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。

混杂纤维复合材料螺旋桨的铺层结构设计与模压成型工艺

为推动复合材料螺旋桨构件设计与成型工艺的一体化研究,发挥纤维混杂在高阻尼、高性能桨叶开发环节的助力作用,以小尺寸复合材料螺旋桨为对象,基于其叶片型面特点与几何特征,开展混杂纤维复合材料桨叶的选材与铺层设计等工作,确定了螺旋桨在碳纤维(CF)/芳纶纤维(KF)混杂方式下的两种铺层方案。借助ANSYS Workbench平台中的ACP模块,建立了与桨叶实际结构特征较为一致的复合材料各向异性有限元模型,并在仿真分析的指导下,使用预浸料的模压成型工艺制作了混杂纤维复合材料螺旋桨样件模型。通过静态加载试验和模态测试试验,对比了桨叶模型的静刚度和前三阶模态频率的测试结果与计算结果,这既验证了基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨建模方法的有效性,也验证了模压法制作混杂纤维复合材料桨叶样件的可行性。

碳/玻混杂纤维复合材料自行车前叉的铺层设计及耐疲劳验证

与传统金属材料相比,混杂纤维复合材料具有轻质高强、耐疲劳和抗冲击韧性好等优点。为了得到既满足力学要求又节约成本的较优性能的前叉,通过有限元分析对碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料的自行车前叉进行铺层优化设计。自行车前叉分为叉身和立管,在不改变材料铺层角度和厚度的前提下,分别改变叉身和立管的层间混杂比和铺层材料(碳纤维预浸布/玻璃纤维预浸布)顺序,计算前叉在服役状态下的力学性能。通过对比材料最大应力值以及材料成本,获得该条件下最优的前叉设计。结果表明:混杂复合材料叉身的最内层材料应该用玻璃纤维铺设。当自行车前叉叉身混杂比为1∶2,铺层顺序为[G_(3)CGC];自行车前叉立管混杂比为3∶13,铺层顺序为[GCG12C2]时,所得碳/玻混杂复合材料前叉方案为最优铺层设计。5万次加速疲劳测试实验表明:采用优化后的铺层方案制备复合材料自行车前叉,可以满足前叉的耐疲劳性要求。

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。

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。

铺层角度对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度的影响

为了准确计算复合材料等效刚度,指导复合材料设计过程中铺层角度的选择。该文基于经典层合板理论,建立了考虑拉剪耦合效应的三维层合板等效刚度计算方法。基于该方法对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度随铺层角的变化趋势进行了分析,结果显示:随着铺层角θ1的增加,铺层方式为(θ_(1))_(25)/(θ_(2))_(25)的层合板的面内轴向刚度E_(x)、横向刚度E_(y)的变化曲线包含变化率显著不同的两个阶段;法向刚度E_(z)呈正弦变化趋势且当正交铺层时有最大值;面内剪切刚度G_(xy)在θ_(1)=45°且θ_(2)=135°时有最大值;面外剪切刚度G_(xz)和G_(yz)变化曲线关于θ_(2)=90°对称。通过比较层合板与单向板等效刚度发现,选择合适的铺层角度组合能够有效提高结构的法向刚度和面内剪切刚度。

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/亚麻纤维混杂复合材料层间断裂韧度

为提升碳纤维增强复合材料的抗分层能力,将亚麻纤维引入碳纤维增强复合材料,制备碳/亚麻纤维混杂复合材料。采用双悬臂梁实验和端部缺口梁弯曲实验研究碳/亚麻纤维混杂复合材料的层间断裂韧度,并与碳纤维增强复合材料进行对比,用扫描电子显微镜观察材料断裂表面微观形貌。结果表明:碳/亚麻纤维混杂复合材料的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧度与碳纤维增强复合材料相比分别提高了250%和23.86%;碳纤维增强复合材料断裂面上碳纤维表面较为光滑,说明其与树脂结合能力较差,导致较低的层间断裂韧度,而碳/亚麻纤维混杂复合材料的层间断裂面发现亚麻纤维单根纤维断裂、剥离、缠结,亚麻微纤丝剥离、缠结及亚麻微纤丝与碳纤维缠结等多尺度模式破坏。由多尺度结构亚麻纤维带来的多尺度模式破坏在裂纹扩展过程中消耗较多能量,即为碳/亚麻纤维混杂复合材料层间断裂韧度的提高机理。

苎麻纤维布和玻璃纤维布混杂铺层复合材料的力学性能

利用真空吸注成型(vacuum resin absorbable molding,VRAM)工艺制备苎麻纤维布与玻璃纤维布混杂铺层的环氧树脂基复合材料。测定复合材料的损耗因子、储能模量的温度谱和力学性能;利用单悬臂梁共振实验测量复合材料的共振频率和自由振动衰减曲线并计算出了阻尼因子。用有限元软件对其共振频率和自由振动衰减实验进行仿真分析。结果表明:通过苎麻纤维布/玻璃纤维布的混杂铺层,能够实现材料阻尼性能和力学性能的可控调节,充分发挥复合材料可设计性强的优势。其中RGR铺层的复合材料的损耗因子比纯玻璃纤维板提高了1.4倍,而拉伸强度比纯苎麻纤维板提高了3倍多;自由振动的有限元模拟曲线和实验曲线基本吻合,表明可以通过模拟软件实现复合材料的虚拟振动测试,从而为材料性能预测和设计提供方便。

复合材料加筋壁板结构筋条倒角对蒙皮铺层褶皱及纤维屈曲的影响

针对复合材料加筋壁板干筋条湿蒙皮共胶接工艺,提出对已固化筋条进行倒角,消除共胶接过程因筋条导致的蒙皮铺层褶皱和纤维屈曲。通过截面金相显微分析研究了筋条倒角对蒙皮铺层褶皱和纤维屈曲的影响规律,通过建立悬臂梁模型分析了筋条倒角对加筋壁板刚性的影响。结果表明,筋条倒角后,蒙皮铺层褶皱消除,随筋条倒角角度的减小,铺层内纤维屈曲情况逐渐减弱,加筋壁板刚性先增加后降低,在倒角角度为30°时可以得到较优的综合性能。

混杂纤维复合材料热膨胀性能及混杂效应的研究

通过力学和热性能实验分析了混杂复合材料的混杂结构、混杂方式及界面状态与热膨胀性能的关系。给出了混杂复合材料混杂效应系数的估算公式 ,并进行了实验验证。分析了热效应对混杂效应的影响。发现层间和夹心混杂复合材料的热膨胀量随炭纤维相对含量的增加而减少 ;经过表面处理后的纤维层间混杂复合材料的热膨胀量明显大于未处理的混杂复合材料。

混杂纤维复合材料阻尼性能的研究

为了使材料具有优异的力学性能 ,同时能对其阻尼性能进行设计 ,本文讨论了混杂纤维复合材料配方、铺层设计、外界温度、频率等对材料阻尼性能的影响。采用声频内耗仪和扭摆强迫共振测试材料的阻尼值 。

碳纤维复合材料钻孔出口椭圆形分层缺陷的研究

碳纤维复合材料钻削孔出口附近孔壁周围材料的分层是整个孔分层缺陷的最严重部位,它主要是由于钻削轴向力引起的Ⅰ型(张开型)裂纹破坏造成的。将钻头前端未切削的工件材料部分定义为叠合层,指出叠合层的刚度分布情况是决定各个层间分层形状的关键因素。通过对叠合层刚度取向及其与分层尺寸间关系理论分析发现,以钻头轴线为中心的分层尺寸与周向角度之间存在着椭圆或近似椭圆函数关系,从而阐明了多向碳纤维复合材料孔出口椭圆形分层产生的基本原因。叠合层上刚度最大的方向也是产生最大分层缺陷的方向,叠合层主刚度方向弯曲刚度与椭圆分层长轴角间的函数关系式可以通过一系列分析和相应的力学公式推导求得,在对该函数关系式微分后即可求得椭圆形分层长轴角的数值。

混杂碳/玻纤维复合材料自行车轮辋的铺层优化分析及抗疲劳验证

对碳纤维/玻璃纤维层间混杂复合材料自行车轮辋进行数值优化分析,能够设计出具有价格适中、安全性能高、耐疲劳等特点的自行车轮辋。借助有限元分析对自行车轮辋模型进行服役状态下的力学行为模拟,能够为试验研究提供相对可靠的方案,减少试验过程中不必要的原料浪费,从而降低整个复合材料轮辋的设计和制备成本。本文通过ABAQUS软件构建了自行车轮辋模型,通过调整碳纤维预浸布铺层和玻璃纤维预浸布铺层的顺序、各铺层角度比例和顺序,计算轮辋在服役状态下的力学性能,通过比较各方案得到较优的设计方案。5万次加速疲劳测试结果表明:采用优化后的自行车轮辋侧壁铺层方案及凸缘铺层方案指导复合材料轮辋的制备,可以显著提高复合材料自行车轮辋的抗疲劳能力。

混杂纤维复合材料参数设计与力学性能的关系

本文研究了混杂纤维复合材料参数设计与材料力学性能的关系。通过正交设计 ,三因子四水平的设计采用 16种配方 ,研究了增韧剂丁腈的含量、混杂纤维混杂比以及纤维总含量与材料拉伸强度和弯曲强度的变化关系。同时 ,改变纤维铺层的铺放顺序和铺放角度 ,寻求材料的优化结构 。

混杂纤维复合材料的平面剪切性能

研究了基体韧性和铺层方式对玻璃纤维、碳纤维及其混杂纤维复合材料平面剪切性能的影响。结果表明 ,玻璃、碳及其混杂纤维复合材料的平面剪切应力 -应变曲线均具有非线性特征 ;在脆性基体中选用混杂结构 ,其复合材料的剪切性能具有正的混杂效应。

铺层混杂对复合材料层压板侵彻性能的影响

本文利用MTS和冲击侵彻测试装置 ,研究了由芳香族聚酰胺纤维、高强聚乙烯醇纤维制成的织物通过不同铺层方式与酚醛 PVB树脂复合的层压板的准静态和冲击侵彻性能。结果表明 ,芳香族聚酰胺织物层的加入能显著提高高强维纶织物树脂复合材料层压板的准静态侵彻刚度。随着芳纶混杂体积分数的提高 ,铺层混杂复合材料层压板的准静态侵彻阻力、穿孔能量 (或单位面密度穿孔能量 )将随之增加。从防护装具性能 重量比和性能 价格比的角度考虑 ,在芳香族聚酰胺与高强聚乙烯醇织物铺层混杂复合材料层压板中 ,高强聚乙烯醇纤维混杂体积分数可以确定为 2 0

纤维取向对三维四向编织复合材料与层合复合材料振动性能的影响

通过实验方法对不同纤维取向角度的炭纤维三维四向编织复合材料和层合复合材料振动性能进行了研究,根据实验结果分析了纤维取向角度对两种结构复合材料振动性能的影响,并对两种结构的动态性能进行了比较。实验表明:随着纤维取向角度的增加,两种结构的同阶次固有频率都减小,同阶次损耗因子都增大。但在纤维取向角度基本相同的情况下,三维四向编织复合材料的固有频率比层合复合材料同阶次的固有频率高,层合复合材料的损耗因子比三维四向编织复合材料同阶次的损耗因子大。

层内混杂纤维增强复合材料力学性能理论研究

层内混杂纤维增强复合材料是一种新型的复合材料,具有优异的力学性能。在层内混杂纤维增强复合材料的理论研究中,人们对混杂效应形成的原因及影响因素做了大量工作,但其混杂形式多样,混杂效应产生的原因也较为复杂,尚无较为成熟的理论解释和公认的力学模型,且没有能够达到指导工程设计施工的水平。因此,在对已有研究成果总结的基础上,对混杂效应的产生机理进行了详细分析,提出了反映层内混杂纤维增强复合材料混杂效应的力学性能的理论模型和计算方法,并通过试验论证了公式的有效性。研究成果可为混杂纤维增强复合材料的工程应用提供设计指导。