三维五向编织复合材料中纱线截面形状实验分析

采用CCD显微摄像仪获取了树脂基三维五向编织复合材料的一系列截面图像,分析了编织复合材料内纱线的排列规律及其截面形状的变化。实验结果显示:沿编织成型方向,三维五向编织复合材料的不同横截面内纱线的排列方式不同,且呈周期性变化;编织纱线的截面形状近似为扁平的凸透镜形;第5向不动纱的轴线基本保持伸直,其截面形状沿其轴向近似为扇形和三角形相互过渡变化;表面编织纱线的排列方式与内部编织纱线的排列有关,其截面形状近似为椭圆形。

超声评价碳/环氧三维编织复合材料的实验分析

本文采用超声回波法对碳/环氧三维编织复合材料进行超声A-扫描,结合对超声定位的缺陷区域进行细观形貌解剖分析,研究了超声回波波形和三维编织复合材料细观形貌特征的对应关系。在考虑碳纤维单丝分布及纤维束和树脂界面状态的基础上,利用经验的波形分析法讨论了超声波在三维编织复合材料中的衰减。实验研究结果表明,超声回波特征和三维编织复合材料缺陷有对应关系,超声A-扫描波形特征分析可用于碳/环氧三维编织复合材料的无损检测及其缺陷的初步评价。

三维纺织复合材料增强体结构和树脂复合固化技术

文章主要讨论了三维纺织预制件,包括:机织、针织、编织和缝合三维织物在结构上的特点。由于在三维纺织复合材料中,纤维在三维空间中相互交织和交叉,形成了一个不分层的整体结构,所以它和层合复合材料相比,具有优良的层间性能和其它力学性能,可制作第一承力结构件和高功能制件。文章还介绍了树脂基三维纺织复合材料的复合固化技术,包括树脂传递模塑技术和树脂膜融渗技术。通过文章,说明了三维纺织复合材料具有广泛的应用前景。

改性环氧树脂制备复合材料层间断裂韧性的实验研究

采用纳米SiO2对环氧树脂改性并通过RTM工艺制成碳/环氧复合材料,观察纳米粒子在复合材料中的分布情况,测试复合材料的层间断裂韧性并用显微镜观察断裂面形貌。结果表明,纳米粒子在复合材料厚度方向和沿预裂纹的面内方向均没有明显的过滤性,改性后的碳/环氧复合材料的层间断裂韧性比改性前提高45%,断裂面更粗糙,纳米SiO2对环氧树脂的增韧效果良好。

三维多向编织复合材料T型梁抗弯应力分析

针对三维多向编织复合材料结构件承载细观结构优化设计的问题,以三维编织复合材料T型梁为对象,对其抗弯性能进行模拟分析。基于细观结构单胞模型,采用刚度体积平均法计算具有不同编织角的三维四向、五向和六向编织复合材料的弹性常数;利用有限元软件Patran/Nastran计算T型梁承受弯曲载荷的应力应变,分析纤维束交织结构和细观结构参数对T型梁抗弯性能的影响。结果表明,纤维体积含量一定时,三维六向较三维四向、五向编织复合材料的弹性性能更接近各向同性,同时选择比较大的编织角,可提高T型梁抗弯的承载能力。此方法可为异型三维编织复合材料构件细观结构的选型与参数设计提供参考。

阶梯型对接层合板复合材料力学性能的试验研究

为了确定采用2D机织物叠层方式制备复杂曲面结构复合材料制件过程中的增强织物对接缝间隔长度与其拉伸、弯曲性能的关系,基于对称铺层顺序[0°/0°/+45°/90°/-45°/90°]S,制备了连续铺层和对接间隔长度分别为4,8,12mm的四种环氧树脂基玻璃纤维2D机织物叠层结构RTM复合材料层合板试件,测定了2D玻璃纤维机织物层合板复合材料的拉伸和弯曲强度。试验结果表明,连续铺层的抗拉强度大约为357MPa,与对接铺层相比,其强度要高出35%左右,当对接间隔长度大于8mm时,拉伸应力不再随对接间隔长度的增加而变大,其拉伸强度基本保持在220MPa左右。另外,对接铺层的试验试件基本都在接口处断裂,这是由对接缝处应力集中造成的。由此实验结果可为复杂曲面结构复合材料提供一定的数据参考,使材料性能达到最优设计。

缝合连接三维编织复合材料拉伸性能试验研究

研究了多种缝合方向、搭接长度和缝合密度对缝合连接三维编织复合材料拉伸性能的影响，并与三维整体编织复合材料的拉伸性能进行对比。结果表明：缝合连接三维编织复合材料与三维整体编织复合材料相比，拉伸强度下降了25％～50％，初始模量下降了35％～55％；搭接长度对拉伸强度和模量的影响较大，拉伸性能随搭接长度的增加呈现先增大后减小的特征，当搭接长度与试件宽度的比值在2．5左右时，试件的拉伸性能较好，与未缝合的三维整体编织试件相比，仅下降了25％；相对而言，中密度缝合试件的拉伸性能最优；缝合方向对试件拉伸性能的影响不明显。

复合材料中纱束的几何形态

在预测三维机织复合材料力学性能时,将纱线特别是纬纱横截面假设成何种形状一直众说纷纭。本文中假设纬纱截面形状分别为圆形、跑道形、凸透镜形、矩形,经纱横截面形状为矩形,采用刚度平均法和等应变力学模型计算了4种角联锁结构复合材料的弹性模量,经与复合材料的数字图像对比分析和实验验证表明,圆形纬纱截面形状假设与数字图像相差较大,与其它截面形状假设的弹性模量预测结果相差也较大,跑道形、凸透镜形、矩形等纬纱截面形状假设彼此间弹性模量预测结果的差异很小,与实验数据也具有较好的一致性。

三维编织复合材料低速冲击试验与分析

针对三维编织复合材料在制造、使用和维护过程中受到外来物体的低速冲击而造成结构损伤及承载能力下降的问题,使用Instron Dynatup 9250HV冲击试验机对高强玻璃纤维增强环氧树脂基三维四向、三维五向和三维六向编织结构复合材料试样的抗冲击性能进行研究,建立编织结构和冲击性能之间的联系。试验结果表明:不同编织结构对冲击响应不同。与四向和五向编织结构材料相比,三维六向编织结构复合材料发生主要损伤时所需的冲击载荷和冲击能量较大,主要损伤持续时间最短,吸收的能量最少。未穿透情况下,三维编织复合材料低速冲击的主要失效模式有基体开裂和纤维断裂。

缝合连接三维编织复合材料弯曲破坏形式分析

试验设计了相同搭接长度、不同缝合密度的几组缝合连接三维编织复合材料试件。研究了三维编织预制件的连接形式（缝合搭接连接和未缝合搭接连接）对三维编织复合材料弯曲性能的影响，并与三维整体编织复合材料的弯曲性能进行了对比。试验结果表明，与未缝合搭接试件相比，缝合连接试件的弯曲强度提高了20％-50％，弯曲模量提高了5％-15％。说明在预制件连接上，缝合工艺具有明显的优势。缝合连接试件与三维整体编织试件相比，弯曲强度下降了30％～50％，弯曲模量下降了10％-30％。同时，讨论了这些试件弯曲的破坏形式。

炭/环氧三维多向编织复合材料圆管相贯接头承载有限元分析

对三维多向编织复合材料圆管相贯型接头进行材料设计。从采用微观力学反算法确定组分材料性能出发,由刚度平均化方法基于单胞模型确定复合材料的本构特性,利用Patran/M arc对炭/环氧三维多向编织复合材料圆管相贯型接头的承载性能进行有限元应力分析,讨论细观结构形式和编织角对接头结构受力变形行为的影响。结果表明,大编织角三维六向编织复合材料的特性更接近各向同性,有利于提高接头的承载性能均衡性,该分析方法和结果为三维异型整体多向编织复合材料结构的材料设计提供参考。

损伤形式对三维编织复合材料细观结构和弯曲性能的影响

通过分析损伤前后三维编织复合材料细观结构的变化,建立了剩余纱线长度的计算公式。对损伤前后三维编织复合材料试件进行了三点弯曲实验,分析了材料弯曲强度和弯曲弹性模量的变化规律和失效形式。主要讨论了2种编织角和4种损伤方案,包括沿宽度方向单边切割、沿宽度方向双边切割、沿厚度方向单边切割、沿宽度和厚度方向同时切割。实验结果表明,损伤前后的弯曲性能均随编织角的增大而减小;沿宽度方向切割对弯曲性能影响不明显,沿厚度方向切割对弯曲强度和模量影响较大,沿厚度和宽度同时切割的试件力学性能下降最大,接近60%。切割面受拉试件比切割面受压试件的弯曲性能降幅稍有增大。

三维机织预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响

本工作设计并用炭纤维织造了两种不同结构的三维预制体,即三维角联锁结构(JLS)和三向正交结构(SZJ),采用化学气相渗透(CVI)致密和液相树脂浸渍/炭化的增密工艺,制备出C/C复合材料,测试并对比分析了拉伸性能和冲剪性能。结果表明:预制体结构对C/C复合材料的力学性能有很大影响,同时决定拉伸断裂破坏模式。三向正交结构C/C复合材料的力学性能好于三维角联锁结构的C/C复合材料。

三维机织C／C复合材料的摩擦磨损性能

采用碳纤维织造了三维角联锁和三向正交2种不同三维机织物,首先采用化学气相渗透(CVI)使其致密,再采用液相树脂浸渍/碳化的补充增密技术,制备出粗糙层结构热解碳和树脂碳双元基体C/C复合材料;对该C/C复合材料进行摩擦磨损实验,采用光学显微镜、扫描电镜对三维机织物增强的C/C复合材料的摩擦面以及磨屑形貌进行观察,对其磨损机理进行分析。结果表明:三维角联锁C/C复合材料比三向正交C/C复合材料的摩擦因数低(分别为0.40和0.48),二者的摩擦性能均稳定,后者比前者磨损量小,说明Z向纤维束有利于提高摩擦因数并降低磨损量。

缝合连接三维编织复合材料弯曲性能试验研究

研究了缝合密度、搭接长度和编织角对缝合连接三维编织复合材料弯曲性能的影响。实验结果表明,搭接长度和缝合密度对弯曲性能影响较大,不同缝合密度试件的弯曲强度均与搭接长度成正比;搭接长度25、40、55 mm试件的弯曲强度随缝合密度的增加而增大,但编织角35°、搭接长度70 mm试件的弯曲强度随缝合密度的增加而减小,编织角20°、搭接长度70 mm试件的弯曲强度随缝合密度的增大呈现先增大后减小的规律;编织角对搭接长度70 mm试件的弯曲性能影响显著,对于中密度和高密度缝合试件,编织角20°的试件弯曲强度大于编织角35°的试件,而在低密度缝合试件中表现出相反的规律。

炭纤维增强聚合物基复合材料的热氧老化机理

从基体、纤维和纤维/基体界面的角度,探讨了炭纤维增强聚合物基复合材料(CFRPMCs)的热氧老化机理。总结了纤维性能、纤维取向、纤维体积含量、织物结构、树脂性能、纤维/基体界面强度等因素对CFRPMCs热氧老化性能的影响规律,并简要分析了目前提高CFRPMCs热氧老化性能的方法。研究指出,立体织物增强的聚合物基复合材料能够很好地克服传统层合复合材料热氧老化后易分层的缺点,采用立体织物来增强聚合物,将会是今后提高CFRPMCs热氧稳定性的一个主要发展方向。

纤维体积分数对三维编织复合材料T型梁模态性能的影响

采用悬臂梁自由衰减振动的实验方法研究了碳纤维三维四向编织复合材料T型梁的模态性能,分析了纤维体积分数对其固有频率和阻尼的影响。将实验得到的固有频率结果与有限元得到的固有频率结果作了对比。结果表明:三维四向编织复合材料T型梁的模态性能与激振点位置无关。且其固有频率随纤维体积分数的增大而提高,阻尼性能随纤维体积分数的增大而降低。通过阵型可以准确判断T型梁固有频率的阶数。实验结果与计算结果相一致。

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。

纤维取向对三维四向编织复合材料与层合复合材料振动性能的影响

通过实验方法对不同纤维取向角度的炭纤维三维四向编织复合材料和层合复合材料振动性能进行了研究,根据实验结果分析了纤维取向角度对两种结构复合材料振动性能的影响,并对两种结构的动态性能进行了比较。实验表明:随着纤维取向角度的增加,两种结构的同阶次固有频率都减小,同阶次损耗因子都增大。但在纤维取向角度基本相同的情况下,三维四向编织复合材料的固有频率比层合复合材料同阶次的固有频率高,层合复合材料的损耗因子比三维四向编织复合材料同阶次的损耗因子大。

三维角联锁结构复合材料等效弹性性能有限元分析

在复合材料承载时变形协调的前提下,采用CAD软件绘制三维织物单元体几何模型,然后导入结构分析有限元软件包,对工程中常用的带衬经三维角联锁结构复合材料的弹性性能进行分析,并将0°和90°方向弹性性能预测值及实验值与取向平均法预测值进行比较。结果表明,采用的有限元方法所得预测值及实验值与取向平均法预测值之间具有很好的一致性。