针刺/缝合多尺度联锁复合材料I型层间力学行为

为明晰缝合工艺对针刺结构复合材料I型层间力学性能的影响,以石英机织布和石英纱线为原料,设计制备了针刺/缝合多尺度联锁织物及复合材料,采用Micro-CT对多尺度联锁织物结构进行表征,进一步研究了多尺度联锁复合材料I型层间力学行为,同时建立了I型层间断裂行为有限元分析模型,阐明了多尺度联锁复合材料的层间强化机制。研究结果表明:相比针刺复合材料,多尺度联锁复合材料的层间载荷值最大提高46.61%,临界能量释放率最大提高55.55%;在缝合矩阵不变的情况下,单束缝合纱线从100 tex增大到200 tex,最大破坏载荷提高了12.91%,临界能量释放率提高了17.8%;随着缝合矩阵增大,总植入量从800 tex增大到1600 tex后,最大破坏载荷提高了22.8%,临界能量释放率提高了47.3%;此外,多尺度联锁复合材料有限元模型的I型层间断裂模拟结果与实验结果相吻合,最大误差仅为3.1%,建立的有限元模型可较为准确地预测多尺度联锁复合材料Ⅰ型层间失效行为。

含镍铬合金丝纬编电加热层复合材料的层间剪切性能

为开发既具有电加热功能特性又满足承载结构基本力学性能要求的玻璃纤维/环氧层合复合材料,选取3种直径的镍铬合金丝,设计制备了平针、罗纹和双罗纹3种组织结构的纬编电加热织物,以镍铬合金丝纬编织物作为中间电加热层,优选热压罐复合成型工艺,制备了玻璃纤维/环氧层合复合材料。利用红外热像仪和万能试验机分别测试了复合材料的电加热性能和层间剪切性能。结果表明:在8 V直流电压下,6种复合材料均能升温到37℃以上,最高可达72℃,耗时30 s;最高平衡温度与镍铬合金丝直径成正相关,平针组织复合材料最高平衡温度最高,双罗纹组织复合材料表面温度均匀性最好;含镍铬合金丝纬编电加热层的玻璃纤维/环氧层合复合材料层间剪切强度相较于不含电加热层复合材料层间剪切强度保留率为74.1%~97.4%。初步研究工作表明,含镍铬合金丝纬编电加热层复合材料可同时实现玻璃纤维/环氧层合复合材料功能与结构的兼顾,有望满足直升机发动机进气道防/除冰系统的设计需求。

新型网状导流织物的制备及性能研究

利用不同导流介质材料、玻纤织物的层排布结构设计制备了流道型、层间型、复合型新型网状导流织物以及相应的环氧树脂基复合材料,考察了树脂/玻纤的导流速度及复合材料的力学性能。实验结果表明:不同的导流介质材料和结构层设计对树脂/玻纤的导流速度、复合材料的纤维质量分数以及力学性能有较大影响,导流速度由大到小依次为复合型、层间型、流道型织物,复合材料的纤维质量分数和力学性能由大到小依次为流道型、层间型、复合型新型网状导流织物。

低能电子束原位固化树脂基复合材料纤维铺放制造及性能

针对树脂基复合材料热压罐固化能耗高、工艺周期长以及高能电子束固化辐射大,设备笨重等问题,研究125 keV低能电子束与纤维铺放相结合的复合材料原位固化分层制造方法及复合材料性能。试验结果表明,125 keV低能电子束穿透能力较差,在辐照固化过程中电子能量衰减很大,不能穿透0.125 mm单层预浸带,双面辐照能够穿透复合材料预浸带且辐照剂量分布均匀。由于低能电子束固化过程温度低,即使辐照剂量达到250 kGy,固化度及玻璃化转变温度仍然只有60.7%和48.3℃。但经加热后固化处理后,复合材料的固化度及玻璃化转变温度得到了大幅度提高,50 kGy双面辐照复合材料层压板经180℃加热30 min后固化处理,其固化度从16.7%上升到97.4%,玻璃化转变温度从–3.2℃提高到167.3℃,同时试验结果表明经50 kGy双面辐照及热后固化复合材料的层间抗剪强度达到59.62 MPa,接近高能电子束固化复合材料层间抗剪强度。

TPU无纺布对玻纤预制体渗透率和FRP层合板层间韧性的影响

将熔喷成型的热塑性聚氨酯(TPU)无纺布(TNF)作为复合材料结构化的增韧层,采用真空树脂传递模塑(VARTM)工艺制备无纺布/玻璃纤维/环氧(TNF/GF/EP)复合材料,研究了其层间断裂韧性以及增韧机制,并对无纺布引入前后的玻璃纤维织物预浸体的渗透率进行了测量。结果表明:TNF增韧后的复合材料层间断裂韧性得到提高,Ⅰ型能量释放率GⅠC由790J/m^2增加到1411 J/m^2,提高了78%,Ⅱ型能量释放率GⅡC由569. 9 J/m^2增加到1223. 8 J/m^2,提高了115%,均表现出明显的增韧效果;同时,TNF的引入使得复合材料预制体体系的渗透率下降了56. 5%。

玻璃布增强PC复合材料分层裂纹的扩展行为

利用光学显微镜原位研究在Ⅰ型动态加载下玻璃布增强ＰＣ复合材料层板的分层断裂过程及其微观机理．结果表明，分层损伤微裂纹易萌生在平行于裂纹扩展方向的纱线束和交织面内．在层板边缘，主裂纹可沿经纱的方向穿过经纱和纬纱的交织面向前扩展，造成织物分隔．随裂纹张开位移的增大，纬纱才回到原织物平面内．

织物增强复合材料层合板I型层间断裂特性

采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性与断裂行为。为了评价测试温度和试样几何尺寸的变化对层间断裂韧性的影响,分别在室温(RT)和液氮温度(77K)条件下对不同尺寸的试样进行了双悬臂梁试验。采用扫描电镜对分层断裂面进行了观察,分析和验证了层间断裂特性。

不同无纺布对玻纤/乙烯基酯复合材料力学性能的影响

为了改善玻纤/乙烯基酯(GF/VE)复合材料的层间性能,采用VARI工艺制备层间加入共聚酯(PEs)、聚氨酯(TPU)、聚酰胺(PA)、乙烯-醋酸乙烯基酯(EVA)无纺布的GF/VE复合材料,对其拉伸、弯曲和Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究。结果表明:加入PEs、TPU、PA、EVA无纺布分别使GF/VE复合材料Ⅰ型层间断裂韧性提高了142%、103%、46%、45%;加入TPU无纺布使GF/VE复合材料拉伸强度提升了6.43%,其余分别下降了2.93%、3.72%、28.67%;加入不同无纺布后弯曲强度分别下降了13%、14%、25%、60%。共聚酯和聚氨酯无纺布对GF/VE复合材料的增强、增韧效果优于聚酰胺材料。

基于蜂巢组织的多层接结机织物的结构设计及性能分析

采用蜂巢组织为基础组织,利用蜂巢组织的凹凸效应,织造出可以包含大量静止空气的多层接结机织物,在具有厚度大、质量轻、保温性能好的同时,保持了织物层间性能良好的特点。

大型风力发电机叶片拉挤片材层间树脂填充研究

针对大型风力发电机叶片应用拉挤片材的灌注生产过程,探究拉挤片材层间树脂填充的影响因素,从而提出一种更有利于拉挤片材层间树脂填充的灌注工艺。通过对拉挤片材的层间织物的规格、拉挤片材的结构外形、以及导流系统的铺设方案的对比试验,来确定拉挤片层间填充的影响机理。首先分析确定拉挤片材层间影响的几大因素,然后制定试验方案;通过对比试验的UT(无损检测)检测结果来确定拉挤片材层间的树脂填充性的影响机理。通过对拉挤片材的层间树脂填充性研究,为风力发电机叶片提供更可靠的灌注工艺方案。

织物组织对增强复合板材断裂韧性的影响

探讨等离子体改性和织物组织对UHMWPE增强复合板材断裂韧性的协同作用。对平纹、二上二下斜纹和五枚三飞纬面缎纹组织的UHMWPE织物进行了表面等离子体改性处理,以改性前后的织物为增强体,制备了UHMWPE乙烯基酯树脂复合板材,并对复合板材进行了Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性测试。结果表明:未改性复合材料的层间及界面性能受织物交织区域影响较大,平纹结构复合板材层间性能优于其他两种组织结构。氧等离子体处理后对织物长浮线区域界面改性效果显著,为斜纹和缎纹结构提供更多纤维桥联和纤维抽拔作用来消耗抵抗分层时的断裂能。

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。

2.5D机织复合材料与平纹层合板弯曲及层间剪切性能

探究了2.5D机织复合材料与平纹层合板的弯曲及层间剪切性能。2.5D织物采用6层浅交直联组织,二维织物采用平纹组织,使用玻璃纤维进行织造,通过真空辅助树脂传输成型工艺进行复合材料的制备,研究其弯曲及层间剪切性能。结果发现:2.5D机织复合材料与平纹层合板的纬向试样弯曲强度及弯曲弹性模量均大于经向试样;2.5D机织复合材料纬向弯曲性能优于平纹层合板;2.5D机织复合材料在层间剪切试验时不发生分层现象;平纹层合板随着应力的增大产生层间破坏。2.5D机织复合材料在其厚度方向性能增强的同时接结纱方向的性能下降,织物中经纬纱的屈曲状态以及织造过程中经纬纱的受损程度对复合材料的力学性能影响显著。

结构化增韧层增韧RTM复合材料性能

从复合材料离位增韧思想出发,选用具有高孔隙率的尼龙无纺布(PNF)作为结构化增韧层,采用RTM工艺制备了PNF层间增韧改性的U3160碳纤维增强环氧3266树脂基复合材料(U3160-PNF/3266),并研究了其韧性相关性能和增韧机制。结果表明:U3160-PNF/3266复合材料层间仍保持其原有的结构形式,同时与层间树脂相互贯穿形成了一种非反应诱导相分离的双连续结构,并且这种双连续结构表现出显著的增韧效果。U3160-PNF/3266复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性和Ⅱ型层间断裂韧性分别提高了1.1倍和1.4倍,冲击后压缩强度由212MPa提高到281MPa。

结构化增韧层增韧RTM复合材料预成型体的渗透特性

选用尼龙无纺布(Polyamide Nonwoven Fabric,PNF)作为结构化增韧层,研究了增韧层的引入对纤维预成型体在树脂传递模塑成型(RTM)工艺过程中渗透特性的影响。结果表明:在径向非饱和流动模式下,层间增韧预成型体沿纤维方向的渗透率为5.2×10-12 m2,略低于非增韧预成型体的7.1×10-12 m2,而沿垂直于纤维方向的渗透率为2.3×10-12 m2,略高于非增韧预成型体的1.6×10-12 m2。此外,层间增韧预成型体的单向饱和流动渗透率为2.6×10-12 m2,较非增韧预成型体的1.9×10-11 m2下降了约1个数量级,z向饱和流动渗透率较非增韧预成型体的1.3×10-13 m2下降至2.5×10-14 m2,同样下降了约1个数量级。对复合材料层间微观形貌的分析结果表明:造成预成型体渗透率下降的主要原因首先是PNF引入至层间之后将阻碍层间树脂的快速流动,同时增韧层将使层内纤维含量明显升高,由55.3vol%上升到63.7vol%。

双轴向经编织物T700/BMI6421复合材料力学性能

对双轴向经编织物T700/双马来酰亚胺树脂(BMI)6421复合材料进行了弯曲性能和层间剪切性能测试,以同状态无经编线的单向布T700/BMI6421复合材料作对比,分析了经编织物T700/BMI6421复合材料的力学特性,采用微观金相、SEM分析了经编线引起的纤维层内部结构变化。结果表明,引入经编线导致纤维束面内排列产生扰动,降低了复合材料的弯曲性能,45°方向上弯曲模量下降约26%;经编线的绑缚使纤维层结合更加紧密,提高了层间剪切性能,0°方向上层间剪切强度提高约13%。证实了复合材料液体成型工艺中,经编织物可替代单向布等传统预成型体。

纬编双轴向织物/环氧树脂电加热复合材料电热及层间剪切性能

为开发一种可用于航空飞行器防/除冰防护的电加热复合材料,本文设计制备了三种纬编双轴向织物/环氧树脂复合材料,采用实验方法研究了纬编双轴向织物电阻丝排列密度对复合材料电热性能和层间剪切性能的影响。电加热复合材料上、下层均为玻璃纤维/环氧树脂预浸料,中间层为电加热纬编双轴向织物,织物衬经纱、捆绑纱和衬纬纱分别采用铜镍合金丝、涤纶和玻璃纤维。采用红外温度测试仪和材料万能试验机进行性能测试。结果表明:施加电压6 s后复合材料表面温度快速升高,在60 s左右温度达到最高平衡温度,复合材料表面最高平衡温度与施加电压成正比关系;当施加电压不变时,电阻丝排列密度越小,复合材料表面最高平衡温度越高;电阻丝排列密度越小,复合材料层间剪切强度越大。可见,纬编双轴向织物/环氧树脂电加热复合材料具有轻质高强、加热速率高、成型性好等特点,适合用于飞行器多个部位的防/除冰。

MWCNTs对碳纤维非褶皱无纺布/环氧层合板力学性能的影响

将羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)添加到TDE85环氧树脂中,然后与碳纤维非褶皱无纺布(C-NCF)复合,制备成[0°/90°/+45°/-45°]S层合板。采用三点弯曲、短梁剪切和单边切口弯曲测试方法以及动态力学性能分析方法,研究了不同含量的MWCNTs对层合板弯曲性能、层间剪切强度(ILSS)、Ⅱ型层间断裂韧性(GⅡC),以及玻璃态转变温度(Tg)的影响。并采用SEM对Ⅱ型试样的断面进行分析。结果表明,MWCNTs的加入显著提高了NCF层合板的力学性能。与空白试样相比,当MWCNTs在树脂中的质量分数为2.0%时,弯曲强度和模量分别提高了约26%和6%;当MWCNTs的质量分数为0.5%时,ILSS、GⅡC、Tg分别提高约14%、27%和14%。