2.5D机织复合材料双剪连接力学行为与损伤机制

为研究装配参数对2.5D机织复合材料连接性能的影响,制备了具有不同宽径比w/D与边径比e/D的2.5D机织复合材料试样,通过双搭接拉伸实验,分析了在连接载荷下材料的力学行为与失效模式,并借助微计算机断层扫描技术(Micro-CT)观察试样内部损伤情况,阐明其损伤机制。结果表明:试样在w/D和e/D分别取6和3时,表现出较高的力学性能,但适当减少w/D或e/D依旧能保有相当强度,当w/D下降为4时,刚度减少3.18%,极限挤压强度减少2.77%;当e/D下降为2.5时,刚度与强度分别减少1.62%和7.19%;螺栓孔的位置参数对材料的失效模式影响显著,减小w/D使经纱承受更多载荷,失效模式向净张力失效演变;减小e/D使纬纱承受更多载荷,失效模式向撕裂失效演变。

2.5D纺织结构复合材料预制件的设计及织造

对五层2.5D层间弯交浅联预制件织物组织和各项参数进行了设计,并在SV-111全自动剑杆织样机上进行了试织,以探讨其可织性。

2.5D C_(f)/SiC复合材料微尺度磨削试验研究

为提高2.5D C_(f)/SiC复合材料在微磨削加工中的表面质量,使用500#金刚石磨粒、直径为0.9 mm的电镀微磨具对其进行3个因素5个水平的微磨削正交试验.通过极差与方差分析微磨削速度v_(s)、磨削深度a_(p)和进给速度v_(w)对磨削性能评价参数(磨削力、表面粗糙度、表面形貌)影响的主次顺序;通过不同水平下的试验结果分析磨削性能评价参数随工艺参数的变化规律.结果表明,磨削深度对磨削性能影响最大,进给速度影响最小;当增大磨削深度与进给速度时,表面粗糙度及磨削力逐渐增大,表面缺陷较多;当增大微磨削速度时,表面粗糙度及磨削力逐渐减小,表面形貌平整均匀,缺陷较少.

2.5D C/SiC复合材料铣削材料去除的实验研究

为了探究2.5D C/SiC复合材料铣削加工的材料去除特性,分别选用端铣刀和鱼鳞铣刀对2.5D C/SiC复合材料开展普通铣削和超声振动辅助铣削实验。分析了四种铣削工况下切削力、切削温度的变化规律,研究了0°、90°和z向针刺纤维的去除特性。结果表明,相比于传统端铣刀和普通铣削,鱼鳞铣刀和超声振动辅助铣削分别可以显著地降低切削力和切削温度。超声振动辅助铣削可以使纤维的整体去除变为破碎去除,减小表面缺陷。鱼鳞铣刀和超声振动辅助铣削的组合工艺方式可以较大程度地降低表面缺陷、切削力和切削温度,提高工件表面质量,为2.5D C/SiC复合材料低损伤铣削提供了可行性。

2.5D编织复合材料细观结构及弹性性能

基于对2.5D编织复合材料细观结构的观察,提出了结构上更稳定的三维力学模型,反映了2.5D编织复合材料的结构。针对该模型,推导了纤维体积分数与几何参数之间的关系,并采用刚度平均法和有限元法预测了2.5D编织复合材料的等效力学性能,分析了弹性常数随纤维体积分数以及经密、纬密的变化规律。两种方法的预测结果均表明,倾斜角对弹性性能影响并不显著,但对材料内部的细观应力场有较大影响。理论预测与有限元结果吻合较好,从而验证了模型的有效性。

2.5D石英/酚醛复合材料的性能研究

对编织型复合材料——— 2 .5D石英 /酚醛复合材料作了初步的研究 ,采用先进的树脂传递模塑(RTM)工艺进行复合成型 ,并对其力学性能、热物理性能和烧蚀性能做了研究与分析。研究表明 2 .5D石英 /酚醛复合材料不但具有较好的整体力学性能 ,而且是一种优良的抗烧蚀。

2.5D C/SiC复合材料的热物理性能

分别采用热膨胀仪和激光脉冲导热仪测试2.5D C/SiC复合材料从室温到1400℃纵向、横向的热膨胀系数和厚度方向的热扩散系数。结果表明,2.5D C/SiC复合材料的热膨胀系数随温度的升高而缓慢升高,在350℃和700℃附近出现波动,且横向的热膨胀系数略高于纵向。热扩散系数随温度的升高逐渐降低,且下降速率随温度的升高而变缓。CVD SiC涂层后,材料热扩散系数提高1～2倍。

2D和2.5D编织陶瓷基复合材料加载速率效应和应力-应变行为模拟

对A、B、C三种工艺制备的2D和2.5D编织陶瓷基复合材料进行了准静态拉伸试验,试验采用的加载速率分别为0.02mm/min、0.2mm/min、1mm/min、5mm/min、25mm/min、125mm/min。获得了不同加载速率下,2D和2.5D编织陶瓷基复合材料的应力-应变曲线。基于所获得试验结果,讨论了加载速率对2D和2.5D编织陶瓷基复合材料力学性能产生影响的原因。试验结果表明:A、B工艺的2.5D编织陶瓷基复合材料对加载速率的变化不敏感;C工艺的2D编织陶瓷基复合材料对加载速率变化不敏感,而A工艺的2D编织陶瓷基复合材料对加载速率变化较为敏感,随着加载速率的增加,材料的初始弹性模量有较大程度的增大,破坏应变有所减小。基于基体强度分布理论,模拟了对加载速率不敏感的2D编织陶瓷基复合材料在拉伸载荷下的应力-应变行为。

2.5D机织复合材料结构与力学性能关系的研究

本文设计了3种典型2.5D机织物组织,制作了满足要求的试验件。对2.5D机织复合材料经、纬向的拉伸、压缩和层间剪切等性能进行了试验研究,获得了该种材料的主要力学性能参数。分析了这几种材料的结构与性能的关系,得到了一些有益的结论。结论表明,2.5D机织复合材料的拉伸、压缩、剪切强度基本取决于其纱线倾角和纤维体积含量;相同层数的2.5D机织复合材料的拉伸、压缩、剪切强度均表现为深交联>浅交直联>浅交弯联。

UHMWPE/乙烯基酯2.5D角联锁机织复合材料动态压缩性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)动态测试系统和岛津材料试验机,对材料厚度方向的压缩性能进行实验研究,得到了三种高应变率(360,710s-1和1120s-1)和准静态下的压缩应力-应变关系,压缩强度和冲击吸能,通过冲击破坏形貌探讨材料的动态压缩破坏模式和吸能机理。结果表明:UHMWPE/乙烯基酯2.5D角联锁机织复合材料厚度方向的压缩性能是与应变率相关的,其屈服应力、屈服应力下应变和压缩模量对应变率都是敏感的,同时,表现出明显的应变率强化效应;动态压缩下材料的破坏开始于经纱在试样表面的弯曲处,并沿着厚度方向发生剪切断裂;纤维束与树脂的分离和纤维束的剪切破坏是主要的破坏模式,组分材料的弹性吸能和纤维束的剪切断裂吸能是材料的主要吸能机理。

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机织复合材料冲击后剩余强度研究

本文主要对2.5D机织复合材料冲击后的剩余拉伸强度进行研究。采用落锤法预制冲击损伤,并进行剩余拉伸试验。用了基于层合板理论的软化夹杂法对冲击后试样进行刚度衰减的模拟,用有限元软件根据点应力破坏准则计算得到剩余强度,并与剩余拉伸试验结果进行比较,验证了模型的有效性。为便于对比,对平面机织斜纹布铺设的层合板进行了同种计算和实验,得到了在相同冲击能量下2.5D机织复合材料剩余拉伸强度衰减比例小于层合材料的结论,证明2.5D机织复合材料由于Z方向经纱的存在因而具有良好的抗冲击性。

2.5D衍生结构SiO_(2f)/SiO_2复合材料的经向力学性能

以几种不同的2.5D衍生结构织物为增强体,制备了法向增强、经向增强及经法向增强2.5D Si O2f/Si O2复合材料,比较了上述材料与现有2.5D Si O2f/Si O2复合材料的经向力学性能,并研究了经法向增强2.5D结构复合材料中增强纱比例、纤维体积分数与材料性能之间的关系,对织物结构进行了优化。结果表明,经法向增强2.5D Si O2f/Si O2复合材料的经向力学性能较现有2.5D复合材料有显著提高,该材料在较低密度下(1.6 g/cm3),经向拉伸强度与现有材料(1.65 g/cm3)持平,且经向压缩强度接近现有材料的4.3倍。

2.5D结构复合材料实体模型的参数化建模

用有限元计算软件分析2.5D结构复合材料的性能必须首先建立其实体模型,然而2.5D结构复合材料的实体模型十分复杂,增强体结构参数的变化导致模型变化,而有限元软件自身的建模能力不强,致使该软件的应用受到限制.采用参数、关系式和编程设计等方法,用Pro/Engineer软件绘制了能随着增强体结构参数变化而改变的增强体几何模型,通过数据接口将其导入ANSYS,再经过对几何模型的实体化和布尔操作,得到实体模型.参数化建模过程表明,该方法简单、实用.

层与层间浅交联2.5D结构对其复合材料经向拉伸强度的影响

本文通过对层与层间浅交联 2 5D结构的研究 。

2.5D C/C编织复合材料损伤演化试验研究

为研究2.5D C/C(碳/碳)编织复合材料的失效机理,对矩形截面试样开展损伤演化模拟试验.针对轴向加卸载过程中的应变响应,使用弹性模量法逐级计算试样损伤值,研究其损伤演化过程和规律;结合试样断口分析,总结不同失效模式对应的损伤效应.试验结果表明:2.5D C/C编织复合材料的失效位置具有分散性,失效模式具有多样性特征;分层破坏时损伤累积较小,损伤值达到10%~13%时试样即发生破坏,且裂纹只在层间扩展;纤维拔出和断裂时损伤累积效应较明显,在试样断口附近正反两面损伤演化过程均较显著,损伤值达到20%~25%时试样破坏.

2.5D芳纶机织复合材料的拉伸性能研究

2.5D机织复合材料凭借其特有的优点和相对成熟的技术受到各领域的关注。然而,这种材料现有的力学性能数据较少,且集中在耐高温和耐烧蚀材料上,影响了其可靠性的评估。对4种结构的2.5D芳纶机织复合材料进行经向和纬向拉伸性能研究,分析结构和拉伸性能的关系。试验结果表明:伸直状态的衬经纱对经向拉伸性能具有较大的贡献;伸直状态的衬纬纱对纬向拉伸性能具有较大的贡献;纬密增加会增大接结经纱的弯曲程度,从而降低经向拉伸性能。

含减纱2.5D机织碳/环氧复合材料低速冲击损伤机制

针对锥形回转体构件常用的减纱工艺,设计和制备了不含减纱、含半列减纱和含整列减纱2.5D机织碳/环氧复合材料。分别设置54 J和72 J的冲击能量,采用落锤冲击仪对3种复合材料开展了低速冲击试验,获取了载荷-时间曲线,并采用Micro-CT开展了损伤形貌和损伤量化分析。基于低速冲击损伤“局部”分布特征,建立了一种宏-细观混合有限元模型,开展了3种复合材料的低速冲击数值模拟,并揭示了失效机理。结果表明:数值模拟的力学响应曲线及损伤形貌与对应试验结果吻合较好;相比于不含减纱试样,在54 J冲击能量下,含半列减纱和整列减纱试样的冲击损伤体积分别增加了21.0%和34.8%;在72 J冲击能量下,含半列减纱和整列减纱试样的冲击损伤体积分别增加了15.7%和24.4%。可以看出,减纱点的引入明显降低了结构的承载效率。

2.5D石英纤维织物增强二氧化硅基复合材料弯曲性能测试研究

简要介绍了 2 .5D石英纤维织物增强二氧化硅基复合材料弯曲性能测试装置 ,通过对比试验研究了试样跨厚比、变形测量等对材料弯曲性能的影响 ,用数理统计的方法对总体均值进行了显著性检验 。

2.5D编织复合材料宏细观力学行为数值模拟研究进展

2.5D编织复合材料是具有高比强度、高比模量和良好结构整体性和性能可设计性的新型先进复合材料。细观力学有限元法是定量深入研究2.5D编织复合材料宏细观力学行为及其损伤失效机理的重要计算方法。本文综述了2.5D编织复合材料细观力学建模与数值模拟方面的研究及进展情况。首先分析总结了针对2.5D编织复合材料所建立的各类细观结构模型的特点及其适用性,重点讨论了采用不同纤维束截面形状建立的复合材料细观结构模型的优缺点。其次分析了通过多尺度方法分析预测2.5D编织复合材料弹性和强度性能的研究现状,并指出了目前2.5D编织复合材料细观损伤演化和失效数值模拟研究中存在的问题和不足,同时探讨了2.5D编织复合材料宏细观力学行为有限元数值模拟研究工作的重点与发展方向。