芳纶/炭混编三维编织复合材料冲击后压缩性能实验研究

基于三维五向和三维六向编织结构,设计制备了4种芳纶/炭混编三维编织环氧复合材料,测试并分析了不同混编方式、不同编织结构复合材料的轴向压缩性能及接近18 J冲击能量下的冲击后压缩性能。结果发现,同种编织结构下,编织纱选用芳纶纤维、轴纱/六向纱为炭纤维的混编方式比编织纱为炭纤维、轴纱/六向纱为芳纶纤维的三维编织复合材料具有更高的CAI性能;同一种芳纶/炭混编方式下,三维五向较三维六向编织复合材料的CAI性能高;编织纱选用芳纶纤维、轴纱选用炭纤维混编方式的三维五向编织复合材料轴向CAI性能最好,对低速冲击损伤最不敏感,表现出较高的冲击损伤容限。进一步的观测表明,韧性芳纶纤维的加入改变了非混杂炭纤维三维编织环氧复合材料的冲击后压缩破坏模式。

芳纶/炭混编三维编织复合材料力学性能实验

基于三维五向和三维六向编织结构,设计并制备了4种芳纶/炭混编三维编织环氧复合材料,对比分析了芳纶/炭纤维混编方式(混编比)对三维五向和三维六向编织复合材料纵向拉伸性能、纵向和横向弯曲性能的影响。结果发现,同一种混编方式下,芳纶/炭三维五向编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能均高于三维六向编织复合材料,而其横向弯曲性能均低于三维六向编织复合材料;同一种编织结构下,炭纤维为轴纱/六向纱的芳纶/炭混编三维编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能较高;炭纤维为编织纱、芳纶纤维为轴纱的三维五向编织复合材料和芳纶纤维为编织纱、炭纤维为轴纱/六向纱的三维六向编织复合材料的横向弯曲性能和抗裂纹扩展能力明显提高。通过设计芳纶和炭纤维的混编方式,可进一步实现三维编织复合材料性能的可设计性。

碳/芳纶混编三维编织复合材料拉伸性能

为分析三维编织复合材料拉伸性能和失效机制,分别以碳纤维和芳纶纤维为轴纱和编织纱织造了三维五向、三维六向碳/芳纶混编复合材料。采用数字图像相关法采集试样在单轴拉伸过程中表面全场应变信息得到的泊松比。结果表明:三维编织复合材料泊松比受编织结构的影响较大,同种编织结构下,碳纤维为轴纱的复合材料基本保持了碳纤维三维编织复合材料的拉伸强度和模量,同时提高了断裂伸长率;芳纶纤维为轴纱的复合材料则显著提高了断裂伸长率,但拉伸强度和模量损失较为明显;同种混编方式下,三维五向编织复合材料的拉伸强度和拉伸模量较三维六向高,断裂伸长率无明显差异。编织纱分别为碳纤维和芳纶纤维的三维编织复合材料高应变区分别类似点阵分布和波浪线分布,三维五向和三维六向编织复合材料高应变区分别呈均匀分散分布和横向分布。

三维编织细编穿刺炭/炭复合材料拉伸与压缩性能及试件尺寸效应研究

通过对三维编织细编穿刺炭/炭复合材料的Z向和XY向进行的拉伸、压缩宏观实验,观测了不同载荷形式下和不同几何尺寸的试件的破坏模式和断口形貌,得到了材料在拉伸、压缩载荷下不同的破坏机理及材料的力学性能与试件几何尺寸的相关性。研究表明,材料Z向拉伸破坏时为平断口,XY向拉伸破坏时为台阶状断口,压缩载荷作用下Z向和XY向都为与受力方向成45°的剪切型破坏,Z向和XY向的压缩强度随试件的几何尺寸的变化具有相同的变化趋势,但Z向变化趋势较XY向更明显。所获结论为进一步进行该材料的刚度和强度预报以及强度准则的建立奠定了必要的实验基础。

UHMWPE/CF混编三维编织复合材料的弯曲性能

为获得最佳的混编排列方式,基于三维四向编织结构,以碳纤维(CF)和超高分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维为增强体,以环氧树脂(EP)为基体,采用真空导入工艺设计制备了三维编织UHMWPE/CF/EP复合材料,并研究了不同混编排列方式预制件复合材料的弯曲性能。结果发现:韧性UHMWPE纤维的加入改变了非混杂碳纤维三维编织树脂基复合材料的弯曲破坏模式,破坏模式呈现为塑性破坏特征;基于CF和UHMWPE纤维数量之比为1∶1的情况下,采用逐块排列混编方式的复合材料的弯曲性能最佳,较之逐束排列混编方式的复合材料提高24.28%。

三维混编超高分子量聚乙烯/碳纤维纱线比对弯曲性能的影响

高强度和高模量的碳纤维在增强环氧树脂基复合材料中存在韧性差、易分层的不足,文章采用三维编织工艺将超高分子量聚乙烯(UHMWPE,UH)和碳纤维(CF)进行混编,通过真空导入(VIP)成型工艺制备了三维编织UH/CF增强树脂基复合材料,研究了UH/CF不同纱线比对弯曲性能的影响。研究结果表明,不同混编比复合材料的弯曲强度、弯曲模量和最大应变都介于两种单一纤维增强复合材料的弯曲性能之间,由碳纤维替换相对含量为25%的超高分子量聚乙烯纤维后,弯曲强度和弯曲模量分别提升了106.56%和77.45%;相反,超高分子量聚乙烯纤维相对含量的增加提高了混编复合材料的最大应变,可以克服CF复合材料韧性差的缺点。