微细金属Z-pin对复合材料开孔板压缩性能的影响

通过开孔板压缩试验和建立的参数化多尺度有限元模型,获得微细(φ0.11 mm)金属Z-pin植入体积分数和排布方式对开孔板压缩力学性能和失效行为的影响规律.采用离散实体单元代表Z-pin,选用3D Hashin失效准则判断面内起始损伤,可以有效地模拟结构失效过程中扭结现象的不稳定扩展.结果表明,所有加Z-pin开孔板的压缩强度均低于无Z-pin试样.随着Z-pin植入体积分数的增加,Z-pin与层合板之间的桥联作用增强,加Z-pin开孔层合板压缩强度增加,开孔周围分层损伤区域受到抑制,损伤区域面积最高减小了67%.在相同的体积分数下,Z-pin排布变化对开孔板压缩强度没有显著影响.加Z-pin开孔板有限元模型的模拟结果与试验结果之间的最大相对误差为8.6%.

基于超声引导的微细Z-pin植入系统

为了减少传统Z-pin增强工艺对复合材料层合板造成的面内性能损伤,提出超声引导直径为0.11 mm的微细Z-pin自动植入工艺.根据超声引导微细Z-pin植入原理,设计开发自动植入系统.根据Z-pin植入力特性,综合夹心式压电换能器的设计理论,设计纵振型超声振子,利用有限元仿真软件对超声振子进行模态及谐波响应分析,实测超声振子阻抗与振幅特性,得到谐振频率为70.0624 kHz,振幅为2.578μm,与仿真结果一致.搭建超声引导植入系统,对微细Z-pin增强复合材料层合板进行面内拉伸、压缩性能及层间断裂韧性测试.结果表明,对于体积分数为0.2%、直径为0.11 mm的微细碳纤维Z-pin增强复合材料层合板,拉伸、压缩强度分别下降1.6%和3.4%,Ⅰ型层间断裂韧性可以提升14.4倍.

Z-pin增强复合材料加筋构件连接性能研究

通过横向三点弯曲试验研究Z-pin直径和体积分数对复合材料加筋类简化构件连接性能的影响。随着Z-pin体积分数的增加,Z-pin增强试件相比于空白对照试件,有效载荷提升48.41%~96.97%,总能量耗散提升661.88%~748.72%,本试验组研究结果表明高Z-pin体积分数可以有效提高加筋试件的承载能力。在Z-pin体积分数同为0.4%的情况下,Z-pin直径为0.5 mm的试验组的承载能力略高于Z-pin直径为0.3 mm的试验组的承载能力,但Z-pin直径为0.3 mm的试验组具有更好的稳定性。试验结果表明Z-pin的植入能够提高复合材料加筋类简化构件的有效载荷及能量耗散,很大程度上提高了加筋试件的连接性能。

z-pin结构细木工饰面板抗翘曲变形性能

细木工板作为室内装修和高档家具定制的基础材料,要求其具有美观的外表,同时还要求其具有较强的抗变形性能。为了提高细木工板抗变形的能力,根据复合材料z-pin结构设计理论,将竹条(板)按照不同的排列顺序嵌入细木工板芯板内,设计了A、B、C 3种z-pin结构细木工板,3种z-pin结构中横向竹条的间距分别为105,155,225 mm。测量无约束自然状态下整幅面板材上的弯曲变形和应变,结果显示:3种z-pin结构板整体的平均变形量与对照板相比,左、右边缘及中心线处的纵向弯曲拱高分别降低了47.88%,43.62%和48.28%,左、右对角线处分别降低了46.86%和53.09%;横向自上到下5点弯曲拱高分别降低了54.03%,51.67%,45.44%,39.14%,31.31%。板材横、纵两个方向仍存在弯曲应变,同一板材不同测量部位的最大应变位于板材上端,A结构板的整体应变最小,测量结果与人工测量结果吻合。力学测量结果显示:抗弯试件的破坏载荷、静曲强度、弹性模量、抗弯刚度试验值与理论值均有所提高。因此,z-pin结构板材抗翘曲变形能力也得到有效增强,其中,A结构板抗变形性能在3种z-pin结构板材中最佳。

Z-pin植入参数对X-Cor夹层复合材料力学性能的影响

X-Cor夹层复合材料是一种新型的Z-pin增强泡沫夹层结构,具有突出的比强度、比刚度。采用热压成型工艺,在不同的Z-pin植入参数下制备了X-Cor夹层复合材料,并对这种结构材料的平压和剪切力学性能进行了研究,考察了植入角度、植入密度、植入方向等参数的影响规律。结果表明,Z-pin植入参数对X-Cor夹层复合材料的平压性能和剪切性能影响显著。X-Cor夹层复合材料平压性能随Z-pin植入角度和植入密度的增大而增加,植入角度达到90°时,X-Cor夹层复合材料平压强度及模量最大;剪切性能随Z-pin植入角度的增大而减小,实验范围内,植入角度为45°时,剪切强度和模量最大;同时,X桁架的植入方向对剪切性能也有很大影响,相同Z-pin植入密度下,沿试样长度方向植入的X桁架含量增加时,夹层复合材料的剪切模量增加;X-Cor夹层复合材料的平压性能和剪切性能随Z-pin植入角度的变化规律相反,Z-pin植入角度在60°～70°之间时,X-Cor夹层复合材料平压性能与剪切性能均达到较高值。

z-pin增韧复合材料层合板低速冲击损伤过程研究

从z-pin增韧复合材料层合板低速冲击实验出发,考虑了复合材料层合板在受低速冲击时的分层及基体开裂等四种损伤形式,引入适当的损伤判据,对T300/3234碳纤维树脂基复合材料层合板的低速冲击损伤过程进行有限元模拟。结果表明,采用碳纤维钉z-pin增韧使得冲击后层间分层区域面积减小50%左右,有限元结果与实验数据吻合。

采用Z-Pin增强体的3D炭/炭复合材料层间断裂行为(英文)

采用炭纤维平纹织物和精细Z pin制备了新型3D炭纤维预制件,炭基体采用等温化学气相沉积和高温煤沥青高压浸渍炭化制备。短梁剪切试验和开口拉剪试验用来表征Z pin增强体对剪切破坏模式的影响。短梁剪切失效模式为假塑性,而拉剪失效模式为非假塑性破坏。分析了产生此现象的机制,短梁剪切假塑性失效由炭/炭复合材料叠层中纤维束内、纤维束间和叠层间微裂纹扩展形成,而产生拉剪失效的单一层间裂纹扩展不引起宏观假塑性现象。采用Z pin作为提高层间剪切强度的增强体间隔1.5mm比间隔2.5mm可提高剪切强度40%～50%,该技术将成为3D炭/炭复合材料预制体制备更为先进的技术。

加捻z-pin与层合板的界面粘接性能试验

通过小孔模具成型并在升温固化前对纤维束加捻的方法制备了5种捻度(捻度t分别为1、2、2.5、3和4 n/cm)的z-pin。观察了各种捻度z-pin的外观形态,测试了各种z-pin的拉伸性能。通过单根z-pin从层合板中拔出的试验方法表征了z-pin与层合板之间的界面粘结性能。结果表明,加捻使z-pin主干发生扭曲,捻度越大,扭曲的程度越大;加捻使zpin的拉伸强度及伸长率降低了50%左右,使拉伸模量降低了30%左右;加捻可显著提高z-pin与层合板之间的界面粘结性能,捻度越大,界面剪切强度τd、最大摩擦力Ff、拔出功Wp越大;随着捻度的增大,z-pin与层合板间脱粘位置逐渐从zpin自身的纤维与树脂之间的F-R型细观界面向z-pin外层树脂与层合板树脂之间的R-R型细观界面转移。当捻度t=3n/cm时,与无捻z-pin相比,τd提高了61%,Ff和Wp均提高了2倍。

搭接长度对Z-pins增强陶瓷基复合材料接头连接性能的影响

本文对搭接长度分别为15mm,20mm,23mm,37mm,60mm的Z-pins增强陶瓷基复合材料接头在单向载荷作用下的连接性能进行了试验研究和数值模拟。试验结果表明接头的最终失效形式有两种:(1)搭接长度大于、等于20mm的接头由搭接板断裂而失效;(2)搭接长度等于15mm的接头由搭接面的脱胶而失效。在搭接长度为20mm^60mm之间,接头的最大破坏载荷与搭接长度之间呈线性关系变化。采用有限元的方法对搭接接头的破坏过程进行了数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,进而得到了介于上述两种破坏模式之间的搭接接头的搭接长度。

复合材料z-pin增强技术研究现状

简要介绍了复合材料三维增强的方法及优缺点,重点综述复合材料z-pin增强技术的国内外研究现状及其应用技术。同时,对今后z-pin增强技术的发展提供了一些建议。

Z-pin增强对泡沫夹层结构弯曲和振动性能的影响

通过试验研究了Z-pin增强泡沫夹层结构的弯曲性能,与未增强材料进行比较.提出采用树脂Z-pin对泡沫夹层结构进行横向增强,比较了碳pin和树脂pin的不同增强效果.结果表明,横向增强能够极大地改善泡沫夹层结构的弯曲性能,树脂pin的增强作用虽然弱于碳pin,但同样具有明显的增强效果.在此基础上,基于Z-pin增强泡沫夹芯的力学性能,对夹层结构的弯曲刚度和弯曲最大破坏载荷进行预测.最后考察了增强Z-pin各参数对泡沫夹层结构自振频率的影响,为其在航空航天等振动结构中通过合理的阻尼设计达到调频的目的打下基础.

Z-pin增强陶瓷基复合材料拉伸性能及损伤研究

研究Z-pin横向增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸性能及损伤。碳纤维平纹编织物和碳纤维Z-pin制备的预制体,通过化学气相渗透(chemical vapor infiltration,CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料。采用单轴拉伸试验及加—卸载试验研究材料拉伸力学性能参数及破坏机理。结果表明,Z-pin嵌入引起的面内纤维断裂、损伤以及弯曲变形,降低了平纹编织陶瓷基复合材料的抗拉强度;Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料抗拉应力应变曲线具有非线性特性;卸载再加载过程中损伤基本没有增加,残余应变与卸载应力成二次关系,卸载模量与卸载应力成Boltzmann关系。

复合材料z-pinning技术的应用与发展

简单介绍了z-pin的种类和复合材料z-pin的拉挤工艺。重点综述了利用热压罐和UAZ两种z-pinning技术及z-pinning在复合材料层板、结构件连接及泡沫夹层复合材料中的应用,同时,提出了当前发展z-pinning技术的对策和建议。

Z-pins增强陶瓷基复合材料单搭接接头的裂纹尖端能量释放率

对典型Z-pins增强陶瓷基复合材料单搭接接头的裂纹尖端能量释放率进行了数值模拟,重点研究Z-pins在不同直径和间距下裂纹尖端能量释放率随裂纹扩展的变化规律。研究发现能够形成桥联的Z-pins具有一定抑制开裂的能力,形成桥联后,Z-pins的直径对于裂纹尖端能量释放率的影响较大,而Z-pins的间距对于裂纹尖端能量释放率也有影响,但当间距小到某一限度时,再减小间距裂纹尖端能量释放率基本保持不变。

Z-pin自动植入数控系统研制及性能研究

为实现Z-pin的数控自动植入,以可编程多轴控制器PMAC作为运动控制的核心、附卡控制辅助开关量,设计了基于开放式数控系统的X-cor芯材成型专用CNC硬件体系。试制了多种规格的X-cor夹层结构试样,分别研究了Pin直径、Pin植入角以及Pin分布密度等参数对X-cor夹层结构压缩性能、剪切性能的影响。结果表明,Pin可以大幅度提高X-cor夹层结构的压缩性能,同时提高了断裂韧性。

Z-pin的拔出强度试验研究

通过单根Z-pin从复合材料层合板中拔出的试验方法,测试了Z-pin的拔出强度,计算了Z-pin的临界埋入深度,并引入抗拉强度利用率概念来表征Z-pin的抗拉强度在拔出过程中的利用程度。结果表明,直径0.50mm和0.28mm的Z-pin临界埋入深度分别约为5.1mm和3.1mm。当Z-pin的埋入深度小于临界埋入深度时,Z-pin从层板中拔出;Z-pin拔出强度与埋入深度成正比,与Z-pin的直径成反比;当Z-pin的埋入深度大于临界埋入深度时,Z-pin发生断裂,Z-pin的抗拉强度利用率达到100%。最后提出了提高抗拉强度利用率的建议。

Z-pin增强CMC层间Ⅰ+Ⅱ混合型断裂韧性

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,采用CVI工艺在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备了Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料。通过三点弯曲试验测定了Ⅰ+Ⅱ混合型应变能释放率,分析了材料的裂纹扩展行为和Z-pin增强机理。结果表明:随着裂纹扩展长度的增大,Ⅰ+Ⅱ型裂纹扩展阻力不断增大,相同裂纹扩展长度,增加Z-pin植入密度可以提高粘结强度,增大止裂作用。Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料裂纹扩展的耗能途径主要是层间界面剥离、Z-pin弹性剪切和拉伸变形。

Z-pin增强陶瓷基复合材料I型应变能释放率

碳纤维平纹编织物和碳纤维Z-pin制备的预成型体,通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板。通过双悬臂梁试验研究Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板的层间I型应变能释放率和增强机理。研究Z-pin面积密度对层间I型应变能释放率的影响。结果表明:Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板主要增强机理表现为层间裂纹扩展受阻,Z-pin与层压板界面解离,Z-pin桥联裂纹和Z-pin拔出;增大Z-pin面积密度,层间I型应变能释放率增大。

圆柱、圆锥类构件Z-pin自动超声辅助植入平台设计与研究

Z-pin技术是一种适用于预浸料成型复合材料层合板并有效改善其层间性能的三维增强技术。本文以圆柱、圆锥类构件的Z-pin超声辅助植入技术为研究背景,开展超声辅助植入的自动化设备研究,提出超声辅助植入平台的总体规划方案,设计开发自动超声辅助植入平台,并提出控制方案,实现超声辅助植入的自动化。在此基础上,进行超声辅助植入的工艺实验探索。实验结果表明,Z-pin超声辅助植入的自动化设备植入效率可达现有手动植入设备的6倍以上,植入质量满足超声辅助植入工艺要求,为Z-pin技术的广泛应用奠定了一定的基础。

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接头弯曲性能

为了研究Z-pin对单搭接头弯曲性能的影响,制备了不同参数Z-pin增强单搭接头试样,研究了Z-pin单搭接头在三点弯曲载荷下连接性能。结果表明：Z-pin（直径0.5mm）体积分数从0%～1.5%时,弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而增加,体积分数在1.5%～3.0%范围内时,试样的弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而下降,Z-pin体积分数为1.5%时达到最大值1303.2N;Z-pin直径为0.3～0.7mm时（体积分数1.5%）,峰值载荷随着直径的增加而增加,0.7mm增强接头的弯曲载荷比0.3mm增强接头高出27.9%。Z-pin植入角度对单搭接头弯曲性能影响不大。另外,随着搭接长度的增加,单搭接头的弯曲性能提高。