层间熨平法增强熔丝制造CF/PEEK复合材料的力学性能

为减小熔丝制造(FFF)3D打印碳纤维增强聚醚醚酮(CF-PEEK)复合材料的孔隙率,提高其力学性能,提出一种层间熨平方法,即打印完一层后,喷嘴不挤出材料,并再次在这一层表面压过“熨平”。采用FFF工艺制备了CF/PEEK复合材料试样,通过单因素试验研究了扫描间距和层间熨平角度对CF/PEEK复合材料力学性能的影响。使用微米X射线三维成像系统对试样的内部孔隙缺陷进行表征。结果表明,当扫描间距为0.3 mm,纤维质量分数为10%时,无熨平CF/PEEK试样的孔隙率为1.91%,拉伸强度为78.5 MPa,弯曲强度为111.2 MPa。采用层间熨平法可以显著降低CF/PEEK复合材料试样的孔隙率,提高其力学性能。0°和90°熨平后,扫描间距为0.5 mm的CF/PEEK试样的孔隙率分别降低了74.08%和72.48%,拉伸强度分别提高了49.89%和41.98%,弯曲强度分别提高了20.66%和15.99%。当纤维质量分数为10%时,扫描间距0.3 mm的CF/PEEK试样的力学性能最佳,0°熨平的拉伸强度为90.9 MPa,90°熨平的弯曲强度为126.1 MPa。研究表明,层间熨平是一种降低孔隙率和提高力学性能的简单而有效的方式。

CFRP层合板力学性能数值模拟的研究进展

碳纤维增强聚合物基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)具有高比模量、高比强度及耐疲劳等优异的性能,被广泛应用于各个领域。但由于其具体的使用环境较为复杂,在服役的过程中易造成损伤而形成安全隐患,为此国内外学者针对CFRP层合板的力学性能进行了研究。本文从冲击损伤、分层损伤、高低温及湿热老化和多场耦合损伤4个角度对CFRP层合板力学性能模拟研究进展进行系统综述,并详细阐述了基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT)、内聚力模型(CZM)和渐进损伤本构模型(PDM)等先进数值分析方法模拟CFRP层合板损伤机理的研究现状。通过对比不同的有限元模拟方法,指出其优势及存在的问题,并对CFRP层合板力学性能模拟未来的研究方向进行了展望。

打印路径对3D打印混凝土构件力学性能的影响

在3D打印混凝土配合比研究基础上,对打印路径进行了优化设计。采用三种路径打印成型构件,评估了打印路径对3D打印混凝土构件力学性能的影响,并分析了打印构件的力学各向异性,提出了力学各向异性系数,确定了最佳受力方向。此外,通过SEM分析了打印构件的层间界面对力学性能的影响。结果表明:3D打印混凝土构件在Z方向受力最大,打印路径优化后,可有效改善层间薄弱面;打印构件在层间界面处的水化产物未能充分填充,存在空隙、气泡、裂缝等缺陷,使打印构件的力学性能降低。

3D打印CFRP-Ⅰ型层间断裂韧性的断层替换测试法及参数化分析

为实现3D打印碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)Ⅰ型层间断裂韧性的测试分析,并量化评价打印参数对该型断裂韧性的影响规律,推进3D打印CFRP技术在桥梁工程中的应用,分别从试验及仿真角度开展了相关探索。首先,提出了一种新型的3D打印CFRP层间预制裂纹制备方法-断层替换法,利用该方法开展了系统性的试验研究,分析了两类关键打印参数对Ⅰ型层间断裂韧性的影响规律。其次,基于内聚区理论及surface-based cohesive关系,构建了各类打印工况下的预制裂纹试件双悬臂梁(double cantilever beam,DCB)试验的仿真模型,并完成了仿真计算与试验测试的对比分析。结果表明:3D打印CFRP的Ⅰ型层间断裂韧性随着打印温度及速度的提高而增大,且打印温度对断裂韧性的影响更显著,当温度由245℃升至285℃时,断裂韧性提高了294.6%;当速度由20 mm/s增至60 mm/s时,断裂韧性提高了27.6%;当打印温度与速度提高时,试件在打印过程中热量散失更小,Ⅰ型层间力学性能得到提高;但当打印速度过大时,印材在打印过程中无法完全沉积并实现较好的黏结,反而对Ⅰ型层间力学性能造成负面影响。同时,仿真结果与试验数据的相对误差均控制在15%以内,表明提出的断层替换法在I型层间断裂韧性试验数据获取方面是合理且稳定的。因此,该方法可为后续量化评价3D打印CFRP桥梁工程构件的层间力学性能提供试验技术支撑。

碳纤维增强环氧树脂三维编织/单向织物混杂复合材料力学性能

为研究层间混杂碳纤维三维编织/单向(3D/UD)织物增强环氧树脂复合材料的力学性能,采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型工艺制备混杂复合材料层合板,通过试验研究分析了不同混杂比、铺层角度以及铺层顺序对混杂复合材料静、动态力学性能的影响。结果表明,单向碳纤维的加入显著提高了混杂复合材料的层间静态力学性能,其层间剪切性能随织物铺层分散性的增加而提升。而随着UD织物铺层比例的增加,混杂复合材料的弯曲性能和储能模量先升高后降低,压缩性能则不断下降。单向碳纤维的铺层角度对混杂复合材料力学性能的影响也较大,0°单向铺层混杂复合材料的静、动态力学性能均优于30°单向铺层混杂复合材料;在相同混杂比下,铺层顺序的不同对混杂复合材料的力学性能也有较大影响,0°单向铺层的三明治结构U6/3D/U6,其弯曲强度和弯曲弹性模量最高,分别为1210 MPa和117 GPa。此外,混杂复合材料3D编织层的失效以丝束与树脂的界面破坏为主,而单向层的失效以纤维断裂和分层破坏为主,不同的失效形式导致了混杂复合材料力学性能的差异。

碳纳米管膜层间增韧对碳纤维复合材料力学性能的影响

分别采用两种碳纳米管膜进行层间增韧,应用热压罐工艺成型了碳纳米管膜/碳纤维增强树脂基复合材料,研究了碳纳米管膜的成型工艺、取向、面密度对复合材料力学性能和层间韧性的影响。结果表明:CNT膜平行于碳纤维铺放时复合材料的压缩强度、90°弯曲强度和层剪强度均高于CNT膜垂直于碳纤维铺放时的复合材料性能。面密度较小的CNT膜对复合材料的增韧效果较好。喷涂法成型的碳纳米管膜层间改性的复合材料层间断裂韧性明显优于拉膜法碳纳米管膜层间改性的。CNT无规膜的面密度为0.75 g/m2时,复合材料的GIC和GIIC最优,相比改性前分别提高了21%和42%。

不同隔离层水泥混凝土路面层间力学性能

为了给设置了隔离层的路面进行结构分析时提供参数以及优化实体工程的隔离层方案,探讨了贫混凝土基层上铺筑水泥混凝土面层时采用稀浆封层、土工布隔离层与蜡制养护剂隔离层的界面力学性能差别。通过采用了不同隔离层的水泥混凝土路面上进行的层间力学性能试验和室内直道路面力学性能试验研究,测定了不同隔离层路面层间粘结应力、层间摩擦力和室内直道不同隔离层水泥混凝土路面板底部的动应力。现场面层混凝土层间粘结应力试验表明,在减少层间摩擦力、降低层间粘结应力方面,稀浆封层、蜡制养护剂隔离层优于土工布隔离层。而室内直道混凝土路面动应力试验结果表明,沥青混凝土隔离层缓冲应力的功能明显优于无隔离层路面及稀浆封层、蜡制养护剂隔离层路面。

湿热环境下双块式无砟轨道层间界面性能劣化试验研究

双块式无砟轨道结构受力的薄弱环节为道床板和支撑层之间的界面,其在运营期间不可避免会受到湿热环境的劣化作用。准确评估层间界面的劣化规律,对保障双块式无砟轨道的安全运营以及优化结构设计具有重要意义。采用加速试验研究不同湿热环境下双块式无砟轨道复合试件层间界面的性能劣化情况,重点分析了劣化时间与温度对复合试件的劈裂抗拉强度、剪切强度和层间界面劣化深度的影响规律。研究结果表明:双块式无砟轨道复合试件层间界面的劣化深度与劣化时间的平方根成正比关系;温度越高,双块式无砟轨道复合试件层间界面的劣化速率越快;双块式无砟轨道复合试件的劣化时间越长,其劈裂抗拉强度和剪切强度均越小;温度升高会加剧双块式无砟轨道复合试件劈裂抗拉强度和剪切强度的衰减,且温度对劈裂抗拉强度和剪切强度的劣化作用随着劣化时间的增加而增强;双块式无砟轨道复合试件的相对强度与层间界面劣化深度满足线性递减关系。

孔隙率对复合材料层压板层间剪切力学性能影响研究

针对两种复合材料典型铺层,以试验的方式对4种不同孔隙率级差的层压板结构的层间剪切力学性能进行研究。分别对层压板结构的0°和90°方向取样,测试了层压板结构的0°和90°方向的层间剪切力学性能。基于试验结果量化分析了孔隙率与层压板结构层间剪切力学性能之间的关系。分析发现,在孔隙率为1.7%~2.3%之间,层间剪切强度下降最快;取样方向对试验件的层间剪切强度影响很小;厚度越大,层间剪切强度受孔隙率的影响越小。

水泥稳定碎石基层不同层间接触情况下力学性能分析

公路水泥稳定碎石基层采用不同施工工艺与方法,上下基层不同凝期,以及层间污染与损伤,均会导致层间产生不同接触条件和受力特点。采用有限元对各种层间接触情况进行力学分析,得出在标准荷载作用下,各种层间接触情况下最大应力与位移出现的部位与大小。其中基层一次成型时,层底弯拉应力最小,出现在整层底部;基层两次浇注成型,层间有污染和损伤,产生部分松散,未松散部分分离时,层底弯拉应力最大,出现在上基层底部。

石墨烯纳米片对碳纤维增强金属层板层间力学性能的影响

提出一种新的方法,用来改善碳纤维增强金属板(CARALL)的层间黏结强度。将不同质量分数(0,0.1%,0.3%,0.5%和1.0%)的石墨烯纳米片(GnPs)利用超声分散的方法使其均匀分散于环氧树脂中,并利用湿法铺层方法完成CARALL的制作。进行Ⅰ型断裂韧性的测试,探究GnPs对CARALL层间性能的影响,并进行CARALL的拉伸与弯曲性能测试,研究GnPs对CARALL力学性能的影响。通过SEM与光学图像观察GnPs的增强机制与CARALL试件的失效模式。结果表明,当GnPs的添加量为0.5%时,CARALL具有最佳的层间黏结强度与力学性能。当添加0.5%GnPs时,Ⅰ型断裂韧性提高79%;拉伸强度、弹性模量与断裂应变率分别提高14.5%,11.0%和15.5%;弯曲强度与弯曲应变率分别提高23.9%和81.5%。这是由于添加GnPs到环氧树脂中可以分散CARALL所承受载荷,并利用自身的断裂、拔出和脱黏等机制吸收能量,进一步改善CARALL的层间力学性能。

考虑层间接触状态的沥青路面力学性能分析

为了研究不同层间接触状态的沥青路面力学性能,借助ABAQUS构建路面三维有限元模型分析了路面温度场下不同的层间接触状态对路面力学性能的影响,并建立了考虑层间接触状态的疲劳性能预估模型。研究表明:当深度路面在0.68 m以上,路面温度与深度呈三次多项式关系、路面深度在0.1 m以上时,路面温度与外界环境气温呈二次多项式关系;层间接触状态对沥青路面拉应力影响最大,剪应力次之,对竖向变形影响最小,低速、重载的车辆能使路面最大拉应力、最大剪应力、最大竖向位移分别增大90.0%、70.0%、63.2%;与完全连续状态相比,随着层间接触状态的劣化,沥青路面的疲劳寿命最大降低了75.6%。可见为延长路面的使用寿命,施工时应连续铺装压实,严格控制层间黏结质量。

累积叠轧制备的Cu/Al/Cu复合板材金属间化合物层演变及其对力学性能影响研究

目的研究在不同温度条件下Cu(商业纯铜)/Al(AA1060)/Cu复合板材累积叠轧过程中界面金属间化合物层对材料性能的强化规律。方法在不同温度条件下(350~500℃)累积叠轧制备Cu/Al/Cu层状复合板材,深入分析其界面金属间化合物层形状、元素分布及其对力学性能的影响规律。结果金属化合物层的厚度随着轧制温度的升高逐渐增加,且随着轧制温度的不同,形貌呈现很大的差异。当轧制温度为350℃和400℃时,金属间化合物相对平整。轧制温度升高到450℃时,金属间化合物层呈现锯齿形,使该工艺条件下加工的材料同时具有较好的强度(273 MPa)和塑性(4.06%)。结论制备Cu/Al/Cu层状复合材料过程中,通过优化轧制温度这一重要轧制参数,能实现强度和塑性的综合提高。

起圈织物增强层合板层间力学性能有限元分析与实验研究

建立了一种起圈织物增强层合板的平拉单胞模型,通过有限元计算预测其平拉强度。研究起圈织物增强层合板的复合成型工艺,制作了符合要求的实验件。对该种材料的短梁剪切、平拉、双面剪切性能进行了实验研究,获得了该材料主要层间力学性能参数,并与传统复合材料层合板的力学性能进行了对比,得出了一些有益的结论,为该材料的性能分析和结构优化奠定了基础。

纤维波纹对层间增韧碳纤维/环氧复合材料单向板力学性能的影响

本文采用层间增韧型碳纤维/环氧预浸料X850,通过碾压预制的面外波纹和预浸料叠层中插入预浸料条两种方法,分别制作了含面内纤维屈曲和面外纤维褶皱缺陷的单向层板,成型固化采用热压罐工艺。对复合材料中的两种纤维波纹进行了表征,并对拉伸与压缩性能进行了测试分析。实验结果表明:得到了波纹比不同的复合材料试样,纤维含量一致且无其他缺陷;在所预制的波纹比范围内,面外褶皱对层板的拉伸性能影响较小,压缩性能小幅降低,而拉伸及压缩性能对面内屈曲非常敏感,随波纹比增大,强度、模量及试样的破坏模式均发生显著变化,说明纤维波纹形式对该类缺陷的评估十分重要。

中间层Ni对TC4/2A14异种金属搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响

目的添加0.05mm厚的Ni箔作为中间层,对3mm厚的TC4钛合金和2A14铝合金进行搅拌摩擦焊,分析Ni对接头力学性能的影响。方法采用扫描电镜、EDS能谱及XRD衍射等微观表征分析方法,对焊接接头的断口形貌、成分进行分析,探究Ni箔对焊接接头力学性能的影响。结果由于钛合金和铝合金存在较大的物理化学性能差异,Ti/Al异种金属焊接性较差,界面容易产生TiAl_(3)、TiAl、Ti_(3)Al等金属间化合物,其中脆性相TiAl_(3)对接头性能的影响最大,会导致综合力学性能下降。当加入中间层材料Ni后,由于Ni与Al晶体结构均属于面心立方,因此Ni与Al的扩散系数大于Ti与Al的扩散系数,Ni和Al之间优先形成金属间化合物且弥散分布于焊缝中,从而缩短了Ti与Al之间的相互扩散时间,减少了TiAl_(3)相的生成。结论在未添加中间层材料时,接头平均抗拉强度为237.3 MPa,约为2A14铝合金母材抗拉强度的56.7%;当添加中间层Ni后,对焊缝中金属间化合物的种类和数量进行了调控,减少了对性能影响最大的TiAl_(3)相的生成,接头平均抗拉强度达到285.3MPa,为2A14铝合金母材抗拉强度的68%。

铜/镍箔中间层对铝/钢激光焊接接头组织与力学性能的影响

研究以Ni、Ni/Cu箔片为中间层的铝/钢异种金属激光焊接行为,系统考察Cu/Ni箔片复合中间层的添加对铝/钢异种激光焊接接头组织与性能的影响。利用扫描电子显微镜和能谱仪对焊缝横截面的组织形貌和各区域的元素分布进行观察分析,利用X射线衍射仪对焊接接头的主要物相进行分析,并利用电子万能试验机对焊接接头进行拉伸实验以表征其力学性能,结果表明:Cu/Ni箔片做复合中间层加入时,其中加入0.02 mm厚Cu箔片时焊接接头的最大剪切力提高至1754.72 N;加入0.05 mm厚Cu箔片时的最大剪切力为734.97 N,相比只添加Ni箔片时焊接接头的最大剪切力反而下降。Cu箔片的添加使得铝/钢界面的物相组成、元素分布和微观组织形态发生改变,同时增加了熔池的流动性。在靠近不锈钢侧的Fe-Al脆性相中的部分Fe原子被Cu原子取代生成新的二元韧性相,从而抑制Fe-Al二元脆性金属间化合物的生成,有效改善铝/钢的焊接性。因此,Cu/Ni箔片复合中间层的加入,可以有效地改善铝/钢异种激光焊接过程中的冶金反应,进而提高焊接接头的力学性能。

层间高速摩擦复合WAAM铝合金构件组织与力学性能

为提高丝材电弧增材制造(wire arc additive manufacturing,WAAM)构件性能,提出了一种电弧增材制造复合层间高速摩擦(wire arc additive manufacturing hybrid interlayer high speed friction,WAAM-HSF)的方法.采用直径1.2 mm的4047铝硅焊丝,使用WAAM-HSF方法进行薄壁构件制造,对比研究了WAAM和WAAM-HSF对铝合金薄壁构件的微观结构和力学特性的影响.结果表明,WAAM和WAAM-HSF构件的微观结构中存在着大量的柱状树枝晶.与WAAM相比,WAAM-HSF构件的微观结构明显细化.同时,不同工艺的晶粒分布趋势一致,即晶粒直径在两个薄壁中从顶部到底部逐渐减小.在相同区域,WAAM构件的晶粒尺寸大于WAAM-HSF构件.通过破坏外延结晶的生长,达到细化晶粒的目的.与WAAM相比,WAAM-HSF构件的平均断后伸长率减小了5%;但WAAM-HSF构件的平均显微硬度和平均抗拉强度则分别提高了9.96 HV和17 MPa.

基于分形理论对半刚性沥青路面层间接触状态及力学性能的分析

为分析实际工作状态下道路层间的接触状态对道路整体性能的影响,通过应用分形理论和层间接触理论,对半刚性基层沥青路面底面层与基层间接触状态进行力学分析,根据分形理论计算出最大接触面积,结合Bisar3.0软件中的剪切弹性柔性模量参数AK作为基面层层间接触状态的评价指标,进行路面结构力学计算得出不同层之间应力、变形的大小,为实际工程中路面层间结构设计做理论指导.

层间接触状态对沥青路面力学性能的影响

针对沥青路面的实际工作状态与设计理论状态不符的问题,结合沥青路面多层弹性层状体系理论,采用有限元分析方法对沥青路面进行了计算分析,结果表明,采用接触模型分析的结果很符合实际路面情况,对路面设计更具有安全保障。