碳纤维三向织物/TPU柔性复合材料制备及变形性能

碳纤维三向织物因其具有结构稳定、密度小和准各向同性特点,在空间展开装置具有良好应用前景。为研究碳纤维三向织物/热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethanes,TPU)柔性复合材料变形性能,通过热压法将TPU与碳纤维三向织物复合,结合金相显微镜与扫描电子显微镜进行观测,建立三向织物单胞模型,计算模型截面惯性矩,结果表明:纬向截面惯性矩大于经向的,三向织物纬纱方向更难变形;对碳纤维平纹织物与三向织物进行悬垂实验,结果表明:三向织物变形能力强于平纹织物,并且三向织物在悬垂时经向变形大于纬向,与模型截面惯性矩的计算结果一致;对碳纤维三向织物/TPU柔性复合材料在0°,15°和30°方向进行拉伸实验,分析3种角度不同应变阶段载荷曲线变化和极限载荷。

碳纤维三向织物/环氧树脂复合材料的制备与力学性能

选择不同纱线间距[即二经(纬)纱之间的中心距]尺寸的碳纤维三向织物,采用热压成型技术制备了碳纤维三向织物/环氧树脂复合材料.研究了纱线间距及样品裁剪角度等对力学性能的影响,并与碳纤维二向织物/环氧树脂复合材料的力学性能进行对比.结果表明,随着纱线间距尺寸从2 mm增加到6 mm,0°方向断裂强度从221.7 MPa下降到148.1 MPa,撕裂强力从1000 N下降到600 N;90°方向断裂强度从50.0 MPa下降到22.1 MPa,撕裂强力从330 N下降到100 N;顶破强力从424 N下降到216 N.这些力学性能的逐渐降低是单位面积的碳纤维增强体含量减少和织物的孔洞增大共同作用的结果.纱线间距为2 mm的碳纤维三向织物复合材料在0°(以纬纱为基准),30°,45°,60°和90°方向的断裂强度分别为221.7,48.5,44.3,227.7和50.0 MPa,即断裂强度在0°和60°方向大于在30°,45°及90°方向.由三向织物的编织原理可知,0°与60°方向完全相同,因此其断裂强度相似,且样品中有一组纱线与外加载荷平行,对形变破坏具有一定的约束作用,而30°,45°和90°方向样品中三组纱线所在的方向均和外加载荷存在一定的夹角,有效分散外加载荷的能力减弱.对比碳纤维三向织物/环氧树脂复合材料与碳纤维二向织物/环氧树脂复合材料的断裂强度、撕裂强力和顶破强力发现,前者的综合性能明显优于后者,碳纤维三向织物/环氧树脂复合材料的断裂强度、撕裂强力、顶破强力分别为221.7 MPa,1000 N和424 N,三向织物的优势得到凸显,为后续制备多种类型的碳纤维三向织物复合材料及应用奠定了基础.

三向织物及其复合材料研究进展

简单介绍了三向织物及其复合材料,主要阐述国内外关于三向织物及其复合材料的结构、织造、性能以及模拟等方面的研究;对三向织物及其复合材料的力学性能进行分析和总结;归纳了三向织物及其复合材料的几何模型;提出三向织物及其复合材料的发展问题和研究趋势。

三向织物及其力学性能研究进展

现在对织物的结构和性能要求越来越高,一方面从原材料如纤维纱线的角度进行研究,另一方面对织物结构的研究也备受关注。三向织物(triaxial woven fabric,TWF)是一种各向异性差异得到改善的织物结构,其各向同性较强,力学性能较高。文章首先介绍了三向织物的结构,其次总结了三向结构织物在力学性能方面的应用进展,接着介绍了三向织物复合材料的性能特点,最后介绍了有限元模拟在分析织物和织物复合材料性能研究中的作用,并提出三向织物在未来的发展趋势。

碳纤维三向织物约束混凝土轴压力学性能研究

利用碳纤维平面三向织物对混凝土柱进行加固,通过对两种不同约束方案下混凝土的轴向压缩性能的研究。利用DIC技术对试样进行局部应变检测,进行了受力分析。结果表明:用三向织物约束混凝土柱具有明显的加固效果,三向织物的纬纱沿轴向约束混凝土的加固效果最好,约束比可达1.68;不同约束方式对应的破坏模式差异较大。根据三向织物各组纱线的应变变化规律,提出了相应的受力分析模型。

三向织物约束混凝土圆柱轴压性能研究

本文采用三向织物对混凝土圆柱进行加固,分别使用了纯碳纤维、纯玻璃纤维及碳玻混杂三向织物,测试了约束圆柱的轴压性能,并利用DIC应变检测和声发射检测手段,对压缩过程、试样破坏形式和纱线受力情况进行了分析。结果表明:三向织物加固混凝土柱在抗压强度和形变方面有明显提高,其中碳纤维加固混凝土圆柱强度提高了92.1%;玻璃纤维加固混凝土圆柱形变量提高了202%。通过对结果的对比分析,发现其中碳玻混杂三向织物约束混凝土在强度和形变方面都有较大提升,值得注意的是,经纱玻璃纤维、纬纱碳纤维的约束效果明显优于经纱碳纤维、纬纱玻璃纤维。研究结果为分析三向织物加固混凝土柱轴压性能提供了理论依据,对三向织物约束混凝土应用具有一定的参考价值。

碳纤维平面三向机织物细观结构分析

采用计算机断层扫描(Micro-CT)技术观察碳纤维平面三向机织物(CFTWF)横截面的细观形貌,获得织物中纱线的屈曲形态,再结合纱线交织规律,构建CFTWF细观结构单胞模型,并基于单胞模型的几何关系推导CFTWF细观结构参数的几何关系式。对比和分析CFTWF基本结构参数的理论计算值与实测值发现,两者的相对误差在8.29%以内,表明该细观结构单胞模型具有较高的准确性,且研究发现CFTWF面内结构实际是以正六边形空洞和正三角形空洞相间规则分布的。

碳纤维三轴机织物/环氧树脂基复合材料的弯折性能

以碳纤维为增强材料,平面三轴机织物为增强体结构,环氧树脂为基体,通过真空辅助树脂传递模塑技术(Vacuum assisted resin transfer molding,VARTM)制备了碳纤维三轴机织物增强环氧树脂基(Triaxial woven fabric/epoxy resin,TWF/EP)复合材料。借鉴金属材料薄板弯折性能试验方法,采用万能试验机开展TWF/EP的弯折实验,探究其弯折性能和损伤机制。研究结果表明:TWF/EP复合材料的弯折强度和模量与纤维束规格呈显著正相关性,与角度呈负相关性。在0°~30°范围内,TWF/EP复合材料的弯折性能变化幅度较小,表现出准各向同性。TWF/EP复合材料的力学响应表现为脆断,破坏模式分完全折断和不完全折断,TWF/EP复合材料的弯折断裂机制主要为纯剪切破坏、压剪耦合破坏及拉剪耦合破坏。

孔洞型碳纤维三轴机织物/环氧树脂复合材料的弯曲和拉伸性能

以T300碳纤维为增强纤维材料,环氧树脂为树脂基体,采用树脂膜熔渗(Resin film infusion,RFI)工艺制备碳纤维三轴机织物/环氧树脂(Triaxial woven fabric/epoxy resin,TWF/EP)复合材料。通过三点弯曲试验和拉伸试验研究了复合材料试样的面内弯曲性能和面内拉伸性能,采用3D轮廓仪观察拉伸试验后试样的损伤形貌,并分析其损伤机制。研究结果表明:TWF/EP复合材料的弯曲弹性模量表现为准各向同性,复合材料的孔洞率、碳纤维束规格与弯曲弹性模量呈现显著正相关性,与拉伸模量呈现负相关性。在拉伸载荷作用下,TWF/EP复合材料的主要失效模式包括纤维束断裂、纤维束拔出和交错失效,拉伸断裂机制主要为纯剪切破坏、扭转剪切破坏、拉剪耦合破坏。此外,在渐进损伤过程中,应变集中区发生在纱线交织点处。