基于电磁式阵列传感器的平纹编织碳纤维复合材料检测方法

为了研究平纹编织结构碳纤维复合材料(CFRP)的结构特点并检测其表面是否存在裂纹缺陷,针对CFRP的各向异性和异质性特点,提出了方块模型和纱线模型;同时基于电磁感应原理,设计了一种无需手动旋转的12线圈电磁式阵列涡流传感器,通过采集CFRP样板上传感器电阻的变化规律来研究其结构特点;在此基础上,采用方块模型模拟表面存在裂纹缺陷的平纹CFRP,利用传感器得到在有缺陷的样板上传感器电阻的变化规律,并进行了实验验证。结果表明:阵列涡流传感器在2种模型上的电阻极坐标图都为蝴蝶形,2种模型都具有一定的有效性,提出的模型和传感器还可以检测平纹CFRP裂纹缺陷,存在裂纹时电阻减小。

平纹编织碳纤维复合材料的块均质化建模及其涡流无损检测

针对平纹编织结构碳纤维增强复合材料(CFRP)几何结构复杂、电导率分布各向异性等特点,提出了一种块均质化的建模方法,为平纹编织CFRP在涡流无损检测中的有限元分析提供了理论基础。在此基础上对双圆旋转(DCR)线圈传感器所产生的涡流分布情况进行仿真研究,并计算出阻抗变化的极坐标图。通过更改经纱块或纬纱块的电导率,模拟了平纹编织CFRP的疲劳现象,并通过实验验证了模型的准确性。结果表明:线圈阻抗的最大变化出现在经纱和纬纱的电导率矢量叠加的最大值处,仿真与实验的结果误差小于0.6%,说明所提出的模型可以有效模拟平纹编织CFRP的电磁特性;可以通过在块均质化模型中改变电导率来模拟平纹编织CFRP的疲劳现象。

碳纤维编织网与聚丙烯水泥基复合材料加固圆柱轴压试验

完成了14个基于碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固圆柱的轴压性能试验,得到了各试件的极限承载力与破坏形态,测得了各试件平均压应力-混凝土应变曲线、平均压应力-碳纤维编织网应变曲线及各试件极限承载力柱状图,分析了加固层水泥基复合材料中聚丙烯纤维含量、碳纤维编织网包裹层数及网格大小等参数对试件轴压性能及破坏机理的影响。试验结果表明:采用碳纤维编织网与聚丙烯纤维水泥基复合材料加固圆柱可明显提高其极限承载力;试件主要破坏形态为纵向压劈破坏,脆性破坏特征明显;加固层少量聚丙烯纤维含量(质量比0.05%,0.15%,0.25%)的改变对试件承载力的提高不明显;在一定范围内试件承载力随碳纤维编织网包裹层数的增加而提高;相比于2 cm网格碳纤维编织网,1 cm网格碳纤维编织网对试件承载力的提高效果更好。

高温下平纹编织碳/酚醛复合材料等效热导率的理论预测及分析

高温下平纹编织碳/酚醛复合材料的热学性能研究是一个难点。根据材料的微观结构演变及热解机理,将三相周期性立方消融模型与现有的两相复合材料模型相结合,构建了平纹编织碳/酚醛复合材料热导率的理论预测模型。综合考虑酚醛基体孔隙率、增强碳纤维体积分数以及温度等因素,研究了酚醛和碳纤维材料、基于微观特征体积单元的碳纱线以及基于介观特征体积单元的平纹编织碳/酚醛复合材料在高温下热导率的动态响应,并对材料热导率的各向异性进行了分析。随着纱线含量的增加,碳/酚醛复合材料在平行织面和垂直织面上的热导率都会增加,并且平行织面方向的热导率比垂直织面方向大4~10倍。所建模型可以用于预测高温下酚醛材料及碳纤维材料、碳纱线和平纹织物复合材料的等效热导率。

碳纤维复合材料成型件三维编织仿真模拟

为了准确预测碳纤维复合材料成型件三维编织过程中的纱线轨迹,基于等截面芯轴的几何特性提出一种碳纤维复合材料成型件的三维编织仿真模拟方法。首先,对各纱线与导向环的落点和接触点进行初始化设置,从而获取每根纱线与导向环的初始接触点位置坐标;其次,基于等截面芯轴的几何特性建立纱线轨迹预测模型,从而预测所有纱线的运动轨迹;然后,考虑到编织过程中纱线交织的交点坐标z坐标值一致,利用偏置系数对交织点处的x、y坐标进行偏置修整,从而表征丝束间的交织关系;最后利用Matlab软件实现上述编织过程,将得出的纱线轨迹导入到SolidWorks软件中得到成型件三维模型,通过不同进给速度对编织角度的影响验证了所提方法的可行性和准确性。

三维编织碳纤维/环氧复合材料的吸湿特性及外应力的影响

采用真空浸渍法制备了三维编织碳纤维增强环氧树脂(C3D/ER)复合材料,研究了该复合材料的吸湿特性及外应力的影响。讨论了应力对C3D/ER复合材料吸湿行为的作用机理。结果表明,与环氧树脂不同,C3D/ER复合材料的吸湿行为不能用Fick第二定律描述。外应力可加速吸湿初期复合材料的吸水和力学性能的下降,但可降低复合材料平衡吸湿量和最终力学性能的下降幅度。分析表明,吸湿过程中C3D/ER复合材料力学性能的高低取决于其吸湿量的大小。

用溶胶-凝胶法制备碳纤维三维编织物增强氧化铝基复合材料的研究

本文研究了溶胶－凝胶（Ｓｏｌ－ｇｅｌ）法制备碳纤维三维编织物增强氧化铝（Ａｌ２Ｏ３）基复合材料的成型工艺及其力学性能，研究了两种主要起始物Ａｌ（ＮＯ３）３、ＡｌＣｌ３配制的氧化铝溶胶对复合材料成型工艺和力学性能的影响。分别以Ａｌ（ＮＯ３）３和ＡｌＣｌ３为起始物，制备得到Ⅰ＃、Ｉ＃复合材料。研究表明，以Ａｌ（ＮＯ３）３为起始物配制的溶胶粘度较小，利于材料的致密化。经过溶胶浸渍、凝胶、裂解１３个周期后，Ⅰ＃材料的密度和室温三点弯曲强度分别为１．８６ｇ／ｃｍ３和１４５．２ＭＰａ，而ＩＩ＃材料的密度和室温三点弯曲强度分别为１．６３ｇ／ｃｍ３和１０４．１ＭＰａ，材料均呈典型的韧性断裂模式。用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察试样的断口形貌，发现断口表面有大量的纤维拔出，纤维表现了较好的增韧效果。

纤维编织结构对碳纤维增强碳化硅复合材料热膨胀和热扩散系数的影响

分别采用热膨胀仪和激光脉冲热导仪测量了2维、2.5维和3维纤维编织结构的碳纤维增强碳化硅(carbon fiber reinforced silicon carbide,C/SiC)复合材料从室温到1400℃温度范围内纵向和横向热膨胀系数,以及厚度方向的热扩散系数。用扫描电镜、光学显微镜观察了样品的微结构。结果表明:低温段(700℃以下),3种C/SiC的纵向和横向热膨胀系数均随温度的升高而缓慢增大,并在700℃之后出现不同程度的波动;高温段(700℃以上),它们的纵向热膨胀系数和2维C/SiC的横向热膨胀系数随温度的升高而减小,而2.5维和3维C/SiC的横向热膨胀系数则随着温度的升高而迅速增大。三者厚度方向的热扩散系数均随温度的升高而减小,3维C/SiC的热扩散系数最大,分别是2.5维C/SiC和2维C/SiC的1～1.2和1.4～2倍。

3D编织碳纤维复合材料的制备及其屏蔽性能的研究

用三维五向3D编织技术和模压成型工艺制备了碳纤维增强环氧树脂基电磁屏蔽复合材料,测试结果表明,三维五向编织结构可形成良好的导电网络,基于该结构制成的碳纤维复合材料屏蔽效能最高可达85dB,编织体整体化学镀镍可使材料的屏蔽效能提高约15dB,镀镍后的复合材料在14kHz～18GHz频段内具有较高的屏蔽效能,最高可达95dB。同时发现,该材料的屏蔽性能显示各向异性,这与编织体的纤维取向和电磁波的极化方向有关。

碳纤维编织复合材料拉伸变形测量及声发射监测

采用声发射和数字图像相关互补技术,结合破坏断口微结构特征,研究碳纤维编织复合材料的损伤变形与失效机理。在复合材料试件拉伸加载的同时,实时获取变形特征和损伤声发射信号,分析复合材料力学响应与位移场、声发射特征的关系。结果表明,复合材料试件实时拉伸位移场、损伤破坏过程的声发射相对能量、撞击累积数及幅度等特征参数反映了复合材料表面变形与内部损伤演化过程。复合材料试件断裂时出现较多高持续时间、高幅度、高相对能量的声发射信号,宏观断口平齐,表现为脆性断裂。

冷等离子体处理对碳纤维缝编织物/环氧复合材料界面性能的影响

采用冷等离子体对碳纤维缝编织物进行表面处理 ,并采用XRD对处理前后的碳纤维表面结构进行了分析 ,研究了冷等离子体处理对浸润性以及碳纤维缝编织物 /环氧复合材料的层间剪切强度的影响。实验结果表明 ,冷等离子体处理提高了碳纤维表面活性、浸润性 ,从而改善了碳纤维缝编织物 /环氧复合材料的界面粘结性能 ,进而改善了复合材料的界面性能。

热固性碳纤维编织复合材料C形结构隔膜成型工艺

详细介绍了热固性碳纤维编织复合材料C形结构的热隔膜成型工艺。测量了CYCOM970/PWC-T300预浸料在60~120℃不同温度下的滑动摩擦系数。采用烘箱固化和热压罐固化两种方式,进行了热隔膜预成型体的固化试验。通过对试件进行三维激光扫描,得到了C形结构隔膜成型体的厚度、回弹大小分布规律以及滑移角的大小。通过对截面进行扫描,得到了成型试件的孔隙率。

三维编织碳纤维复合材料剪切性能研究

本文采用短梁三点弯曲试验法,研究三维四向、五向编织碳纤维复合材料的剪切性能、剪切破坏过程及其破坏模式。结果表明:三维五向较三维四向编织复合材料剪切性能好;三维编织复合材料剪切强度沿长度方向随着编织角的减小而增加;切边三维编织复合材料试件受剪切破坏时在加载点附近侧表面裂缝沿纱线走向分布,上下两表面发生弯曲破坏,离开侧表面2 mm后内部纵向截面上下表层发生弯曲破坏,其它部位未发生剪切破坏。

三维编织碳纤维复合材料超声辅助车削可行性分析

根据三维编织碳纤维复合材料非均质性和各向异性的特点,将其车削加工表面分为四类典型表面。分别采用三种不同刀具对三维编织碳纤维复合材料进行了超声辅助车削和普通车削加工试验,分析了四类典型表面的粗糙度的变化规律,建立了三维编织碳纤维复合材料表面质量评价方案,并对超声辅助车削和普通车削加工过程中的切削力和刀具磨损进行了研究。结果表明,超声辅助车削加工三维编织碳纤维复合材料相对于普通车削,可以有效地提高工件表面质量,降低切削力,延长刀具寿命。

碳纤维编织复合材料弯曲损伤破坏声发射监测

为研究碳纤维编织复合材料的弯曲损伤与破坏行为,结合声发射(AE)与数字图像相关(DIC)方法互补实验技术,对复合材料在四点弯曲载荷作用下的失效过程进行监测,动态获取 AE 特征信号和对应的散斑图像,并根据DIC 算法得到复合材料在加载过程中的全场变形和应变。结果表明:AE 信号在碳纤维编织复合材料中近似呈指数衰减,与谐振式 AE 传感器相比,宽频带式 AE 传感器表现出更好的测量性能;复合材料弯曲加载前期,无明显损伤出现,AE 信号较少,对应的位移场和应变场变化平稳;复合材料弯曲破坏对应较高持续时间、幅度和相对能量的AE 信号。复合材料损伤演化过程的 AE 响应行为及对应位移场、应变场的变化反映复合材料的变形与损伤破坏过程,为碳纤维编织复合材料的无损评价、健康监测与失效分析提供借鉴。

纤维束丝数对平纹编织C/SiC复合材料力学性能的影响

通过对2种丝束平纹编织碳纤维布增强SiC(C/SiC)复合材料的力学性能实验,研究了纤维束丝数(1 k和3 k)对复合材料性能的影响。实验结果表明:1 k C/SiC复合材料的拉伸模量、拉伸强度、压缩模量、压缩强度、面内剪切强度和弯曲强度分别为90.8 GPa,281.8 MPa,135.8 GPa,452.2 MPa,464.3 MPa和126.8 MPa,分别比3 k C/SiC高39%,15.8%,25%,132%,29.3%和30.2%。纤维束粗细不同是导致纤维束弯曲度和复合材料孔隙率差异的主要原因,对压缩强度的影响最大,对拉伸强度的影响最小。

复合材料中三维编织碳纤维增强体的性能特点

作者对复合材料中的碳纤维增强方式进行了论述,三维编织碳纤维增强体具有整体性和可适应构件多种外形的特点,由其复合成的材料避免了方向性,使复合材料具有优良的综合性能。

三维编织碳纤维尼龙复合材料的研究

根据碱催化阴离子聚合原理,用液态原位聚合方法制备了尼龙/三维编织碳纤维复合材料(PA/C_(3D)),介绍其成型工艺过程,测试并分析了PA/C_(3D)复合材料的力学性能及影响因素。结果表明,PA/C_(3D)复合材料具有比长碳纤维增强尼龙(PA/C_L)复合材料高的冲击强度和剪切强度,其弯曲性能低于PA/C_L复合材料。碳纤维空气氧化处理后制备的PA/C_(3D)复合材料的弯曲强度、弯曲弹性模量及平面剪切强度均有所提高,但冲击强度下降。

脉冲辐照下三维多向碳纤维编织复合材料热激波的实验研究

在“闪光二号”脉冲电子束加速器上,采用自行研制的保护环式石英压电传感器,对三维多向碳纤维编织复合材料的热激波传播特性开展了实验研究。结果表明: (1)在电子束能注量为382J/cm2 ~953J/cm2范围内,三维编织复合材料的热激波应力峰值在 97~406MPa之间,只是相同能注量下Ly-12铝的 8%左右,这表明该材料具有良好的衰减热激波的性能; (2)三维编织复合材料中的热激波,其波速较低(大约为 2. 78~3. 45km/s),只是Ly-12铝的 0. 4倍左右,其波形上升时间也比Ly-12铝的大; (3)热激波强度和能注量间近似有线性关系,但烧蚀质量却随能注量增加而增加,当能注量足够高时,质量亏损面密度几乎以指数方式增加。

碳纤维编织复合材料羽毛球拍参数化建模研究

针对碳纤维编织复合材料技术在羽毛球拍产品制造应用中存在重经验轻理论现象,开展了参数化建模方面的探讨和研究。建构了羽毛球拍的参数化模型,完成了不同编制形式各类分析的结构定义和设计。结果表明,通过对羽毛球拍杆弹性数据的预先判别间接证实了区域叠合法的效力;将上述设计和分析方法联合可编程软件,直观、形象的表现整个有限元分析和参数设计过程。