组合式3D机织增强复合材料树脂渗透性

通过对玻纤进行包缠设计并在普通二维织机上试制了组合式3D机织结构预制件,采用真空辅助成型工艺研制了复合材料。同时采用光学显微镜和SEM分别对织造中玻纤断裂情况和树脂在复合材料成型过程中的渗透性进行了研究。

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。

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 。

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。

玻璃纤维3D机织物增强复合材料板材的研制与其拉伸性能研究

以玻璃纤维为原料 ,试织成功了几种结构的 3D机织物 ,并用 6 10 1环氧树脂作基体 ,6 5 0聚酰氨树脂作固化剂 ,采用手糊成型工艺制得了各种结构的复合材料板材 ,对各种结构的复合材料板材拉伸性能进行了测试并对测试结果进行了分析。

连续碳纤维增强复合材料3D打印喷头设计与实验分析

以“独立挤出”型连续碳纤维增强PLA复合材料(continuous carbon fiber reinforced PLA composite,CCFRC/PLA)3D打印制件为研究对象,设计了柔性的连续碳纤维增强PLA复合材料丝(continuous carbon fiber reinforced composite filament/PLA,CCFRCF/PLA)送丝机构,研究了打印喷嘴直径与CCFRCF/PLA直径、表面包裹树脂膨胀特性及打印层高的关系,探讨了喷嘴端面直径对打印表面热辐射的影响规律,推导了喷嘴直径的计算公式,求解了最佳喷嘴直径和最佳端面直径。基于设计的打印喷头,采用仿真分析与实验验证的方法,探索了打印层高与制件力学性能之间的关系,结果表明CCFRC/PLA的抗拉强度与纤维层数呈正相关,并验证了层合板预测模型的有效性,获得了打印层高0.1 mm时CCFRC/PLA抗拉强度的修正系数为0.039,打印层高0.2 mm时,修正系数为0.124,为连续碳纤维增强复合材料3D打印技术的发展提供了理论基础和参考价值。

炭/环氧3D机织复合材料轴向和非轴向拉伸性能的实验研究

炭/环氧3D层-层正交角联锁机织复合材料是很有应用潜力的材料,但目前这种材料的力学性能数据较少,影响了其可靠性的评估。通过一系列的实验、分析,客观地评价了4种不同结构炭/环氧3D层-层正交角联锁机织复合材料沿0°、30°、45°、60°、90°方向的拉伸强度和拉伸模量。实验结果表明,4种材料均具有明显的正交各向异性特点,拉伸强度和拉伸模量的极值均出现在轴向,非轴向的拉伸强度和拉伸模量明显低于轴向值;带有衬经和衬纬结构的织物具有最佳的拉伸性能;4种材料的非轴向拉伸强度和拉伸模量彼此之间差异不是很大,拉伸过程伴随着剪切过程一同出现。

结构参数对碳/树脂3D机织复合材料拉伸性能的影响

通过一系列的实验比较和分析研究,客观评价了4种不同结构碳/树脂3D机织复合材料沿经向和纬向的拉伸性能。实验结果表明,4种3D机织复合材料沿经向和纬向的负荷-位移曲线具有双线性,初始模量高于二次模量;3D机织复合材料的拉伸曲线无屈服点,是脆性材料;3D机织复合材料的力学性能优良,可同时在经向和纬向获得很高的拉伸性能;加入衬经纱可以大大提高经向的拉伸强度和模量,加大纬纱密度可以大大提高纬向的拉伸强度和模量;4种不同结构3D机织复合材料中以带衬经和衬纬的复合材料拉伸性能为最佳。

玻纤／涤纶混杂3D整体机织蜂窝结构复合材料的冲击性能

为研究玻纤/涤纶混杂纤维复合材料中涤纶含量对复合材料低速冲击性能的影响,设计了7种混杂纱线,并在改进后的普通织机上织造,同时采用真空辅助成型工艺制成混杂纤维复合材料板材。探讨了多种纤维混杂后纤维体积含量的计算方法,对混杂纤维增强复合材料冲击后断裂情况及能量吸收性能进行研究。结果表明,混入涤纶后复合材料会产生明显的混杂效应,经预测当涤纶含量约为55.69%时,复合材料能量吸收性能最好,在节省成本的情况下达到了最优。

组合式3D机织物复合材料的拉伸性能

采用正交和角联锁结构进行组合设计,并使用玻璃纤维试织了2种不同结构的组合式3D立体机织物,经与树脂复合制成增强复合材料,对其拉伸性能进行了测试。结果表明,组合式3D机织物增强复合材料具有接近正交3D机织物增强复合材料的弹性模量和抗拉强度。

3D机织复合材料卫星桁架接头的抗弯刚度研究

为了研制高性能复合材料卫星桁架接头,采用三维有限元分析技术,分析了三维整体织物增强的碳纤维卫星桁架接头三通制件的等效抗弯刚度和内部应力分布,并与制件的三点弯曲实测结果进行了对比.结果表明:三通制件的等效抗弯刚度可以用有限元软件快速、方便、准确地计算出来,并可提供制件任意部位的应力分布状态,为优化制件结构设计提供理论依据.弯曲破坏实验的破坏载荷未能真实地反映接头的最大抗弯破坏承载能力,3个方管的根部应力尚未达到材料的破坏极限.

3D机织复合材料多向接头有限元分析

为了探究3D机织复合材料桁架接头的机械性能,采用有限元软件ANSYS对3D机织复合材料多向接头所在桁架总体进行有限元模拟,模拟中根据纤维走向对多向接头不同轴向圆管建立相应坐标系,并赋予材料属性,使用MPC多点约束法施加载荷.求解分析后结果表明:模拟结果与实测结果中最大应变的位置与数值基本吻合,确定了模拟的有效性;将最大应力与破坏应力对比发现接头在当前载荷下可能发生轻微破坏,破坏位置应位于副管顶部;通过模拟判断了实测中发生轻微响声的原因;将4种角联锁结构的多向接头模拟结果对比发现,带有衬经结构的复合材料为多向接头最佳材料.此次模拟补充了实测中无法得到的数据,为接头的优化设计和实际使用提供一定的帮助.

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。

基于拓扑优化的多复合材料3D打印增强方法及实验研究

针对多复合材料3D打印制造中利用连续纤维增强模型强度问题,提出利用拓扑优化技术对模型进行增强的方法,提升其力学性能。基于变密度法中的固体各向同向材料惩罚(Solid Isotropic Material with Penalization,SIMP)方法,引入体积分数常量,求解出模型的拓扑结构;建立采用增强材料填充拓扑结构、基础材料填充空洞结构的多复合材料3D打印材料分布模型,从而使得模型的整体结构得到强化。为验证该方法的可行性,以120 mm×80 mm×10 mm的矩形小板为例,利用ANSYS软件建立静力学仿真模型,与未增强模型力学分析结果进行对比,得到采用层间增强、轮廓增强和拓扑增强的模型在Y方向上的位移降低幅度分别为88.90%、87.10%和94.13%,采用拓扑增强的模型位移降低幅度最大;拓扑增强相对于轮廓增强和层间增强在Y方向位移上分别降低了50.79%和54.65%,表明该方法适用于多复合材料3D打印。根据仿真内容进行静力学实验分析,实验结果表明优化结构对比未优化结构在位移上减小了39.6%,证明了该方法对于复合材料3D增强打印具有实用价值。

3-D机织复合材料弹性性能研究

介绍一个基于纤维几何结构的模型，用以预测３－Ｄ角联锁织物复合材料的纱线体积含量和弹性常数．

3D打印连续纤维增强聚酰胺复合材料机械性能研究

采用3D打印增材制造(ALM)工艺制造连续纤维增强聚酰胺复合材料零件。利用扫描电镜来观察复合材料制成的3D打印单丝的显微照片,利用拉伸、压缩性能测试评估复合材料的力学性能。结果表明,纤维的表面处理导致硅烷偶联剂与玻璃纤维表面有化学反应发生;3D打印玻璃纤维表面附着大量聚酰胺材料,并结合良好。试样沿纤维方向的拉伸曲线应力随应变呈线性变化,直到断裂,在应力达到550 MPa时,试样发生断裂,拉伸应变为4.23%;而在垂直于纤维方向上,断裂强度可以达到10.56 MPa,试样发生断裂时,拉伸应变为1.32%。复合材料沿纤维方向上的压缩断裂强度可达86.82 MPa,试样发生断裂时,压缩应变为0.62%;而在垂直于纤维方向上,压缩断裂强度可达13.95 MPa,试样发生断裂时,压缩应变为1.22%。

机织针织复合结构增强复合材料的拉伸性能

经纬纱和针织纱分别使用玻璃纤维和高强涤纶编织新型机织针织复合织物作为增强体,采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制作聚乙烯树脂复合材料.对该新型复合材料的横向、纵向和斜向拉伸性能进行测试,并对拉伸应力-应变特征曲线及其拉伸断裂形态进行分析.研究表明:该类复合材料具有较好的拉伸性能,横向和纵向的拉伸性能均优于斜向,其拉伸断裂都为脆性断裂.研究结果为该新型织物增强复合材料的应用提供了必要的基础.

纤维增强复合材料3D打印研究进展

3D打印技术的快速发展使对3D打印制品强度的需求日趋增高,但传统3D打印耗材无法同时满足良好的打印效果和较高的强度,纤维增强成为解决上述问题的1种有效途径。介绍了国内外3D打印纤维增强复合材料的成形工艺研究,按增强纤维的长度将增强方式分为长纤维增强和短纤维增强,其中,将长纤维增强按照纤维嵌入基体的顺序分类为长纤维直接增强和和长纤维间接增强,将短纤维增强按照增强工艺分类为共混-挤出制丝-打印增强、共混-光固化打印增强、共混-直接挤出打印增强。运用熔体微分3D打印机引出了熔体微分3D打印纤维增强复合材料的概念。

连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的研究进展

结合连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTPCs)熔融沉积成型(FDM)工艺的最新发展情况,将该工艺按照原材料初始状态划分为在线预浸与离线预浸两类,并分别介绍各自使用的材料要求及关键打印设备的运行原理;同时综述了CFRTPCs的FDM工艺改进与应用结构及潜在的应用领域。同时针对CFRTPCs打印产品力学性能低的缺点,对包括工艺固有属性、材料种类等方面的原因进行了分析。最后,提出了目前面临的问题,为CFRTPCs的3D打印技术进一步发展提供新思路。