三维角联锁机织复合材料的制备及其弯曲压缩失效机制

为掌握三维纺织结构复合材料在准静态下的失效机制,以碳纤维角联锁预制体为增强体,环氧树脂为基体,采用树脂传递模塑成型工艺制备三维角联锁机织复合材料,并对试样进行匀速载荷下的三点弯曲和压缩试验。采用X射线计算机断层扫描技术观测材料内部结构的损伤情况,并分析材料的失效机制。结果表明:三维角联锁机织复合材料的弯曲强度达到136.43 MPa,弹性模量接近20 GPa,材料的抗弯曲性能优异;基体开裂、下表面纤维断裂和分层是材料的主要弯曲失效模式;材料沿厚度方向的压缩应力达到266.17 MPa,具有良好的抗压缩性能;当承受压缩载荷时,材料在厚度方向上的主要破坏机制表现为剪切破坏。

经纱织造张力对碳纤维增强三维机织复合材料力学性能的影响研究

三维机织预制体生产过程中,经纱张力控制对预制体织造及复合材料性能有至关重要的影响,选择最佳经纱织造张力可以有效提高三维机织复合材料质量。文章研究了不同经纱织造张力对三维机织预制体及三维机织复合材料性能的影响,结果显示:经纱织造张力越大,在机织造过程中经纱的磨损就较大,预制体面密度越大。当经纱织造张力为150 gf时,织造的预制体对应的复合材料经向拉伸强度最大,但经纱织造张力对其经向压缩性能几乎没有影响。

不同结构厚截面三维机织碳纤维复合材料的弯曲性能对比

为准确分析不同结构厚截面复合材料不同方向上的弯曲性能差异,通过设计织造三向正交、浅交直联、浅交弯联3种典型机织结构的厚截面碳纤维三维机织物,并采用真空辅助树脂成型工艺制备了近似纤维体积含量的碳纤维复合材料板,对其进行了XYZ方向的弯曲实验。结果表明:三向正交结构由于内部纤维束近似平直,碳纤维束自身性能得到最大利用,对应复合材料经向弯曲强度最好;浅交直联结构复合材料的Z经和Z纬弯曲强度累加值最大,其厚度截面上的综合弯曲性能最好,且其他各方向的弯曲强度较为均衡;浅交弯联结构内部纱线交织摩擦损伤严重,且经纱屈曲程度最大,对应复合材料经纬向弯曲性能均为最差。

加捻对碳纤维增强三维机织复合材料力学性能的影响研究

研究了加捻对碳纤维及三维机织复合材料性能影响。结果表明:捻度为15 T/m时,股线的拉伸性能最优,且各性能指标离散系数均较低。经纱采用加捻纱的三维机织复合材料经向的拉伸模量和断裂强度均较无捻纱束复合材料有所降低,而相应的纬向力学性能却均有所提高,加捻纱束对三维机织复合材料的面内剪切性能影响较小。

国产T800级S型与H型碳纤维对于三维机织复合材料风扇叶片的适用性研究

针对国产T800级S与H型碳纤维对于三维机织复合材料风扇叶片的适用性开展试验研究,试验结果表明S型纤维具备更高的拉伸断裂强度,但其三维机织复合材料疲劳性能较差,适用于非疲劳高承载结构;而H型纤维三维机织复合材料的拉伸强度略低于S型纤维,但相同载荷条件下其疲劳寿命比S型纤维高108.91%,相比之下,H型纤维更适用于航空发动机风扇叶片。

碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能多尺度分析

构建了多尺度模型对碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能进行预测分析,该多尺度模型包括微观、细观和宏观模型三部分。构建“碳纤维基体”的微观代表性体积单元模型,用于预测纤维束等效力学参数。根据平纹机织复合材料内部几何构型及求得的纤维束等效力学参数,构建“纤维束基体”的细观单胞模型,并通过周期性边界条件对其施加不同的位移载荷,预测细观单胞模型的等效力学性能。基于局部均匀化方法将细观单胞模型简化为含有0°和90°单层的等效交叉层合板模型,并将其阵列扩展为宏观模型,以分析低速冲击及冲击后压缩性能。通过对比不同冲击能量下的低速冲击及冲击后压缩的试验与仿真结果,验证了模型的有效性。

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。

动态压缩下一种碳纤维织物增强复合材料的各向异性力学性能实验研究

为获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料准静态和动态压缩力学性能, 对其三个主方向(垂直于碳布方向、碳布经向、碳布纬向), 分别利用Instron试验机和SHPB实验技术, 进行了准静态压缩和动态压缩实验。得到了三个主方向从低应变率(10-3/s)到高应变率(约103/s)下的压缩应力应变曲线和压缩强度, 并通过分析得到了三个主方向上的动态压缩响应特点: 垂直于碳布方向的力学性能及其与应变率的相关性主要由树脂基体所控制; 碳布经向和纬向的力学性能主要由碳纤维所控制, 并且和纤维初始微屈曲相关。最后, 分别给出三个主方向上的压缩强度和弹性模量与应变率相关性的表达式。

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.

2.5D机织复合材料悬臂梁振动疲劳实验与有限元模拟

2.5D机织碳纤维增强树脂基复合材料以其在力学性能和复杂构件成型两方面的综合优势,在大涵道比商用涡扇发动机风扇叶片方面具有巨大的应用前景。对发动机风扇叶片来说,振动疲劳是一种不可忽视的工况条件,目前2.5D机织复合材料振动疲劳方面的实验与数值预测模型十分有限。本工作针对一种模拟发动机叶片根部的2.5D机织复合材料悬臂梁结构,建立一阶弯曲振动疲劳行为模拟的多尺度模型,并基于固定周期跳跃的疲劳加载模拟方法,结合主导疲劳失效机制的损伤萌生准则和疲劳刚度退化模型,开展2.5D机织复合材料经、纬向试件振动疲劳实验过程的模拟。基于建立的多尺度模型分析试件危险部位单胞内的应力场,预测经、纬向试件振动疲劳实验后的损伤状态。数值模拟结果与实验后的断口形貌观测结果吻合,验证了本工作提出的2.5D机织复合材料振动疲劳多尺度预测模型的有效性。基于提出的振动疲劳多尺度预测模型,对随着疲劳加载次数累积经向试件工作段单胞内的损伤状态进行了仿真,揭示了2.5D机织复合材料振动疲劳损伤的演化机理。

三维机织复合材料板簧式起落架结构设计及其有限元分析

为实现直升机板簧式起落架减重和提高层间剪切性能,采用碳纤维三维机织结构整体制备复合材料起落架。针对起落架的设计要求,通过受力分析和理论计算,建立了板簧式起落架的三维力学分析模型;通过材料实验和理论计算,获得了有限元计算所需的材料工程常数;结合最大应力-应变准则,采用有限元方法对板簧进行准静态加载模拟,确定了板簧的截面和轴线几何形状,以及变截面增厚部位的长度值与厚度值。结果表明:基于斜纹2.5维机织复合材料结构,截面宽度为120 mm,厚度为24 mm的弓式圆弧形、矩形截面板簧在满足挠度的同时其应变小于材料许用应变值;基于优选截面,增厚长度为760 mm,增厚厚度为36 mm时,复合材料起落架不仅能较好满足挠度、强度等设计要求,而且在同类型航空用4340钢制成的板簧结构件基础上质量减少约30%。

碳纤维三轴机织物/环氧树脂基复合材料的弯折性能

以碳纤维为增强材料,平面三轴机织物为增强体结构,环氧树脂为基体,通过真空辅助树脂传递模塑技术(Vacuum assisted resin transfer molding,VARTM)制备了碳纤维三轴机织物增强环氧树脂基(Triaxial woven fabric/epoxy resin,TWF/EP)复合材料。借鉴金属材料薄板弯折性能试验方法,采用万能试验机开展TWF/EP的弯折实验,探究其弯折性能和损伤机制。研究结果表明:TWF/EP复合材料的弯折强度和模量与纤维束规格呈显著正相关性,与角度呈负相关性。在0°~30°范围内,TWF/EP复合材料的弯折性能变化幅度较小,表现出准各向同性。TWF/EP复合材料的力学响应表现为脆断,破坏模式分完全折断和不完全折断,TWF/EP复合材料的弯折断裂机制主要为纯剪切破坏、压剪耦合破坏及拉剪耦合破坏。

湿热环境对碳纤维环氧树脂复合材料弯曲性能的影响

采用不同温度下的三点弯曲测试方法,研究了湿热环境对机织碳纤维环氧复合材料吸湿前后弯曲性能的影响,分析了复合材料的吸湿量、断口形貌、动态力学性能及其加载曲线。结果表明:机织碳纤维环氧复合材料吸湿率较低,其饱和吸湿率仅为0.88%左右。湿热对复合材料弯曲强度的影响要大于对弯曲模量的影响。干态试样的断裂形式都为脆性断裂,湿态试样只有在高温下未发生断裂。吸湿后复合材料的玻璃化转变温度(DMA T_g)为125℃,比干态时下降了16℃。在弯曲变形的前期,载荷和位移曲线都成线性变化,干态试样在载荷达到峰值之前会出现小的波动。湿态试样的后期会有明显的弯折或塑变,而且随着温度的升高这种现象越明显。

锻纹机织复合材料高速冲击试验研究及理论分析

为了研究1种碳纤维增强锻纹机织复合材料的弹道冲击破坏机理,使用钛合金圆柱弹体进行了弹道冲击试验,并对冲击过程进行了理论分析。结果表明:复合材料靶板在平头圆柱弹体冲击下,失效模式在冲击面主要是纤维剪切失效和基体压溃,失效模式在靶板背面主要是纤维拉伸失效、基体开裂、纤维拔出和分层失效;由于纤维正交铺设特性,靶板背面的损伤区域为菱形。基于试验中对复合材料靶板损伤模式和损伤区域的的观察,提出了理论分析模型,认为弹体能量消耗主要是通过层合板压溃、动量转移、纤维的拉伸断裂失效和剪切充塞吸能,建立了弹体冲击靶板过程能量变化的微分方程,理论分析模型可以有效预测复合材料靶板的弹道极限。

碳纤维复合材料避震塔强度性能多尺度优化设计

综合考虑机织复合材料成型及力学性能特点,设计了一体式结构3D机织碳纤维复合材料避震塔,并基于多尺度优化方法,综合考虑材料和结构参数,实现避震塔强度性能优化设计。为获取准确的仿真分析用材料参数,基于显微镜观测得到的机织参数建立多尺度预测模型。通过避震塔强度性能仿真分析与试验结果的对比,验证了考虑工艺过程影响的材料参数预测结果及结构性能仿真分析方法的正确性,与原高强钢避震塔相比,优化得到的3D机织碳纤维复合材料避震塔实现了50%的轻量化效果。

碳纤维/聚酯纤维混杂环氧树脂复合材料制备及其性能研究

为了探究织物组织结构、铺层角度对复合材料力学性能的影响,采用真空辅助树脂传递模塑工艺,设计并制备不同织物组织结构(平纹和2/2↗斜纹布)和不同的铺层角度(0°、45°、90°)共计6种碳纤维/聚酯增强层合板和1种碳纤维增强层合板,对所有样品进行弯曲和摆锤冲击实验。实验结果表明,聚酯纤维的加入有效改善了复合材料的韧性;相比斜纹、平纹组织具有更多的交织点,表现出优异的能量吸收能力;铺层角度的不同导致材料在不同方向上两种纤维含量的不同,造成在特定方向上刚韧性表现不同。研究结果表明聚酯纤维的加入可以在降低材料成本的同时改善碳纤维复合材料的综合力学性能。

分层接结三维机织预制体增强酚醛树脂基材料的摩擦性能

为克服短切纤维和二维碳布增强预制体结构强度低的缺点,分别设计并制备了浅交弯联和深交联2种分层接结三维机织碳纤维预制体增强酚醛树脂基复合材料,并以相同复合工艺制备了短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料。测试碳纤维/酚醛树脂复合材料的摩擦性能,并通过观察3种复合材料的磨损表面和磨屑的微观形貌,探讨了其摩擦机制。结果表明:短切纤维复合材料的摩擦因数和磨损率最高,深交联的摩擦因数和磨损率最低,浅交弯联的居中。分层接结三维机织结构预制体具有优良的力学性能和整体性,会使复合材料在摩擦过程中减少磨屑与磨损,保持稳定的摩擦因数,从而使复合材料具有良好的摩擦性能。

孔洞型碳纤维三轴机织物/环氧树脂复合材料的弯曲和拉伸性能

以T300碳纤维为增强纤维材料,环氧树脂为树脂基体,采用树脂膜熔渗(Resin film infusion,RFI)工艺制备碳纤维三轴机织物/环氧树脂(Triaxial woven fabric/epoxy resin,TWF/EP)复合材料。通过三点弯曲试验和拉伸试验研究了复合材料试样的面内弯曲性能和面内拉伸性能,采用3D轮廓仪观察拉伸试验后试样的损伤形貌,并分析其损伤机制。研究结果表明:TWF/EP复合材料的弯曲弹性模量表现为准各向同性,复合材料的孔洞率、碳纤维束规格与弯曲弹性模量呈现显著正相关性,与拉伸模量呈现负相关性。在拉伸载荷作用下,TWF/EP复合材料的主要失效模式包括纤维束断裂、纤维束拔出和交错失效,拉伸断裂机制主要为纯剪切破坏、扭转剪切破坏、拉剪耦合破坏。此外,在渐进损伤过程中,应变集中区发生在纱线交织点处。

电动车轻量化复合材料车身骨架多尺度分析

复合材料由于其微观结构的非均匀性以及复杂的力学特性,使得其零部件设计难度大大增加。采用多尺度分析的方法,根据T300/Epoxy斜纹机织复合材料细观几何参数,建立其单胞几何模型,引入周期性边界条件对单胞结构进行有限元分析,进而预测复合材料层合板三维弹性性能参数,并通过力学试验证明试验结果和预测结果较为接近;利用LS-Dyna中的MAT_54建立复合材料渐进失效模型,通过三点弯曲试验结果调整模型参数,最终得到的复合材料渐进失效模型仿真结果与试验结果一致;将调整好的复合材料渐进失效模型应用到电动车复合材料车身骨架轻量化设计中,对复合材料骨架进行顶压仿真以及柱碰仿真分析。分析结果表明,复合材料车身骨架设计符合法规要求,与铝合金骨架相比,在重量减轻59%的同时表现出更好的耐撞性能。

湿热环境下复合材料孔板压缩性能的研究

采用压缩试验的方法,对含孔机织碳纤维环氧复合材料层板进行了湿热环境下的压缩试验,研究了湿热环境对其压缩性能的影响。分析了复合材料孔板的吸湿特性、压缩强度、破坏模式及动态力学性能。结果表明:机织碳纤维环氧复合材料吸湿率较低,其饱和吸湿率仅为0.88%左右。湿热环境会降低由基体性能主导的压缩强度,130℃下湿态试样的开孔压缩强度保持率约为70%。含孔复合材料层合板的破坏模式均为过孔破坏,破坏均发生在应力集中的区域,并且断裂都是沿着应力集中最大的方向扩展。侧面断口主要为剪切失效,有分层和屈曲的特征。吸湿后复合材料的DMA Tg为125℃,比干态时下降了16℃。