湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料梁阻尼特性的细观力学分析

基于复合材料细观力学,利用能量耗散原理及宏观应变能法建立了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料层合梁的阻尼预测模型。利用MATLAB软件编写了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料损耗因子的计算程序,研究了纤维铺设角度、体积分数、铺层顺序以及湿热效应对玻/碳纤维混杂复合材料层合梁阻尼性能的影响规律。结果表明:湿热环境导致材料产生湿热应变是影响阻尼特性的主要机理;玻/碳纤维混杂复合材料层合梁的损耗因子均随温度及吸水浓度的增大而增大,且温度的影响远大于吸水浓度的影响;纤维体积分数越高,受湿热影响程度越大;铺层角度对损耗因子影响远高于湿热、混杂方式、纤维体积分数的影响。

热-机载荷作用下玻/碳纤维混杂复合材料层合板的屈曲分析

本文以玻/碳纤维混杂复合材料(G/CFHC)层合板为研究对象,在考虑温度引起复合材料性能退化及热应力双重影响的基础上,借助有限元软件ABAQUS对G/CFHC层合板的屈曲载荷进行计算,讨论了环境温度、铺层顺序、铺层厚度、纤维混杂比对G/CFHC层合板屈曲特性的影响。结果表明:在20~120℃环境条件下,温度对G/CFHC层合板影响较大,随着温度的升高,层合板的屈曲载荷不断下降,在达到一定温度后,屈曲载荷的下降趋势趋于平缓;在铺层角度相同的前提下,屈曲载荷会随着碳纤维单层板位置的变化而发生变化,碳纤维单层板从外层逐渐向中间层移动的过程中,屈曲载荷呈降低趋势;铺层厚度对层合板的屈曲载荷影响很大,随着层合板厚度的增加,屈曲载荷呈现出持续上升的趋势。此外,纤维混杂比对G/CFHC层合板屈曲载荷有显著影响。在层合板厚度和层数一定时,增加碳纤维单层板的数量可以有效提高G/CFHC层合板的抗屈曲能力,增加其稳定性。

玻/碳纤维混杂复合材料层合板的振动特性研究

为了获取玻/碳纤维混杂复合材料层合板的振动特性,以玻/碳纤维混杂复合材料层合板为研究对象,基于有限元分析软件ANSYS Workbench分析了夹芯混杂、层间混杂两种混杂方式下的复合材料层合板的振动特性,得到了层合板的混杂类型、铺设厚度、长宽比、铺设角度对玻/碳纤维混杂复合材料层合板固有频率的影响规律。结果表明:夹芯混杂方式的前五阶固有频率高于层间混杂方式;两种混杂方式的前5阶固有频率随着铺设厚度的增加而增大;固有频率随着长宽比的增大而减小,且第四、五阶固有频率随长宽比的变化最为显著;不同的玻璃纤维铺设角度对两种混杂方式下的固有频率影响显著。

湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料弯曲强度的宏观力学分析

本文将复合材料单层板的刚度和强度性能表达成湿热参数的函数。基于经典层合板理论和宏观力学方法,用MATLAB编写了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料(G/CFHC)弯曲强度的计算程序。研究了湿热环境对玻/碳纤维层间混杂复合材料和玻/碳纤维夹芯混杂复合材料弯曲强度的影响。分析了湿热环境下不同混杂方式的G/CFHC层合板弯曲强度变化规律。结果表明:在湿热环境20℃~100℃温度区间内,G/CFHC层合板吸湿后,随着温度的升高其弯曲强度逐渐降低;在湿热环境下,±45°层相邻的G/CFHC层合板受层间切应力影响,其弯曲强度要低;在湿热环境20℃~110℃温度区间内,以(0°/90°)为递增单元,G/CFHC层合板的弯曲强度随着m的增加而增大。

玻璃与碳纤维混杂增强复合材料3D打印与实验

本研究基于热塑性材料熔融沉积成型工艺,研制了双喷头连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构增材制造平台,制备了不同混杂比的纤维增强热塑性复合材料结构试件,分析了不同结构试件的弯曲力学性能与失效模式,探索了嵌入碳纤维智能层的混杂纤维增强热塑性复合材料的力阻行为。结果表明:比较纯热塑性材料结构件,玻璃纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了115.99%,碳纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了198.76%;玻璃纤维与碳纤维混杂增强复合材料结构件具有负弯曲强度混杂效应和正弯曲模量混杂效应。可根据碳纤维电阻相对变化率对混杂增强复合材料结构的应变与断裂破坏状态进行实时自感知。研究结果为连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构件的高质高效制造与智能化提供了新工艺与新思路。

碳/玻混杂纤维铺层顺序对其复合材料力学性能的影响

混杂纤维增强复合材料可通过混杂纤维的协调匹配产生协同混杂效应,从而提高复合材料在强度、刚度、性价比等方面的优势。为了研究碳纤维与玻璃纤维铺层顺序对复合材料力学性能的影响,制备5种不同铺层顺序的碳/玻混杂纤维增强复合材料,结合显微组织与拉伸断口分析了纤维铺层顺序对其强度、刚度、应力-应变曲线的影响规律。结果表明:铺层顺序对复合材料的力学性能影响显著,铺层间隔越均匀其增强效果越好,碳纤维或玻璃纤维集中分布于试样中间时均不利于复合材料性能的提升,碳纤维、玻璃纤维单层间隔时其抗拉强度比纯玻璃纤维增强复合材料提高了约60%,3层间隔时其强度略低于纯玻璃纤维增强复合材料;铺层间隔越均匀其层间开裂越集中且断口处纤维单丝拔出长度越大;碳纤维加入后复合材料的刚度大幅度提升,其应力-应曲线出现不同程度的波动,但铺层顺序对复合材料刚度影响甚微。

碳/玻混杂复合材料开孔板拉伸极限强度研究

针对正交碳/玻混杂复合材料开孔板的拉伸承载特性,设计了纯碳纤维(CCCC)、纯玻璃纤维(GGGG)和层间碳/玻混杂(CGGC和GCCG)的复合材料开孔板拉伸强度试验.基于Hashin准则、刚度退化准则对Vumat子程序进行改进,实现了异种纤维增强材料的渐进损伤分析.对这四种堆叠形式的开孔拉伸试件的载荷位移曲线、孔周应力、极限强度、以及损伤发展过程等进行了预报.结果表明:异种纤维增强材料渐进损伤仿真结果与试验结果较为接近,证实所改进方法的准确性.上述四种类型混杂复合材料开孔板均以垂直于拉伸载荷方向失效破坏.碳/玻混杂开孔层合板的极限载荷和刚度在纯碳纤维与纯玻璃纤维开孔板之间,内碳外玻(GCCG)的结构形式的抗拉强度略高于内玻外碳(CGGC).受拉载荷下混杂开孔板均为CFRP层先发生损伤,随后GFRP层在短时间内再发生萌生并快速扩展,该损伤过程与铺层顺序无关.

大丝束碳纤维复合材料在风电叶片的应用

大功率风电机组尤其是海上风电大尺寸复合材料叶片对于材料的强度、耐疲劳性能及长期使用可靠性提出了更高的要求,高强度高刚度碳纤维增强复合材料拉挤板材为大尺寸风电叶片主梁结构提供了最佳解决方案。国产低成本大丝束碳纤维生产技术突破为碳纤维增强复合材料风电板材规模化应用奠定了基础,碳纤维/玻璃纤维(碳玻)混杂成型技术、碳纤维/聚氨酯体系拉挤成型技术为风电板材提供了更多可供选择的技术途径。本文结合上海石化48K大丝束碳纤维在风电领域应用研究成果及国内外风电板材新型技术进展,总结了大丝束碳纤维复合材料在风电叶片板材的应用途径。

大展弦比混杂纤维复合材料机翼的强度及失效分析

以大展弦比机翼为研究对象,基于经典层合板理论和Tsai-Wu失效准则,考虑几何非线性效应,用流固耦合数值模拟方法,重点研究碳/玻纤维混杂比、铺层相对位置、铺层角度对机翼强度及失效特性的影响。研究表明:碳/玻纤维混杂比=8∶2为最佳纤维混杂比,机翼可兼顾高强度、低成本;玻璃纤维铺设在蒙皮对称中面位置时,机翼的强度及安全性更高,玻璃纤维铺设位置的变化不会对机翼的弹性变形产生显著影响;在不同混杂比下,以±45°铺层角度铺设的机翼整体力学性能更稳定,失效概率更低。

碳⁃玻璃纤维增强复合材料混杂杆体的锚固性能研究

针对碳/玻璃纤维增强复合材料锚固失效问题,研究了3种典型锚固系统的应力分布及锚固机理。研究发现,碳纤维层锚固系统由于界面脱黏及截面削弱导致锚固承载力较低;力学锚固系统易对杆体产生初始挤压损伤并形成应力集中;黏结型锚固系统由于杆体/黏结剂界面黏结强度较低而产生脱黏失效。针对上述3种锚固系统存在的截面削弱、应力集中及界面脱黏等问题,提出了考虑楔块挤压与树脂黏结的楔块⁃黏结复合型锚固系统,有限元模拟与拉伸试验结果表明,楔块⁃黏结复合型锚固系统锚具内应力分布均匀,杆体发生爆裂破坏,锚具内未出现杆体滑移,锚固系统极限锚固承载力为360.1 kN,有效地解决了复合材料混杂杆体的锚固难题。

回收碳纤维/剑麻增强聚丙烯复合材料的力学性能

为提高回收碳纤维(RCF)的高值化应用,采用湿法非织造成型工艺制备了碳纤维(CF)复合材料预成型体(CFP)。同时为避免复合成型过程中,湿法预成型体中黏合剂在加热过程中对复合成型产生影响,采用剑麻纤维(SF)与RCF混杂成型,利用SF间氢键作用提高CFP的可成型性,从而获得了CF/SFP预成型体。另外,还制备了SF预成型体(SFP)。以聚丙烯(PP)为基体,湿法非织造织物为预成型体,采用模压成型方式制备了3种PP基复合材料(CFPC,SFPC,CF/SFPC),并对以不同纤维组分形成的预成型体结构性能及PP基复合材料的力学性能进行测试,分析SF与CF混杂对湿法预成型体结构性能及PP基复合材料力学性能的影响。结果表明,在无黏合剂的条件下,RCF可通过与SF混杂,形成具有稳定结构和力学性能的CF/SFP,且混杂工艺可改善预成型体的结构均匀性及湿法成型过程中CF的质量损失率;当以SF与RCF混杂质量比3∶1制备CF/SFP时,较制备CFP时的纤维损失率下降了33.63%,厚度不匀率下降了35.03%。以湿法非织造织物形式存在的CFPC具有较好的力学性能,特别是在改善韧性方面。CFPC的拉伸应变可达到7%左右,弯曲强度达到60.01MPa,冲击强度可达到10.12kJ/m^(2)。采用RCF与SF混杂制备的CF/SFPC的力学性能较SFPC的力学性能有较大改善,在增强纤维含量相同的情况下,CF/SFPC较SFPC弯曲强度和冲击强度分别提高了13.09%和18.42%。

单向混杂碳纤维增强复合材料在三点弯曲载荷下的力学性能

本文采用模压成型工艺,使用日本东丽公司T1100GC和M55J两种碳纤维预浸料制备了一系列单向混杂碳纤维复合材料(HCFRP)层合板,通过改变HCFRP的混杂比和铺层方式,研究了不同HCFRP在三点弯曲载荷作用下的力学性能,并使用光学显微镜观察HCFRP的破坏形貌,分析其失效模式。研究表明:单一T1100GC和单一M55J碳纤维复合材料均发生压缩破坏,B型混杂结构HCFRP则以中间层的剪切破坏为主,C型混杂结构HCFRP的破坏模式与混杂比有关。无论何种混杂结构的铺层方式,混杂比为47.1%的HCFRP均表现出最优的弯曲性能,其中以M55J碳纤维作为芯层的C型混杂HCFRP的弯曲强度最高,为2052.7 MPa,其破坏模式表现为整体破坏;以T1100GC碳纤维作为芯层的C型混杂HCFRP的弯曲弹性模量最高,为310.5 GPa,其破坏模式表现为分层破坏。

低速冲击下碳/玻混杂复合材料红外辐射特征

碳/玻混杂复合材料在工业应用中表现出巨大的应用潜力。基于红外热像法试验研究了碳/玻混杂复合材料层压板与2种非混杂材料低速冲击下的红外辐射特征。通过目视、超声C扫描和光学显微镜等方法确定冲击后层压板的损伤模式,分析热图序列的时序变化特征和温度分布特征,从而表征冲击过程中的热耗散效应。结果表明:红外热成像技术非常适合监测低速冲击下纤维增强复合材料的损伤过程,通过热图序列可以建立起监测特征与各损伤模式之间的联系;同时发现碳/玻纤维的层间混杂可有效提升碳纤维强基复合材料(CFRP)的抗分层能力,随着冲击能量增加其抗分层能力愈加明显,冲击后的碳/玻混杂复合材料兼具较大的表面损伤和较小的分层损伤,拥有较好的损伤容限。

碳-玻纤维混杂正交三向复合材料力学性能研究

为了使混杂纤维三维机织复合材料在航空航天领域能得到更好的发展,对碳-玻混杂正交三向复合材料X向力学性能进行了数值模拟与实验研究。通过了解增强织物各项结构参数并在多种理论假设的基础上确定了材料细观结构。选取具有对称性的单胞结构,建立了有限元模型并对其进行了X向拉压工况的数值模拟,采用渐进损伤的方法预测了材料X向力学性能。使用树脂传递模塑工艺制作成型碳-玻混杂正交三向复合材料实验件,对其进行X向力学性能测试。将实验数据与理论值对比分析,验证了数值模拟方法的准确性。通过与纯玻纤正交三向复合材料力学性能的对比,讨论了碳-玻混杂材料的优势与缺陷。研究结果对该材料的实际应用提供了重要的参考依据。

高强玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料加固混凝土梁的抗弯试验研究

以高强玻璃纤维 (SGF)布与碳纤维 (CF)布混杂加固混凝土梁 ,进行对比试验研究 ,结果表明 ,与单一CF布加固相比 ,SGF/CF布混杂加固不仅使梁的延性显著提高 ,加固成本大幅降低 ,而且承载力也略有提高 ,仅刚度略为降低。

多向玻碳纤维混杂复合材料的拉伸性能

为探讨±45°铺层比例对玻碳纤维混杂复合材料拉伸性能的影响,对层间混杂和夹芯混杂分别设计4种铺层方案,并进行拉伸性能实验。通过经典层合板理论对试样的拉伸模量进行估算,与实验结果对比并分析误差。基于混杂效应及±45°铺层比例的影响,对经典层合板理论结果进行修正。结果表明:在±45°铺层比例为40%时,±45°铺层可以对横向应力和剪应力起到很好的平衡作用,从而有效提高复合材料的拉伸性能;混杂效应及±45°铺层比例对经典层合板理论与实验结果的误差都有影响,提出的修正公式可在一定程度上反映其影响,并且可以得到更加准确的拉伸模量估算结果。

碳/芳纶纤维混杂复合材料层合板弹道冲击特性研究

为了探究碳纤维、芳纶纤维、碳/芳纶纤维混杂平板的抗冲击特性,分别对T700SC-12K-50C碳纤维层合板、1000D629T芳纶纤维层合板以及两种碳/芳纶纤维混杂平板进行弹道冲击试验,通过抗冲击性能评估参数对其弹道冲击特性进行评估;同时借助CT扫描结果分析了层合板的内部损伤情况,揭示了其破坏吸能机理,并进一步探究了纤维混杂对弹道冲击特性的影响。结果表明:随着弹体入射速度的增大,平板的能量吸收能力升高,直至饱和达到峰值。当弹体入射速度超过弹道极限时,随着入射速度的升高,平板的吸能量保持稳定或略有下降,而能量吸收率逐步下降。与纯碳纤维平板相比,纯芳纶纤维平板的抗冲击性能更优,将纯芳纶纤维平板两侧替换为碳纤维铺层,可有限提高整体的吸能效果,但替换的碳纤维占比较多时,反而使平板的抗冲击性能下降。在圆柱弹体冲击下,纯碳纤维平板为切孔型损伤,以剪切破坏为主,且损伤集中在弹体冲击部位附近。纯芳纶纤维平板、碳/芳纶纤维混杂平板为炸裂型损伤,弹孔形貌靠近迎弹面区域呈圆孔状,在背弹面损伤区域呈锥状隆起。损伤形成过程分为挤压变形、剪切侵彻和拉伸侵彻三个阶段。

碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料的力学性能研究

采用拉-挤成型法制备单向连续碳纤维/玻璃纤维(混杂体积比1∶1)层内混杂复合材料,研究了混杂方式对复合材料力学性能及破坏机制的影响。结果表明,不同层内混杂复合材料受混杂结构的影响表现出不同的拉伸强度,但拉伸模量几乎不受混杂结构的影响;层内混杂复合材料的在层间剪切强度方面呈现正向混杂效应,其剪切破坏是树脂、界面破坏和纤维断裂的综合作用造成的,属于多级破坏。

碳玻混杂纤维增强复合材料的拉-拉疲劳性能的研究

纤维混杂是一种实现纤维增强树脂基复合材料性能与价格平衡的有效策略,碳/玻混杂织物(GCHF)是典型的纤维混杂实例。复合材料的疲劳性能是工程化应用的必要考核指标。本文以风力发电叶片梁帽用复合材料为研究对象,制备了4种不同混杂比例的单向GCHF增强环氧树脂基复合材料,基于对其静态拉伸性能的研究,扩展到动态拉-拉疲劳(R=0.1)性能,并与纯玻纤和纯碳纤增强环氧树脂基复合材料作对比。实验数据表明,高周疲劳下,GCHF增强环氧树脂基复合材料的疲劳性能符合线性混合定律,但是低周疲劳下误差相对较大。为叶片设计选材提供了一种简便快速估算GCHF增强环氧树脂基复合材料疲劳性能的方法。

碳纤维与玻-碳层间混杂2.5维机织复合材料的力学性能对比研究

2.5D机织复合材料由于具有特殊的层间联锁结构和相对成熟的织造、制备技术,在很多领域得到了广泛关注和应用。本工作制备了一种碳纤维2.5D机织复合材料和一种碳纤维-玻璃纤维混杂的2.5D机织复合材料。对两种复合材料经向和纬向的压缩、弯曲及剪切性能进行研究,并分析结构与性能间的关系。结果显示:2.5D织物经向压缩强度高于纬向,也优于2.5D混杂织物复合材料,而2.5D织物与2.5D混杂织物复合材料纬向压缩强度十分接近;2.5D织物与2.5D混杂织物复合材料经向弯曲强度差别不大,2.5D织物纬向弯曲强度则明显高于2.5D混杂织物复合材料;2.5D织物纬向最大层间剪切强度大于经向层间剪切强度,2.5D织物与2.5D混杂织物复合材料经向剪切强度差别不大,而2.5D混杂织物复合材料纬向剪切强度远低于2.5D织物复合材料。