Influence of voids on interlaminar shear strength of carbon/epoxy fabric laminates

The effects of voids(void content,void shape and size)on the interlaminar shear strength of[(±45)_(4)/(0,90)/(±45)_(2)]_(S) and [(±45)/0_(4)/(0,90)/0_(2)]_(S) composite laminates were investigated.Specimens with void contents in the range of 0.2%-8.0%for [(±45)_(4)/(0,90)/(±45)_(2)]_(S) and 0.2%-6.1%for[(±45)/0_(4)/(0,90)/0_(2)]_(S) were fabricated from carbon/epoxy fabric through varying autoclave pressures.The characteristics of the voids were studied by using optical image analysis to explain the interlaminar shear strength results.The influences of voids on the interlaminar shear strength of the two stacking sequences were compared in terms of the void content and size and shape of the void.The effect of voids on the initiation and propagation of interlaminar failure of both stacking sequence composites was found.

提升杂环芳纶复合性能的研究进展

杂环芳纶是指主链中含有芳杂环(通常为苯并咪唑)的一类对位芳纶,其具有轻质、高强高模、高耐热、耐溶剂等优异性能。相比典型的芳纶Ⅱ纤维,杂环芳纶具有更加优异的力学性能,目前在我国的航空航天和防弹防护等领域得到了实际的应用。然而,与其他有机纤维类似,杂环芳纶由于表面惰性,其与树脂的复合性能相对较低,限制了其在先进复合材料领域的应用。本文从杂环芳纶表面改性和结构设计两方面出发,总结近年来提高杂环芳纶复合性能的设计思路、技术手段和研究成果,展望其在先进复合材料应用领域的发展趋势,为有机纤维的界面设计及改善界面粘接性提供帮助和参考。

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。

重组竹方销对正交胶合木力学与声学特性的影响

为提升正交胶合木(CLT)的中低频隔声性能,设计了一种以重组竹方销为声散射体的二维声子晶体结构的CLT,探究对嵌入重组竹方销的杉木CLT力学和声学特性的影响。采用短梁剪切法,研究了跨中面外开孔的CLT短梁和嵌入重组竹方销的CLT短梁层间剪切强度、最大正应力和静态韧性系数;采用阻抗管测试法,研究了周期性排布的重组竹方销对CLT隔声量的影响规律。短梁剪切试验表明:与未开孔CLT相比,开孔使CLT的层间剪切强度下降了13.0%~16.5%;与开孔CLT相比,方孔中嵌入重组竹方销可使开孔CLT的层间剪切强度提升8.5%~12.7%,从而与未开孔CLT的层间剪切强度差异不显著,其最大正应力分别与开孔和未开孔的CLT最大正应力差异不显著,为24.52~29.45 MPa;方孔中嵌入重组竹方销的CLT在静态韧性系数上相比未开孔的CLT上升了13.9%~19.1%。隔声量测试结果表明:嵌入重组竹方销的CLT属局域共振型声子晶体结构,在1 400 Hz出现吻合效应的隔声量谷值约33.41 dB;以重组竹方销为声散射体的二维声子晶体结构随重组竹方销边长的增加,提高了CLT的密度和中低频的隔声量,其中,600 Hz以下的隔声量可提升约20.22%。在不改变CLT厚度、密度增量小于20%且力学性能差异不显著的前提下,以重组竹方销增强CLT隔声性能是可行的。

碳纤维增强环氧体育用复合材料热机械性能研究

采用纤维缠绕技术制备了单向UD-CFRP、双向2D-CFRP以及单向和双向组合UD+2D-CFRP的复合材料,探究碳纤维及其官能团的取向对碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料的热机械性能影响。结果表明,CERP复合材料的力学性能和热机械性能与碳纤维排列方向有关,单一排列的UD-CFRP有更好的力学性能和热机械性能。

干纤维自动铺放参数对复合材料剪切性能的影响

为了研究自动铺放过程中干纤维工艺参数对复合材料剪切性能的影响,分析了不同干纤维铺放工艺参数对层合板样件层间剪切性能的影响.结果表明:在给定参数范围内,丝束张力对剪切性能的影响最大;随着丝束张力的增大,纤维展平效果得到提升,剪切性能增强;而随着丝束张力的继续增加,纤维断裂几率增大,剪切性能降低.结合正交试验L9(3^(3))方法确定优选的铺放工艺参数为:丝束张力4 N,压紧力200 N,铺放速度100 mm/s,此时复合材料试件的剪切性能得到明显提升.

异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法

在现有的复合材料层间剪切强度测试方法中,用于计算强度的公式仅含有试样的几何参数而未考虑模量和中性面变化,所以仅适用于各向同性或横观各向同性复合板,对于不同材料非均匀铺设的异质多层复合板,使用该方法会得到不同严重程度的错误结果。鉴于此,本文首先构建了三层异质复合板中性面位置及层间切应力计算方法,进而推导出n层复合板中性面及层间切应力计算通式,结合短梁剪切法,建立了异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法。计算分析表明,对于异质复合板,其最大相对层间切应力会随各层模量的变化而改变,其中性面也不再位于试样几何中心。针对GFRPP/胶/GFRPP和GFRPP/胶/钢这两类三层异质复合板的试验结果表明,本文方法能较准确地测量计算出异质复合板层间剪切强度,而现有方法则会随复合板各向异性程度的增加而逐渐偏离真实值。

热压成形工艺参数对玻纤增强聚丙烯U型骨架成形质量的影响

研究了玻璃纤维增强聚丙烯复合材料层合板热压成形工艺参数表面温度、成形压力和模具温度对U型骨架成形质量的影响。通过实验测试了U型骨架的层间剪切强度,观测了表面形貌和截面尺寸精度。结果表明,当提高表面温度和成形压力时,树脂基体的流动性变好,树脂基体在热压过程重分布,提高了U型骨架的层间剪切强度,改善了表面粗糙度,但过高的表面温度和成形压力会将树脂挤出,从而降低成形质量;表面温度和模具温度共同影响U型骨架截面几何尺寸精度,温度越高,弹性前屈效应越明显,若继续提高成形温度,前屈效应会趋于恒定。在U型骨架成形过程中,由于成形压力对底部和侧边的作用不同以及层合板表面温度不均匀,底部的成形质量较侧边区域要好。在现有条件下,获得的较优工艺参数为:加热电压70 V,加热时间60 s,表面温度246.1℃,成形压力1.2 MPa,模具温度80℃。

老化环境对碳纤维增强聚醚酰亚胺树脂基复合材料超声焊接头性能的影响

超声焊接技术因其高效、环保被认为是复合材料连接的有效方式之一。复合材料超声焊接头在不同使用环境中可能会存在一定的老化效应。文中以碳纤维增强聚醚酰亚胺复合材料(CF/PEI)超声焊接头作为研究对象,采用单搭接剪切强度(LSS)和接头破坏形貌的扫描电子显微镜观察的方法对CF/PEI复合材料超声焊接头在高温、水煮和湿热环境中的老化性能进行了评估。研究结果表明,复合材料超声焊接头单搭接剪切强度在较高温度时(110~170℃)存放5 h、吸水率在1%以上及湿热环境中(30℃,湿度50%)存放不同时间(5~15 d)后均出现明显下降。

喷胶对复合材料力学性能的影响

喷胶作为辅助材料被广泛应用于复合材料领域,是影响复合材料力学性能的主要因素之一。现有复合材料成型过程中,为保证复合材料的可塑性,布层之间使用喷胶固定,造成复合材料大变形区域分层,使得复合材料制品灌注后表面出现包络等缺陷。通过测试喷胶的雾化性能、粘结性能、灌注时间影响等基础性能和测试复合材料的力学性能,验证不同种类和不同用量的喷胶对复合材料力学性能的影响。分析测试结果显示:喷胶对单轴布的层间性能影响较大,对三轴布的层间性能和结构层拉伸强度影响较小;低于正常用量的喷胶对层间性能和三轴布结构层性能影响较小;正常用量和超出正常用量的喷胶对三轴布结构层的层间性能影响较大。喷胶的使用对单轴向布的层间强度影响较大,建议单轴布区域应尽量减少使用喷胶。

纤维增强复合材料层间剪切强度测量三点弯曲试验改进方案

纤维增强复合材料层间剪切强度是衡量其材料特性的重要指标,目前多采用短梁法对其进行测量,但短梁法试验失效模式复杂,试验有效率低。该文提出一种基于长梁三点弯曲强度实验的纤维增强复合材料层间剪切强度测量方法,此方法通过在三点弯曲的长梁试件表面粘贴金属增强体,改变梁的跨高比,从而改变梁内最大正应力与最大切应力的比值,使之与弯曲强度和剪切强度之比相匹配,保障复合材料层合梁在三点弯曲工况下首先发生层间剪切失效,进而测量出层间剪切强度。该文基于推导的理论公式,论证层合梁表面粘贴增强体后,引发层间剪切失效的可行性;再进一步通过数值计算验证了所推导公式的精度;最后对所提出试验改进方案进行了实验验证。实验结果表明,在玻璃纤维增强层合梁上下表面粘贴铝合金增强体后,使层合梁在三点弯曲工况下,可以方便可靠地测得复合材料层间剪切强度。

碳纳米管改性环氧树脂/碳纤维复合材料的界面性能

采用碳纳米管对环氧树脂体系以及碳纤维进行改性处理,得到四种试样,即CNTs-00(不添加碳纳米管)、CNTs-01(碳纳米管与活性分子预反应)、CNTs-02(碳纳米管与树脂体系直接混合)、CNTs-03(碳纤维表面生长碳纳米管)。采用视频接触角测量仪以及界面性能测试仪对树脂浸渍国产T800S碳纤维单丝形成的微球形态、微球与纤维的界面接触角及界面剪切强度(IFSS)等进行了分析表征;同时采用模压法制备了复合材料单向板,从宏观尺度表征了其层间剪切强度(ILSS)。结果表明,与CNTs-00相比,CNTs-01的树脂界面浸润性以及复合材料IFSS有了较大提高,接触角减小了3.1°,IFSS提高了12.7%,ILSS提高了9%;CNTs-02的树脂界面浸润性略有降低,接触角增大了0.9°,IFSS降低了8.6%,ILSS与CNT–00基本相同;CNTs-03的界面浸润性降低,浸润角增大了4.5°,IFSS降低了5.7%,ILSS降低了11.5%。

循环湿热环境下碳纤维复合材料的界面性能

针对CCF300/5428复合材料在循环湿热环境下的吸湿-脱湿行为和层间剪切性能进行了研究,并结合扫描电镜观察了循环湿热处理的不同阶段纤维/基体界面结合状态.研究结果表明:经过反复吸湿后,水分的初始扩散速率和饱和吸湿率增加;脱湿后水对复合材料层间剪切性能的影响大部分可以消除;复合材料吸湿后室温环境下性能下降较少,但在高温高湿环境下,复合材料的性能会显著降低.

氨化处理对碳纤维表面性能及其复合材料的影响

利用多乙烯多胺溶液作为涂层液,涂覆在碳纤维表面,然后在600℃热处理30 s,水洗后烘干。采用原位红外光谱仪(FT-IR)、原子力显微镜(AFM)、接触角测定仪研究氨化处理前后碳纤维表面组成、形貌以及浸润性的变化。发现碳纤维经过氨化处理之后其表面形成了氨基官能团且氨基官能团以酰胺类形式存在,表面微小凸起减少,与环氧树脂和水的接触角分别降低了22%和32%。用三点短梁法研究碳纤维处理对复合材料层间剪切强度的影响。发现热处理可使复合材料的层间剪切强度提高6.65%;而氨化处理可使复合材料的层间剪切强度提高24%。力学数据表明氨化处理不会影响碳纤维强度。

循环湿热环境下碳纤维复合材料界面性能

为研究循环湿热环境对CCF300/5405复合材料体系界面性能的影响,首先对该体系循环吸湿—脱湿行为进行研究,其次分析湿热环境下层间剪切强度的变化,最后采用扫描电镜观察纤维/基体界面的微观形貌.研究结果表明:CCF300/5405体系吸湿处理后,纤维与基体间界面遭到水分破坏,产生大量空隙和裂纹,使得水分的扩散速率明显增加,吸湿率增大,且这种破坏不可逆;吸湿之后材料层间剪切强度下降,烘干之后可以恢复到近于自然干态水平;相对于水分对复合材料的不可逆破坏,可逆破坏对层间剪切强度值减小的贡献更大.

接枝改性对F-12纤维及其环氧复合材料力学性能影响的研究

采用稀氢氧化钾溶液对Ｆ－ １２ 纤维表面进行处理，将—ＣＯＯＫ 基团引入到Ｆ－ １２纤维表面，作为环氧氯丙烷接枝的引发剂．并分析了温度和时间对Ｆ－ １２ 纤维拉伸强度及其环氧复合材料层间剪切强度的影响．表明：在温和条件下将—ＣＯＯＫ 基团引入到Ｆ－ １２纤维表面，进而引发环氧氯丙烷的接枝，可以提高Ｆ－ １２环氧复合材料的层间剪切强度，而纤维的拉伸强度只有较小的损伤．

芳纶纤维增强树脂基复合材料的界面粘结性能研究

为了改善芳纶纤维增强树脂基复合材料的界面粘结性能,从树脂基体入手,依据相似相容原理和芳纶的结构特点,合成出新型热固性树脂(AFR–T)用作芳纶复合材料的基体,以未经表面处理的芳纶作增强材料,采用热压成型法制备了AFR–T/芳纶纤维复合材料,并通过测定溶度参数、接触角、线膨胀系数、层间剪切强度(ILSS)和横向拉伸强度等方法研究了复合材料的界面粘结性能。结果表明,AFR–T树脂浇注体与芳纶的溶度参数相近,AFR–T树脂溶液在芳纶纸表面的接触角为36.9°,小于环氧树脂(EP)溶液与芳纶纸的接触角(53.2°),说明AFR–T树脂对芳纶的浸润性优于EP;AFR–T/芳纶纤维复合材料的ILSS和横向拉伸强度为73.0 MPa和25.3 MPa,分别比EP/芳纶纤维复合材料提高了25.9%和32.5%,这表明AFR–T树脂与芳纶纤维之间的浸润性和界面粘结性能较好。

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。

准三维C/C复合材料的层间剪切性能及其断裂机理

以炭纤维针刺毡为预制体,采用化学气相浸渗(CVI)法或结合液相法制备了热解炭、树脂炭和沥青炭基质的准三维C/C复合材料,研究了这些材料的层间剪切性能及其断裂机理。结果表明:CVI基质炭比沥青基质炭更有利于C/C复合材料的层间剪切性能的提高;剪切强度随密度增高而增大,致密度越高,基体支撑越强,同时微裂纹和孔隙度就越低,断裂裂纹不易形成或扩展,强度性能就越好;纯沥青基质炭试样为"突发"的脆性断裂方式,其他基质炭试样表现为韧性断裂方式。

芳纶纤维/AFR树脂复合材料界面粘结性能的研究

为了改善芳纶纤维复合材料的界面粘结性能,合成了一种新型树脂(AFR)作为基体,以未经任何表面处理的芳纶纤维作增强材料,制备了芳纶纤维/AFR复合材料。采用测定表面能、接触角、层间剪切强度、横向拉伸性能和扫描电镜观察形貌等方法,从宏观和微观等方面研究了芳纶纤维/AFR复合材料的界面粘结性能。结果表明,AFR树脂与芳纶纤维有相近的表面能,AFR树脂溶液与芳纶纤维的接触角为42.8°,而环氧树脂(EP)与芳纶纤维的接触角为68°,说明AFR树脂对芳纶纤维的润湿性优于EP树脂;芳纶/AFR复合材料的层间剪切强度、横向拉伸强度和纵向拉伸强度分别为74.64MPa、25.34MPa和2256MPa,比芳纶/EP复合材料的相应强度分别提高了28.7%、32.5%和13.4%,其复合材料破坏面的形貌也说明芳纶纤维与AFR树脂之间的界面粘结性能较好。