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。

基于三胞模型的2.5D编织复合材料力学性能研究

为了准确预测2.5D编织复合材料的纵向力学性能,本工作以2.5D等厚度和变厚度编织复合材料为研究对象,基于细观结构表征结果,建立了一种考虑表面挤压效应和纱线错位滑移影响的2.5D等厚度和变厚度编织复合材料的全胞和三胞模型;并在所建立的全胞和三胞几何模型的基础上,基于逐渐损伤法开展了2.5D等厚度和变厚度编织复合材料的数值模拟分析,对不同结构的纵向刚度和强度进行了预测,模拟了不同结构的损伤扩展过程和损伤行为,并与实验结果进行对比验证。结果表明:考虑表面挤压效应和纱线错位滑移影响的全胞和三胞模型能更准确地预测2.5D编织复合材料的力学性能;三胞模型的数值模拟结果能更准确地反映2.5D编织复合材料的损伤扩展过程,更全面地表征2.5D编织复合材料的损伤行为。

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 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.

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石英纤维增强纳米孔酚醛树脂基复合材料的力学和传热性能

本文以2.5D石英纤维预制体为增强体,以纳米孔酚醛树脂为基体,通过溶胶-凝胶、常压干燥工艺制备了具有优异力学性能和低热导率的2.5D石英纤维/纳米孔酚醛树脂基复合材料,并基于力学和热导率的测试表征和有限元分析,系统研究了复合材料的微观结构、传热性能和力学性能。结果表明:酚醛树脂在微观上呈现纳米孔三维网状结构,有效地实现了较低密度(1.35 g/cm^(3))和低热导率(0.18 W·m^(-1)·K^(-1)),提升了材料的隔热性能;同时由于2.5D编织结构中经纱弯曲程度较高而纬纱分布较直,复合材料的力学性能和断裂行为展现出各向异性的特征。进一步建立了以实际材料结构、力学和热学参数为基础的有限元分析模型,预测了纤维体积分数、基体参数和纤维参数对复合材料不同方向热导率和弹性模量的影响规律。

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。

2.5D角联锁机织复合材料热传导性能研究

首先采用碳纤维分别制备了不同经纱层数、经纱倾斜角度和经纱密度的2.5D层间正交角联锁机织物和2.5D层间斜交角联锁机织物;然后,以机织物为增强体、以环氧树脂为基体,采用真空辅助树脂传递模压成型技术制备了2.5D角联锁机织复合材料;最后,采用自制的平面稳态热源装置和激光导热仪测试复合材料在厚度方向上的热传导性能。结果表明:经纱层数较小、经纱倾斜角度及经纱密度较大时,复合材料表层升温速率较快,且平衡状态时表层温度较高;同种结构的2.5D角联锁机织复合材料,经纱层数多、经纱倾斜角度及经纱密度大,热导率大。研究结果为高强、高导热复合材料的优化设计提供了试验基础。

2.5维编织复合材料弹性性能的理论研究

以2.5维编织复合材料细观几何结构的深入研究为基础,详细分析了其单元体模型。采用圆形纤维束截面和经纱沿正弦曲线分布的假设,建立了基于刚度平均的2.5维编织复合材料弹性性能分析预报模型,并采用M atlab编程用于计算该类材料的力学性能。在材料经向纱线密度不变的情况下,预测了弹性性能随纬向纱线密度的变化规律。通过理论计算结果与实验值对比,验证了该方法的正确性。

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。

3D编织碳纤维复合材料的制备及其屏蔽性能的研究

用三维五向3D编织技术和模压成型工艺制备了碳纤维增强环氧树脂基电磁屏蔽复合材料,测试结果表明,三维五向编织结构可形成良好的导电网络,基于该结构制成的碳纤维复合材料屏蔽效能最高可达85dB,编织体整体化学镀镍可使材料的屏蔽效能提高约15dB,镀镍后的复合材料在14kHz～18GHz频段内具有较高的屏蔽效能,最高可达95dB。同时发现,该材料的屏蔽性能显示各向异性,这与编织体的纤维取向和电磁波的极化方向有关。

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.

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。

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 。