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。

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。

平纹机织多元多层碳化硅陶瓷基复合材料的等效弹性模量预测

针对平纹机织多元多层碳化硅陶瓷基复合材料,按照"从底向上"的顺序考虑了纤维丝/界面/基体尺度以及纤维束/基体/涂层尺度下的微结构有限元模型。采用能量法依次进行了两个尺度上的等效性能计算,首先在纤维丝/界面/基体的尺度上计算了纤维束的等效弹性参数,然后将这些参数代入到纤维束/基体/涂层尺度微结构模型中,计算得到复合材料的整体弹性常数。数值计算结果与实验结果吻合较好,验证了所提计算方法以及模型的有效性。

多层多向机织复合材料细观结构建模及其性能

为分析多层多向机织复合材料的细观结构,基于多层多向机织工艺及不同于传统机织结构的纱线空间运动规律,推导了工艺参数与结构参数之间的关系,建立了细观结构分析模型;为研究多层多向机织复合材料的拉伸性能和失效机制,采用多层多向机织工艺、树脂传递模塑复合工艺,以碳纤维和环氧树脂为原材料制备了2种不同结构的多层多向机织复合材料,采用万能试验机和非接触全场应变仪对材料进行了0°和90°方向的准静态拉伸性能测试,并与正交三向机织复合材料进行了对比分析。结果表明:斜向纱的存在对多层多向机织复合材料的拉伸破坏模式和断口形貌有较大影响,斜向纱一定程度上阻碍了裂纹和应变沿承载方向扩展,0°方向拉伸试样断口处经纱层内经纱全部断裂,90°方向拉伸试样断口处纬纱层内纬纱全部断裂,2个方向的拉伸试样斜向纱层中均存在部分斜向纱纤维未断裂,拉伸试样非完全断裂。

基于超声相控阵的机织层合复合薄板试件内部缺陷检测方法

针对机织层合薄板复合材料试件的内部缺陷,采用超声相控阵检测法对其进行超声100%扫查,并对得到的超声定位的缺陷区域进行分析;建立了超声回波A扫描波形图、B扫描图像以及C扫描图像和机织层合板复合材料内部区域缺陷分布的对应关系,分析比较了复合材料试件分别在同时激发4、8、16个晶片(阵元)的条件下得到的超声检测结果图,并在相控阵设置最优条件下对复合材料进行横纵方向超声扫描得到检测图,针对C扫描得到的缺陷扫查图进行定量分析。研究结果表明:扫描得到的超声A扫描波形图、B扫描图像以及C扫描图像在复合材料缺陷的位置上有一一对应的关系,超声相控阵检测法可用于机织层合板复合材料的无损检测及其缺陷的初步评价。

层-层正交角联锁机织物及其复合材料的结构及其层切破坏机制研究

采用无损高分辨率X射线成像(显微X-CT)技术对层-层正交角联锁机织物以及复合材料内部结构进行分析,并研究了层间剪切强度与结构之间的关系;通过三维重构展现了机织物的层-层正交角联锁的微观结构,观察到机织物内部的单丝扭转、挤压现象;依据机织复合材料中孔隙和高密度杂质在三维空间的分布,计算了其相应的占比。结果表明:层间剪切实验后的机织复合材料虽然宏观形貌保持了良好的完整性,但内部存在孔隙变形、分层、纤维弯曲、片层断裂等现象;层-层正交角联锁机织结构有效提高了复合材料的层间力学性能,内部的缺陷对复合材料的力学性能有较大的影响;无损高分辨X射线成像技术是研究纤维增强复合材料内部复杂结构特性的有利手段。

嵌入式增强多层整体机织中空复合材料及其抗压性能的研究

提出一种对叠经多层间隔结构整体机织复合材料的改进方法,该结构复合材料采用增强体嵌入的方式对材料强度进行改进,增加了中空复合材料强度的可设计性。对嵌入用的增强体材料、非嵌入的多层整体机织中空复合材料和嵌入后的多层整体机织中空复合材料分别进行了抗压力学性能测试。在平压和侧压力学测试实验中,嵌入式机织复合材料的力学性能均好于非嵌入机织复合材料,而在平压测试实验中,得到了嵌入式机织复合材料预制体与树脂的共同增强系数为1.40,证明该嵌入式机织复合材料结构设计的合理性。此外得出3种材料侧压的力学性能也均好于平压。

经纬向纤维体积比例对2.5D机织复合材料力学性能的影响

以T800碳纤维为原材料,制备5种不同经纬向纤维体积比例的2.5D机织结构预制件,并以其为增强材料制备了T800碳/环氧2.5D机织复合材料.通过进行拉伸、弯曲、压缩3种实验,分析比较经纬向纤维体积比例对力学性能的影响.实验结果表明:2.5D机织复合材料的经、纬向力学性能与该方向的纤维体积含量相关;当经纬向体积比例为1∶0.5时,复合材料表现出经、纬向均衡的力学性能;此外,还表明指数函数可以较好地拟合不同经纬向纤维体积比例的2.5D机织复合材料的力学性能.

涡轮发动机复合材料叶片用增强织物研究进展

基于涡轮发动机复合材料叶片的研究进展,从预浸料铺放(铺层)技术和三维织物机织技术两个方面介绍了涡轮叶片用复合材料增强织物的研究现状,最后从织物结构设计、标准化体系建立、模拟角度提出了涡轮叶片用三维织物的未来发展方向.

基于ECPL模型的平纹机织复合材料低速冲击多尺度模拟

采用多尺度方法对平纹机织复合材料低速冲击损伤进行了数值模拟。建立E玻璃纤维束的微观单胞模型,计算出纤维束的等效刚度和强度;然后建立平纹机织复合材料的细观单胞模型,并基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则对细观模型进行损伤演化模拟;提出一种新的基于体积平均法的局部均匀化方法,将细观模型转化为含有0°和90°单层的等效交叉层合板(ECPL)模型,同时将建立的ECPL模型扩展成宏观模型并对其低速冲击损伤进行数值模拟,得出冲击能量为30 J下平纹机织复合材料的力位移曲线及能量曲线并与文献中的试验结果进行了对比。结果表明,由于层合板未发生穿孔破坏,力和位移均呈现先增大后减小的趋势,数值模拟峰值力为5621 N,与试验值误差为1.3%;并且层合板失效形式主要为纤维和基体拉伸损伤及层间分层损伤。宏观ECPL低速冲击模型的数值与试验结果吻合较好,验证了局部均匀化方法和多尺度模型的有效性。

二维与三维机织复合材料的力学性能实验研究

通过对超厚三维正交机织复合材料及二维机织层合板分别进行拉伸和压缩实验,研究比较两复合材料刚度和强度特性的差异;研究发现无论是三维机织材料的拉、压,还是二维层合板的拉、压的应力—应变曲线都可近似为直线关系,而且具有脆性破坏的特点;三维复合材料的拉、压强度要高于二维层合板,是由于不同的增强相结构及纤维含量造成;不同的破坏模式对材料强度影响很大。

二维与三维机织复合材料力学性能的实验研究

对超厚三维正交机织复合材料及二维机织层合板分别进行了拉伸和压缩实验,研究比较了两种复合材料刚度和强度特性的差异。研究发现无论是三维机织材料的拉压还是二维层合板的拉压应力应变曲线都近似为直线,而且具有脆性破坏的特点;三维复合材料的拉压强度要高于二维层合板。这主要是由于材料不同的增强相结构及纤维含量造成;不同的破坏模式对材料强度影响很大。

航空复合材料的组合凸轮式Z-pin预植入机的设计与实现

为解决当前Z-pin植入设备植入效率低、Z-pin易折断或打滑等问题,并推动Z-pin增强技术高效地应用于民用和国防事业,开发了基于组合凸轮的高效高精度Z-pin预植入机。首先,根据航空矩形类复合材料层合构件的预植入工艺技术要求,分析了预植入机的功能需求。其次,提出了先"剪切"后"植入"组合凸轮式预植入机的机构运动方案。采用解析法设计了预植入机的凸轮机构,计算了凸轮机构的理论轮廓曲线。然后,构建了含有间隙凸轮机构的弹性动力学模型,优化了组合凸轮的转速,进行了组合凸轮的虚拟样机运动仿真。最后,设计制造了实验样机,通过植入实验验证了组合凸轮设计的正确性和合理性,并根据实验中出现的问题优化了植入运动方案。实验结果表明,该方案使Z-pin植入效率得到大幅提高,以植入间距3mm×3mm为例,其效率能够达到5 080mm2/min,植入成功率控制在99%以上,植入间距、植入深度和纤维长度等参数的精度均控制在±0.01mm以内。预植入机操作方便,人机界面友好,长时间工作平稳,无Z-pin折断等问题出现,能满足当前对Z-pin植入设备植入效率、植入精度的要求。

国产T300级碳纤维二维纺织结构复合材料的力学性能研究

为研究国产碳纤维二维编织复合材料的力学性能,本文分别对国产碳纤维二维编织物、经编织物、机织物增强复合材料进行分析,在表征国产碳纤维二维编织结构复合材料力学性能的同时,比较二维编织结构复合材料与经编织物、机织物结构复合材料的力学性能优劣。结果表明,对二维编织织物的定型处理能减少纤维间的滑动,保证织物结构;四种织物增强复合材料结构均较为均匀,成型质量良好;经编织物增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度最大,12K机织物、二维编织物和3K机织物增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度相近,比经编织物增强复合材料强度低约15%;经编织物、3K机织物增强复合材料的压缩强度相近且较高,12K机织物、二维编织增强复合材料的压缩强度低约30%;经编织物增强复合材料的弯曲强度最高,3K机织物次之,二维编织物和12K机织物相对较差。四种复合材料的弯曲模量相接近,最大相差约10%;3K机织物的剪切强度约为其他织物的2倍。

机织层合防弹面料的性能研究

利用自制压缩空气冲击装置对4块机织对位芳纶纯纺面料按22.5°旋转进行层合的面料进行抗冲击实验,并测试对位芳纶面料的服用性能。研究表明:1/1平纹对位芳纶纯纺层合织物抗冲击效果与抗起毛起球性均高于1/2斜纹面料,而相应面的透气率低于1/2斜纹面料;kevlar49对位芳纶机织层合面料抗冲击效果、相应面的透气率、抗起毛起球性均高于国产对位芳纶面料,而回潮率低于国产对位芳纶面料。相比抗冲击效果与服用性能,kevlar49对位芳纶机织层合面料优于国产对位芳纶面料。

国产碳纤维复合材料即将装机“猎鹰”高教机

由洪都航空工业集团公司研发的国产碳纤维复合材料近日实现首次装机件试制,即将装机"猎鹰"06架高教机,这将大大节约"猎鹰"复合材料的制造成本。

二维与三维机织复合材料面内力学性能对比

设计并制备了结构形式和工艺参数相同的二维机织层合和三维机织复合材料,利用数字图像同步测试技术(DIC)系统地开展了经、纬向拉伸、压缩试验和面内剪切试验。结合试样表面应变场的演化过程和断裂形貌分析,对比研究了二维机织层合复合材料和三维机织复合材料的承载机制、力学性能和失效机制的差异。结果表明,经纱在层间的交织联锁对机织复合材料的宏观力学行为和承载机制有重要影响,三维机织复合材料牺牲了经向拉伸和压缩性能,得到了更好的结构整体性和更高的纬向性能。此外,三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线具有明显的非线性特征。同时,经纱对纬纱的强约束导致了纤维束/基体界面上的弱粘接,降低了三维机织复合材料抵抗剪切变形的能力。

基于结构参数的平纹机织复合材料等效弹性性能预测

经向纤维束与纬向纤维束纵横交错引起的纤维弯曲(也称为波纹)是平纹机织复合材料固有特征。首先,提出了一种精确描述平纹机织复合材料单胞3D结构特征的数学表达式。其次,基于经典层合板理论和等应力假设,考虑平纹机织复合材料厚度方向非对称引起的弯曲-拉伸耦合效应及单胞结构特征,建立了含结构参数的平纹机织复合材料等效弹性性能多参数解析模型。通过数个典型算例验证了建立的多参数解析模型,结果表明:该多参数解析模型预测值与相关文献中有限元模型预测值、解析模型预测值、实验值等均吻合较好;该多参数解析模型预测值尤其是Z向弹性性能预测值,比文献中解析模型预测值更接近于实验值。在此基础上,进一步探讨了纤维束波纹比(包括纤维束波动方向波纹比与纤维束横截面波纹比)、经向与纬向纤维束构成的预成形体厚度、纤维束中弯曲部分的长度、相邻纤维束之间间距等结构参数对平纹机织复合材料弹性性能影响。该多参数解析模型建模方法为研究纺织复合材料力学性能提供了参考。

Z-pin植入对二维机织复合材料层合板力学性能影响的数值模拟

针对植入Z-pin后的碳纤维增强平纹机织复合材料的微观结构,建立了含Z-pin机织复合材料单层板和层合板的单胞模型。预测了Z-pin直径、分布间隔对单层板的面内纵向拉伸力学性能的影响,发现含有Z-pin的机织复合材料单胞在受面内拉伸时,会在Z-pin附近出现应力集中,单胞首先会在应力集中区域发生失效而导致强度降低。通过三维单胞模型模拟了Z-pin在层合板中拉出脱离的过程,得出了不同Z-pin直径、不同分离层厚度下的拉拔力-位移曲线。建立了用非线性弹簧模拟Z-pin的双悬臂梁(DCB)模型,结合虚拟裂纹闭合技术(VCCT),模拟了含有Z-pin复合材料层合板的Ⅰ型裂纹扩展,结果表明:Z-pin直径越大,分布越密,层合板的等效Ⅰ型应变能释放率GIC越大,且直径越大,GIC随裂纹扩展的波动幅度越大,分布越密,GIC波动的波长越小。

多层多向层联三维机织复合材料的拉伸性能

设计制备了3种不同结构的多层多向层联三维机织复合材料(M3DAWC),利用非接触式全场应变测量系统和SEM对其拉伸性能进行了研究。研究表明,织物结构对M3DAWC的宏观力学行为有重要的影响,沿0°方向拉伸,破坏模式随着斜向纱体积分数的增加,从齐口破坏演变为斜向纱的抽拔失效,沿90°方向拉伸,破坏模式基本一致,表现为斜向纱的抽拔和滑脱。同时,斜向纱体积分数对M3DAWC的拉伸强度和拉伸模量也有显著影响,沿0°方向拉伸,随着斜向纱体积分数的增加,拉伸强度和拉伸模量逐渐减小,沿90°方向拉伸则表现出相反的变化规律。