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。

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。

三维角联锁机织铺层复合材料的开孔拉伸性能

为了研究孔径对三维角联锁机织铺层复合材料拉伸性能的影响,制备了三种不同孔径的三维角联锁机织铺层复合材料并测试了其拉伸性能,并利用非接触全场应变测试系统和显微图像分析技术对复合材料进行了表征。结果表明,在拉伸过程中应变集中区域从孔的周边过渡到左右两侧,应变累计变化速率随着孔径的增大而增大。相比于开孔前样品,6、10、14 mm三种孔径样品的拉伸强度分别下降了23.13%、44.47%、50.08%,开孔试件的模量分别下降了16.92%、14.93%、22.25%。拉伸破坏包含纱线断裂、纤维拔出、界面脱粘等形式,其中较大孔径(14 mm)条件下,断口处分层破坏现象不显著。

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。

2.5D角联锁芳纶机织复合材料的压缩性能研究

探讨2.5D角联锁芳纶机织复合材料的压缩性能。测试了4种结构的2.5D角联锁芳纶机织复合材料的经向压缩强度和压缩模量及纬向压缩强度和压缩模量,分析了其结构与压缩性能间的关系。试验结果表明:伸直状态的衬经纱对2.5D角联锁芳纶机织复合材料的经向压缩性能有较大贡献;伸直状态的衬纬纱对2.5D角联锁芳纶机织复合材料的纬向压缩性能有较大贡献。认为应根据实际应用环境所需要的压缩强度和压缩模量来设计2.5D角联锁芳纶机织复合材料的结构。

界面层对三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料断裂韧性的影响

为探究界面层对SiC_(f)/SiC复合材料性能的影响,选用国产第3代SiC纤维,通过先驱体浸渍裂解工艺制备了热解碳(PyC)、热解碳/碳化硅(PyC/SiC)、氮化硼(BN)、氮化硼/碳化硅(BN/SiC)4种界面层的三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料。在此基础上,结合声发射技术对复合材料进行常温断裂韧性测试,并利用扫描电镜对其细观损伤模式进行评价。结果表明:界面层对三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料的断裂强度和断裂韧性有强决定作用,但对其初始模量没有太大的影响;以PyC层为主界面层的试样具有良好的断裂韧性,试样P-SiC_(f)/SiC和P/S-SiC_(f)/SiC的断裂韧性分别为13.99和16.93 MPa·m^(1/2),而试样B-SiC_(f)/SiC表现出强界面结合,具有最低断裂韧性6.47 MPa·m^(1/2);但在界面引入SiC层后,试样B/S-SiC_(f)/SiC的断裂韧性显著提高至15.81 MPa·m^(1/2);声发射能量和撞击数可完整描述SiC_(f)/SiC复合材料的实时损伤过程。

三维角联锁机织复合材料低速冲击破坏的有限元计算

测试三维角联锁机织复合材料低速冲击性能,得到复合材料在低速冲击过程中的载荷-位移曲线等。结合采用冲击接触定律、单元失效准则和材料刚度退化技术,建立复合材料低速冲击的三维有限元单胞模型。运用商业有限元软件ABAQUS/Explicit,联合用户子程序(VUMAT)计算复合材料低速冲击破坏过程。比较有限元计算结果和实验结果,发现二者在载荷-位移变化规律和复合材料破坏形态上较为吻合。

三维角联锁机织复合材料三点弯曲疲劳的细观结构效应

依据层层接结三维角联锁机织复合材料的结构特点,建立能真实反映细观结构特征的大型精细实体几何结构模型;基于非弹性滞后能疲劳破坏准则,用有限元法计算三维角联锁机织复合材料在三点弯曲低周交变循环载荷下的变形和刚度降解,揭示疲劳过程中三维角联锁机织复合材料内部应力分布特征和变形特征,分析纱线与树脂的破坏机理,阐述该复合材料在循环载荷下发生疲劳破坏的结构效应。结果表明,经纱在疲劳过程中承担大部分的载荷,且不同的组分呈现不同的破坏扩展过程。本文研究结果和研究方法将可进一步扩展至三维机织复合材料工程结构设计。

三维机织角联锁SiCf/SiC复合材料弯曲性能及损伤机制

为解决陶瓷基复合材料在服役环境中由于弯曲而导致失效的问题,从理论上分析了经向和纬向弯曲过程中复合材料弯曲受力与内部纤维之间的相互作用机制。以SiCf/SiC复合材料为例,利用微计算机断层扫描技术获得其内部纤维结构和孔隙等三维图像;并在此基础上,分别对三维机织角联锁SiCf/SiC复合材料经向和纬向进行弯曲性能测试,从细观、微观尺度分析弯曲损伤机制。结果表明:三维机织角联锁SiCf/SiC复合材料的纬向和经向性能明显不同,且纬向试样的弯曲强度大于经向试样;SiCf/SiC复合材料的弯曲损伤模式复杂,经向试样裂纹主要沿着经纱与纬纱接触点扩展,而纬向试样裂纹主要在纬纱束之间产生,并最终导致弯曲破坏。

三维角联锁机织复合材料有限元分析

在理想假设条件下,分析了三维角联锁机织复合材料的细观几何结构.将建立的几何模型导入有限元软件ANSYS 13.0,通过布尔运算建立了具有复杂细观结构的三维角联锁机织复合材料的模型,并利用ANSYS 13.0对其弹性模量进行了预测.利用真空辅助树脂传递模塑成型技术获得试件,在试验机上对试件进行测试,测得试件弹性模量.将弹性模量预测值与试验值进行比较,验证了该有限元模型的正确性.

层层接结三维角联锁机织复合材料的三点弯曲疲劳破坏

本文主要研究一种层层接结三维角联锁机织复合材料在三点弯曲交变循环载荷下的疲劳破坏与失效模式,以此阐述材料破坏的结构特征。在不同应力水平下对材料施加正弦波式应力进行三点弯曲疲劳实验,得到材料疲劳寿命(S-N)曲线,说明材料寿命与施加载荷之间的关系,随着应力水平的增加,材料的疲劳寿命呈现下降趋势。此外,观察材料的典型疲劳破坏模式,发现破坏主要集中于经纱屈曲起伏的最大曲率区域,应在结构设计中予以重点关注。

三维角联锁机织复合材料剪切性能有限元分析

使用三维绘图软件Pro/E 5.0构建出一种三层角联锁机织复合材料的细观结构模型,借助有限元软件ANSYS对复合材料在剪切力作用下纤维与树脂的应力、应变分布进行数值模拟,并借此分析该复合材料在剪切作用下的力学行为,并预测复合材料破坏模式。结果表明:复合材料在剪切力作用下发生沿剪切力方向程度较均匀的剪切变形;纤维相对于树脂承受更多剪切力作用,产生更大应力,但发生相对较小的应变;纤维中轴向与剪切力方向平行的经纱相对轴向垂直于剪切力的纬纱表现出更大的应力和应变。

角联锁机织复合材料的面内高速冲击破坏过程

制备层层结接角联锁机织复合材料。采用高速摄影方法采集冲击加载瞬间复合材料面内变形、裂纹扩展和渐进破坏细节,并将高速破坏帧图与应力-应变曲线的每个阶段对应。实验研究表明:面内冲击加载下的角联锁机织复合材料在达到其最大应力后将经历应力快速衰退(裂纹扩展与演化关键阶段)和应力缓慢衰退(持续破坏阶段)两个阶段。相比于面内经向受载,面内纬向受载时复合材料具有更高的模量和强度。且经向和纬向具有明显不同的高速破坏过程:经向受载时,层间裂纹沿着经纱屈曲路径扩展,迅速形成遍布材料厚度方向的多条剪切带而导致材料彻底碎裂;纬向受载时,层间裂纹只在面内方向演进,始终未能突破厚度方向上的经纱束缚,具有较强的抗冲击分层效果。

三维角联锁机织复合材料螺栓连接结构的拉伸性能及失效损伤

采用试验和有限元分析方法,研究孔径尺寸和螺栓排列方式对三维角联锁碳纤维/环氧树脂机织复合材料螺栓连接结构的拉伸力学性能和失效损伤演变影响。研究结果表明:三维角联锁机织复合材料螺栓连接结构的拉伸载荷峰值与有效面积成正相关;孔径尺寸和螺栓排列方式对试件拉伸失效强度无明显影响,拉伸失效应变与螺栓数呈负相关;拉伸失效模式以剪切挤压组合破坏为主,不受孔径尺寸和螺栓排列方式影响;有限元分析结果与试验结果具有较好一致性,因此采用有限元方法可预测三维角联锁机织复合材料螺栓连接结构的拉伸力学响应及其失效模式。

3D机织物增强复合材料板的力学性能

以玻璃纤维为原料 ,在普通平面织机上试织成各种结构的 3D机织物 ,并用环氧 -聚酰胺树脂体系 ,通过手糊成型工艺制得各种结构的复合材料板材。经性能测试 。

汽车内饰用2．5维机织复合材料的制备及拉伸性能

本文以丙纶(PP)长丝、亚麻为原料,通过包缠方式将PP长丝包覆在亚麻表面以形成PP/亚麻包缠纱;分别以PP/亚麻包缠纱为经纬纱,在全自动剑杆织样机上制织三种典型的2.5维(浅交弯联、浅交直联、深角联)机织物,并将该机织物通过热压的方式制成汽车内饰用2.5维机织复合材料,研究不同组织结构对复合材料拉伸性能的影响。结果表明,2.5维机织物的经向拉伸性能表现为深角联>浅交直联>浅交弯联,纬向拉伸性能相差不大;2.5维机织复合材料的拉伸性能表现为浅交直联>浅交弯联>深角联,纬向拉伸性能相差不大。

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。

三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的制备及其力学性能

为探究三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的结构对力学性能的影响,通过合理设计,以玄武岩长丝纱为经纱、聚酰胺长丝纱包缠玄武岩长丝纱为纬纱,在普通小样织机上织造正交结构、分层结构和贯穿角联锁结构的三维机织物;再采用热压成型工艺分别制备三种三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料;然后对三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的拉伸、压缩、耐冲击性能进行测试和分析。结果表明正交结构的三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的拉伸性能最好;贯穿角联锁结构的三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的压缩性能最好;三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料纬向承受的冲击强度高于经向,且分层结构的三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的耐冲击性能最好。

多层机织结构预成型体防弹性能研究

防弹复合材料通常由层压板复合而成,但其层间力学性能较差,存在不均匀性、各向异性等问题。而纺织结构复合材料中纤维束排列稳定,在冲击损伤容限和能量吸收方面存在可设计性以及增强结构的广泛性。以高强聚乙烯纤维为原料,采用改进后的3D机织工艺对比3D正交结构和3D角联锁结构的防弹性能,并对试验结果做出分析,为防弹性能的工程应用提供理论指导。