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。

单向碳/玻璃纤维层内-层间混杂复合材料拉伸破坏模式研究

采用碳纤维/玻璃纤维层内混杂单向布,设计了5种不同混杂结构和5种不同混杂比的试件,研究了混杂结构、混杂比对碳纤维/玻璃纤维面内混杂复合材料0°拉伸破坏模式的影响,建立了各自的拉伸破坏模式。结果表明:1相同混杂比、不同混杂结构试件的破坏模式可归结为3类,在进行相同混杂比、不同混杂结构设计时要避免使用两半式[A3]结构;2相同混杂结构、不同混杂比试件的拉伸断裂应力和应变的变化趋势相反,其破坏模式可归结为两类。此种情况下,碳纤维/玻璃纤维混杂比控制在3∶2左右时拉伸性能较好。

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。

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。

碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料性能研究

以玻璃纤维毡和玻璃纤维布为夹芯材料、碳纤维为表层材料,制备了混杂纤维增强复合材料,测试了在不同碳纤维含量和不同碳纤维铺层方向时增强复合材料的纵向拉伸强度和冲击强度等力学性能。结果表明:该混杂方式经济且有效。

层错结构对玻璃纤维/炭纤维混杂复合材料弯曲性能的影响

本文研究了某一位置的层错数目、多层错时的层错间距、炭纤维与玻璃纤维层数的比例等层错结构参数对玻璃纤维(GF)/炭纤维(CF)混杂复合材料弯曲性能的影响。结果表明:对于一定的混杂复合材料,弯曲强度随着某一位置层错数目的减少而增加;多层层错时,层错间距需达到某一临界值;炭纤维与外层玻璃纤维层数存在一个最佳比例。

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。

碳纤维/PBO纤维层间混杂复合材料性能

分别采用HTA-P30碳纤维、T800碳纤维与PBO纤维进行了层间混杂,研究了不同的混杂比、不同性能的碳纤维以及不同的粘接界面对PBO/碳纤维复合材料的拉伸性能和层间剪切性能的影响。试验结果表明,T800与PBO纤维混杂后,复合材料的强度表现出混杂负效应,而模量和层间剪切强度表现出混杂正效应,且均随混杂比的增大而降低。PBO纤维经过表面处理后,提高了混杂复合材料的弱界面层粘结性能,从而强度、模量、层间剪切强度的混杂效应系数均有不同程度的增大,尤其是层间剪切强度的混杂效应系数提高程度很大,并且与纤维的表面状态密切相关。随着PBO纤维的混入,可降低复合材料性能的分散性(离散系数),提高质量可靠性。

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。

碳纤维、碳/玻混杂纤维层合板力学性能对比研究

以碳纤维、碳/玻层间混杂纤维2种复合材料作为研究对象,采用相同的铺层厚度、铺层角度、铺层顺序制作层合板,在相同边界条件下进行了有限元仿真,对不同复合材料层合板进行了力学拉伸试验,对比分析得到了两者的力学性能差异。对比分析结果表明:取碳/玻层间混杂纤维层合板强度余量为10%,即层合板在承受4365 N下的轴向载荷时,可考虑替代碳纤维复合材料层合板,并且混杂纤维层合板抗弯曲性能较好,可考虑采用碳/玻层间混杂纤维层合板替代碳纤维复合材料层合板,且制造成本较低。

叠层顺序对回收碳纤维/苎麻混杂增强PE-HD复合材料力学性能影响

利用回收碳纤维(rCF)和苎麻纤维(RF)为增强材料,高密度聚乙烯(PE-HD)为树脂基体,采用模压法分别制备PE-HD/rCF和PE-HD/RF片状模塑料,然后取4片PE-HD/rCF和4片PE-HD/RF片状模塑料热压成不同叠层顺序的混杂复合材料,研究rCF和RF的叠层顺序对复合材料的冲击强度、拉伸强度的影响,利用高清电子测量显微镜观察材料的破坏模式和微观形貌。研究结果表明,叠层顺序对复合材料的冲击强度和拉伸强度有较大的影响,在冲击过程中,叠层混杂复合材料的冲击破坏模式主要是能量传递给纤维导致其断裂,将rCF置于样品冲击面时的冲击强度更高,芯部由rCF和RF叠层混杂组成可以进一步提高材料的冲击强度。叠层混杂复合材料的拉伸破坏模式主要是rCF断裂、层间剥离,通过rCF和RF的夹层结构设计可获得正混杂效应,提高了复合材料的拉伸强度。

混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能

为了考察混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能,采用碳纤维织物或玻璃纤维织物与芳纶纤维织物复合材料层共固化的方式,利用热压罐成型工艺制备了几种具有不同面密度及铺层结构的混杂纤维复合材料层板,并进行抗弹冲击性能测试、表观形貌观察和无损检测分析。结果表明:纯芳纶纤维及混杂纤维复合材料层板的钢弹冲击破坏模式相同,均为表层剪切破坏,中间层分层破坏,背层拉伸断裂破坏;层间混杂顺序对复合材料层板的分层缺陷面积有较大影响,当碳纤维层作为背层时,层板的分层缺陷面积为12 863. 6 mm2小于玻璃纤维层作为背层时(17 400. 5 mm2);当芳纶层作为背板时,混杂纤维复合材料层板冲击后分层缺陷面积与纯芳纶的相当(14 151. 0～14 927. 0 mm2)。混杂纤维复合材料对层板的抗弹冲击性能有较大影响,混杂后复合材料的弹道极限速度(v50)均有一定程度的提高,其中玻璃纤维/芳纶复合材料的v50从纯芳纶复合材料层板的193. 08提高至204. 33 m/s。将碳纤维层或玻璃纤维层作为着弹面层的混杂纤维复合材料层板具有更优异的抗弹冲击性能,其贯穿比吸能(BPI)均优于纯芳纶复合材料层板。

碳-玻纤维混杂复合材料杆体的力学与耐久性能研究

碳纤维与玻璃纤维混杂增强树脂基复合材料可以发挥碳纤维的高强、高模、耐疲劳性能与玻璃纤维的高应变、低成本等优势,满足工程结构应用需求.本文针对碳-玻璃纤维混杂增强环氧树脂基复合材料拉挤杆,发明了一套高效挤压-摩擦型锚固系统用于杆体力学测试,研究了纤维混杂模式(随机混杂与包覆混杂)对混杂杆体静力、湿热老化与疲劳性能的影响规律.研究表明:挤压-摩擦型锚固系统受力均匀,锚固效率高,适用于混杂杆体的力学性能测试;在一定的碳/玻璃纤维混杂比(2∶3)条件下,通过将碳纤维束随机分散到玻璃纤维束中制备的杆体可以避免包覆混杂杆体中的GFRP皮-CFRP芯界面薄弱层脱粘破坏,短梁剪切、拉伸与疲劳性能得到显著提升,实现了正混杂效应;在80℃高温浸泡下,随机混杂杆体受到碳-玻璃纤维/树脂界面劣化的影响,其界面强度保留率低于包覆混杂杆体.

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。

基体韧性和铺层方式对角层混杂纤维复合材料拉伸性能的影响

本文研究了基体韧性和铺层方式对± 4 5°铺层的玻璃纤维、碳纤维及其混杂纤维复合材料拉伸断裂性能和损伤行为的影响。实验结果表明 ,采用混杂纤维有利于提高复合材料的拉伸强度和断裂应变 ,呈正的混杂效应 ;

碳/玻混杂纤维布加固混凝土圆柱轴心受压性能

进行了素混凝土柱(未加固)、两层单一碳纤维(CFRP)加固混凝土柱、两层单一玻璃纤维(GFRP)加固混凝土柱和两层碳/玻不同比例层内混杂纤维(HFRP)加固混凝土柱的对比试验研究,以探讨各种加固条件下试件的破坏过程和特征。试验结果表明,相对于单一CFRP加固混凝土柱,碳/玻HFRP加固混凝土柱在保证一定的极限承载力的前提下能显著提高其延性,同时降低加固的成本。

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/钛超混杂复合材料老化性能研究

对碳纤维/钛超混杂复合材料CTIL-1在高温高湿的条件下进行加速老化试验,为了便于分析比较,同时列出了T300/648在相同老化条件下的拉伸、弯曲和层剪性能。在加速老化180d后,CTIL-1的拉伸、弯曲性能的保留率均在80％以上,层剪强度保留率也在60％以上,表明该材料有较好的老化性能。

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。