完成复合材料自动铺层将是未来复材产品制造自动化、智能化发展的一个关键方向.本文将机械臂进行复合材料自动铺层操作分为两种主要形式:铺片和铺带(丝),通过案例调研和分析,归纳总结现有的设计理念和技术方法,提出未来发展趋势,以期对机械臂的应用和研究、复材产品的智能化制造和工业4.0的发展形成参考.

纤维增强复合材料约束沙漠砂墩柱轴压力学性能试验研究

为进一步推动沿空留巷技术在西部矿区的推广应用,开发了一种兼具技术和经济效益的新型巷旁墩柱结构。该墩柱结构由具有轻质高强耐腐蚀特性的纤维增强复合材料(FRP)外壳和内部填充的沙漠砂组成。为验证该新型组合结构的力学性能,分别对采用碳纤维增强复合材料(CFRP)和聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维增强复合材料(PEN FRP)作为约束材料的新型墩柱结构进行系统的轴压试验。研究结果表明:FRP约束沙漠砂墩柱结构的轴向荷载-变形曲线呈近似直线特征;在FRP管环向约束作用下,填充在新型墩柱结构内部的沙漠砂处于三向应力状态;新型组合支护结构的轴向承载能力最大可提高10.43倍,纵向变形能力可提升12.99倍。该墩柱结构在西部干旱半干旱矿区岩层控制方面具有一定的应用前景。

纤维增强复合材料层间剪切强度测量三点弯曲试验改进方案

纤维增强复合材料层间剪切强度是衡量其材料特性的重要指标,目前多采用短梁法对其进行测量,但短梁法试验失效模式复杂,试验有效率低。该文提出一种基于长梁三点弯曲强度实验的纤维增强复合材料层间剪切强度测量方法,此方法通过在三点弯曲的长梁试件表面粘贴金属增强体,改变梁的跨高比,从而改变梁内最大正应力与最大切应力的比值,使之与弯曲强度和剪切强度之比相匹配,保障复合材料层合梁在三点弯曲工况下首先发生层间剪切失效,进而测量出层间剪切强度。该文基于推导的理论公式,论证层合梁表面粘贴增强体后,引发层间剪切失效的可行性;再进一步通过数值计算验证了所推导公式的精度;最后对所提出试验改进方案进行了实验验证。实验结果表明,在玻璃纤维增强层合梁上下表面粘贴铝合金增强体后,使层合梁在三点弯曲工况下,可以方便可靠地测得复合材料层间剪切强度。

层内混杂纤维增强复合材料力学性能理论研究

层内混杂纤维增强复合材料是一种新型的复合材料,具有优异的力学性能。在层内混杂纤维增强复合材料的理论研究中,人们对混杂效应形成的原因及影响因素做了大量工作,但其混杂形式多样,混杂效应产生的原因也较为复杂,尚无较为成熟的理论解释和公认的力学模型,且没有能够达到指导工程设计施工的水平。因此,在对已有研究成果总结的基础上,对混杂效应的产生机理进行了详细分析,提出了反映层内混杂纤维增强复合材料混杂效应的力学性能的理论模型和计算方法,并通过试验论证了公式的有效性。研究成果可为混杂纤维增强复合材料的工程应用提供设计指导。

碳纤维与扩散层厚度对Al-Mg-Ti微叠层复合材料组织性能的影响

以1060纯铝、TC4钛合金、AZ31镁合金和镀镍碳纤维编织布为原材料,使用真空热压扩散技术和“箔-纤维-箔”法制备出碳纤维增强Al-Mg-Ti微叠层复合材料。通过控制铝镁保温时间分析了铝镁扩散层厚度对材料组织性能的影响,探讨碳纤维的强化机理,采用X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)和扫描电子显微镜(SEM)等分析了复合材料的相组成、元素分布与裂纹扩展形貌,测试了复合材料的抗弯强度和冲击韧性。结果表明:碳纤维增强Al-Mg-Ti微叠层复合材料扩散层厚度随着保温时间的延长而增加,力学性能呈先上升后下降的趋势,碳纤维通过纤维脱粘、纤维拔出和纤维劈裂等方式吸收了大量断裂能,起到显著的增韧效果。在铝钛热压温度640℃保温时间2 h,铝镁热压温度440℃保温时间8 h时,复合材料力学性能最优,抗弯强度为380 MPa,冲击韧度为26.2 J/cm^(2),相对于基体抗弯强度和冲击韧性分别提高了10.8%和30.3%。

纤维增强复合材料层合板弹道冲击研究进展

近20多年来,纤维增强复合材料层合板,在结构防护领域大量使用,由于层合板结构及材料特性的复杂,其弹道吸能机理十分复杂,影响因素包括靶板的几何尺寸、结构形式、材料力学特性及层间粘结、弹形及弹速等诸多方面。本文主要针对近10年的研究工作,侧重于实验技术、弹道冲击实验研究、经验公式及理论分析模型等几方面的发展,进行了回顾和展望。同时,对于弹道侵彻力历程、材料的动态力学特性以及数值分析技术在层合板弹道冲击问题上的运用及发展等方面,也进行了简要的介绍。

引发方式、铺层对纤维增强复合材料圆柱壳吸能特性影响的冲击试验研究

对作为吸能元件的纤维增强复合材料圆柱壳的吸能特性进行了试验研究。制备了不同铺层角度和不同引发方式的玻璃纤维/聚酯树脂基圆柱壳,通过对该圆柱壳进行动态试验,探求铺层方式和引发方式对该吸能元件吸能效果的影响,以及该复合材料层合壳体压溃过程的破坏机理。

影响纤维增强树脂基复合材料层合板疲劳性能的主要因素

优化复合材料铺层方式，改善增强纤维与树脂基体的热匹配，严格控制复合材料内部残余应力的大小及分布可以显著增强复合材料的抗疲劳性能，提高复合材料构件的安全可靠性和使用寿命。

界面柔性层对玻璃纤维毡增强聚丙烯复合材料力学性能的影响

通过橡胶分子链在玻璃纤维表面的接枝 ,在玻璃纤维毡增强聚丙烯复合体系中引入了界面柔性层 ,研究了柔性层的种类及厚度对复合体系界面结合及力学性能的影响。结果表明 ,采用容易与玻璃纤维表面形成化学键等牢固结合并与基体树脂有一定相容性的橡胶分子链作为界面柔性层 ,可以获得高强度、高抗冲的玻璃纤维毡增强聚丙烯复合材料 ;柔性层的厚度对复合体系的力学性能有很大的影响 ,超过一定的厚度后 ,随着柔性层的增厚 。

碳纤维增强复合材料含孔层合板损伤破坏分析研究进展

综述了碳纤维增强复合材料含孔层合板损伤破坏以及应力分析的研究进展,介绍了几种含孔层合板的破坏准则和分析含孔层合板损伤破坏的二维以及三维模型,展望了有待于进一步研究的问题。

碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化涂层研究进展

对碳纤维增强陶瓷材料抗氧化涂层的要求、组成与制备工艺以及最近抗氧化涂层体系的发展做了综述 ,并且对今后抗氧化涂层的发展作了一些展望。

纤维增强复合材料涡轮轴结构静强度计算与分析

基于适用于纤维增强复合材料的细观力学代表体积元(RVE)法和材料强度失效参数计算公式,计算体积分数为40%的SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料的力学性能参数和强度失效参数,建立以实际某型号发动机低压涡轮轴为背景,并用SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料代替原有高温合金材料,应用复合材料宏观强度准则中的蔡—吴张量失效准则,对其进行静强度计算与失效判定,总结作为衡量趋近失效程度的蔡—吴强度指数随轴结构复合材料铺层数的变化规律,同时对铺层总数为27层的轴结构进行给定载荷下的强度计算,得出轴结构内部每一铺层的强度指数及铺层强度指数随铺层位置、45°铺角不同的变化规律,并预测在极限载荷下轴结构铺层首先出现失效的情况。

纤维增强复合材料低压涡轮轴强度分析设计

研究连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在扭转载荷作用下的静强度分析设计问题。以Ti-6-4/SC6为有限元模型结构材料,以复合材料层合板理论为基本力学理论基础,以蔡-吴强度失效准则为判定依据。对不同复合材料轴结构进行强度分析及失效判定。以某型航空发动机低压涡轮轴为基础模型进行有限元建模。通过"复材轴"和"分段轴"两种复合材料轴结构模型对复合材料铺层、铺角对轴结构力学性能及强度影响规律进行研究。以"复材轴"模型结构研究±45°与+45°两种普遍铺层方案的优劣,在研究"复材轴"铺层方案的基础上,以±45°铺层方案研究"复材轴"和"分段轴"及传统钛合金轴静强度性能对比。最后从工程实际角度针对"分段轴"给出提高强度的两种措施。

复合材料层压板的变形:树脂基体、增强纤维与非对称正交铺层变形的关系

主要研究了复合材料层压板的变形情况。分别选取环氧、苯并噁嗪为基体,以特定型号的预浸料为材料,选取不对称铺层[0/0/90/90]条件,用ANSYS软件模拟复合材料层压板变形情况,与实际不对称层合板变形情况对比,分析树脂基体、增强纤维和非对称铺层与复合材料变形之间的关系。结果表明,不同的树脂基体材料和不同的铺层设计对非对称正交铺层复合材料层压板的变形情况有影响。

纤维增强树脂基复合材料多轴疲劳研究进展

纤维增强树脂基复合材料结构在工程应用中常常承受复杂载荷的作用,从而使材料处于多轴循环应力条件下．为了更加合理地进行复合材料结构设计,必须对复合材料多轴疲劳行为进行深入的研究,建立比较理想的复合材料疲劳寿命预测模型．首先简单回顾了复合材料单轴疲劳损伤判据及其寿命预测模型,然后结合作者的研究结果,总结了近年来国内外纤维增强树脂基复合材料多轴疲劳理论的研究成果,对各种失效准则、疲劳寿命预测模型进行了较为深入的分析,指出了它们各自的特点及其存在的问题,并对复合材料多轴疲劳理论的研究趋势作出了展望．最后,对目前常用的复合材料多轴疲劳实验方法进行了总结,并指出了各种方法的优缺点及其实验中存在的困难．