莫来石纤维增强SiO_2气凝胶复合材料的力学性能试验

为了探究莫来石纤维增强SiO_2气凝胶复合材料的拉伸和层间剪切性能,开展了相关试验。首先,进行了复合材料在室温下的面内拉伸试验,获得了复合材料的室温面内拉伸模量;然后,采用引伸计方法和数字图像相关法分别对拉伸变形进行测量,并对2种方法进行了对比分析;最后,开展了不同温度下的层间剪切试验,研究了复合材料在不同温度下的层间剪切性能,并对其微观结构进行了分析。结果表明:复合材料的拉伸模量约为285.17 MPa;由引伸计方法测得的拉伸变形计算出的拉伸模量比数字图像相关法获得的拉伸模量高2.4%;在室温和高温下,试样呈现明显的层间剪切破坏;对复合材料的微观分析发现,SiO_2气凝胶基体主要分布在层间区域,增强纤维主要分布在铺层内。所得结论表明莫来石纤维增强SiO_2气凝胶复合材料拉伸和层间性能较差,当承受层间载荷时,SiO_2气凝胶基体起主要作用,且温度对复合材料的性能影响较大。     

连续碳纤维/尼龙6热塑性复合材料的吸湿及力学性能

利用热压工艺制备了三种不同等温结晶时间的连续碳纤维（CF）增强尼龙6（PA6）单向复合材料,并分别研究了吸湿前后连续CF/PA6复合材料单向板的0°拉伸、90°拉伸、弯曲和层间剪切性能变化。结果发现,CF/PA6复合材料的0°拉伸、90°拉伸、弯曲和层间剪切强度（模量）分别下降了10%~37%（0~0.6%）、35%~46%（62%~64%）、53%~61%（16%~28%）和5%~31%。结合SEM断面观察和抛光金相显微学给出了吸湿对CF/PA6复合材料性能的影响机制。      

尼龙无纺布结构化增韧层增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的湿热力学性能

采用尼龙无纺布(PNF)作为结构化增韧层,制备了PNF层间增韧改性的U3160碳纤维增强3266环氧树脂(U3160-PNF/3266)复合材料,研究了U3160-PNF/3266复合材料的面内力学性能及湿热老化后的力学性能变化,并分析了复合材料湿热老化前后的层间形貌。结果表明:PNF增韧层的引入并未导致复合材料面内力学性能的下降,与未增韧的U3160碳纤维增强3266环氧树脂(U3160/3266)复合材料相比,增韧复合材料U3160-PNF/3266的90°拉伸性能有所提高。而湿热老化处理对U3160-PNF/3266复合材料的基体和界面性能影响相对明显,尤其是尼龙纤维与树脂基体之间的界面结合性能,湿热老化处理后增韧复合材料的90°压缩和层间剪切性能保持率均明显低于未增韧复合材料的。     

Thermoplastic matrix continuous filament composites of Kevlar® aramid or graphite fiber

Key static mechanical properties and laminating processes of thermoplastic matrix continuous filament composites reinforced with Kevlar® aramid or graphite fibers are presented and discussed. A tow of Kevlar or graphite impregnated with a thermoplastic matrix from a proprietary melt-coating process involving injection of a melted thermoplastic polymer can be consolidated into a sound, void-free composite laminate by compression molding. The unidirectional composites of Kevlar 49 or graphite from the melt-coated tows possess mechanical properties superior to those of similar composites prepared by other processes such as yarn cowinding and film laminating. The unidirectional composites of Kevlar 49 with thermoplastic matrices prepared from the melt-coated tows are equivalent or superior to those using Epon® epoxies or polyvinylester in flexural, shear and compressive strengths. Using J-polymer, a polyamide copolymer and a proprietary Du Pont resin candidate as a thermoplastic matrix model, a static mechanical test data base has been developed for graphite/thermoplastic matrix composites showing significant advantages in damage tolerance, compression after impact, and interlaminar fracture toughness. Although the unidirectional compressive strength of graphite/epoxy composites has been shown to correlate with matrix modulus, the thermoplastic matrix composites show no such correlation.     

连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度预测模型的发展及其影响因素

基于高强、高韧、高模和压拉平衡为特征的第三代先进复合材料的需求,综述了连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度预测模型的发展历程。基于纤维微屈曲、纤维扭结带、联合预测模型及渐进损伤失效模型,分别讨论了连续纤维增强树脂复合材料压缩失效机制,并在联合预测模型基础上,探究了碳纤维（直径、模量、体积分数、初始偏角）、树脂基体（弹性模量、剪切模量）及纤维/树脂界面三要素对连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度和压缩失效形式的影响。      

单向连续碳纤维-玻璃纤维层间混杂增强环氧树脂基复合材料的力学性能

为了研究连续单向纤维的层间混杂方式对复合材料力学性能及破坏方式的影响,采用碳纤维-玻璃纤维体积比为1∶1,以拉-挤成型法制备了具有不同层间混杂结构的连续单向纤维增强环氧树脂基复合材料,并研究了不同层间混杂结构的连续单向碳纤维-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能及破坏形式。结果表明：具有层间混杂结构的复合材料抗拉强度处于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料之间,复合材料的拉伸断裂方式为劈裂;具有层间混杂结构的复合材料的层间剪切强度均优于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的剪切断裂方式为层间断裂。     

高强高模聚酰亚胺纤维/环氧树脂复合材料力学性能与破坏机制

以高强高模聚酰亚胺（PI）纤维为增强体,以航空级环氧树脂（EP）为基体,通过热熔法制备预浸料并采用热压罐成型技术制备了PI/EP复合材料层合板,对其力学性能和破坏形貌进行了分析。结果表明:高强高模PI纤维与EP具有良好的界面结合力,PI/EP复合材料的层间剪切强度为65.2 MPa,面内剪切强度为68.6 MPa;良好的界面结合状态能充分发挥PI纤维优异的力学性能,PI/EP复合材料的纵向拉伸强度达1 835 MPa,弯曲强度为834 MPa;PI/EP复合材料纵向拉伸破坏模式为散丝爆炸破坏,同时由于高强高模PI纤维还具有优异的韧性和较高的断裂伸长率,PI/EP复合材料从受力到失效断裂的时间较长;PI/EP复合材料纵向压缩破坏模式为45°折曲带破坏。高强高模PI/EP复合材料为航空航天先进复合材料增加了一个全新的选材方案。      

丁腈橡胶含量对高模量碳/环氧复合材料力学性能的影响

本文对基体中四种不同丁腈橡胶含量(0,10%,15%,20%)的高模量碳纤维增强环氧复合材料进行了层间剪切、弯曲、拉伸及阻尼性能的实验,用声发射技术监测了微结构损伤并分析了其断裂形貌,比较了四组不同丁腈橡胶含量的碳/环氧复合材料的各项力学性能;得到了这种复合材料的最佳丁腈橡胶含量,并讨论了宏观力学性能与微结构破坏的关系。      

γ射线辐照对高模量碳纤维及碳纤维/氰酸酯复合材料性能的影响

通过模拟空间γ射线辐照环境,采用⁶⁰Co-γ射线对高模量碳纤维及其增强的改性氰酸酯复合材料进行辐照,采用SEM和XRD对辐照前后的碳纤维及碳纤维/氰酸酯复合材料进行了分析和表征,研究了复合材料的质量损失率、拉伸性能及层间剪切强度随γ射线辐照剂量的变化规律。结果表明,γ射线辐照能增加碳纤维表面粗糙度;质量损失率随γ射线辐照剂量增大先增加后趋于平缓,但均小于1%;碳纤维/氰酸酯复合材料拉伸性能与层间剪切强度均随γ射线辐照剂量增大先提高后降低,在吸收剂量为5×10⁵ rad时出现最大值,拉伸强度为1 803 MPa,拉伸模量为243 GPa,层间剪切强度为72 MPa。     

Plasma surface modification of advanced organic fibres

The interlaminar shear strength, interlaminar fracture energy, flexural strength and modulus of extended-chain polyethylene/epoxy composites are improved substantially when the fibres are pretreated in an ammonia plasma to introduce amine groups on to the fibre surface. These property changes are examined in terms of the microscopic properties of the fibre/matrix interface. Fracture surface micrographs show clean interfacial tensile and shear fracture in composites made from untreated fibres, indicative of a weak interfacial bond. In contrast, fracture surfaces of composites made from ammonia plasma-treated fibres exhibit fibre fibrillation and internal shear failure as well as matrix cracking, suggesting stronger fibre/matrix bonding, in accord with the observed increase in interlaminar fracture energy and shear strength. Failure of flexural test specimens occurs exclusively in compression, and the enhanced flexural strength and modulus of composites containing plasma-treated fibres result mainly from reduced compressive fibre buckling and debonding due to stronger interfacial bonding. Fibre treatment by ammonia plasma also causes an appreciable loss in the transverse ballistic impact properties of the composite, in accord with a higher fibre/matrix interfacial bond strength.     

黄麻纤维/环氧复合材料及其性能分析

本文研究了黄麻单向纤维和随机分布短纤维增强环氧树脂复合材料的制作和拉伸、压缩、弯曲、层间剪切以及冲击性能,并讨论了它的破坏机理与微观形貌。黄麻纤维本身性能优异,并且具有优于其它天然植物纤维的可纺性。黄麻纤维复合材料的优异性能具有进一步研究开发的潜力。     

Enhanced crack detection sensitivity of carbon fiber composites by carbon nanotubes directly grown on carbon fibers

The ability of highly conductive hybrid carbon–fiber/carbon nanotube loaded epoxy composites to sense matrix cracking damage in situ is demonstrated. Multi-walled carbon-nanotubes (MWCNTs) are grown perpendicular to and on the surface of a woven carbon–fiber fabric using a chemical vapor deposition process. An increase in sensitivity of resistance change under interlaminar fracture is shown through a series of double cantilever beam (DCB) tests on samples prepared with MWCNTs grown on both sides of carbon–fiber fabric lamina placed at the top and bottom surfaces of an 8-layer test panel whereas samples with MWCNTs inside the samples did not show much increase in sensitivity of resistance change compared with the baseline samples without MWCNTs. The results suggest that the addition of surface positioned hierarchical carbon-nanotube lamina on composite structures has the potential for autonomic sensing of internal matrix damage.     

2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测

石英纤维增强树脂复合材料常用于多物理场耦合环境下,为保证足够的层间性能,常采用2.5D机织的结构形式。本文对一种浅交弯联2.5D机织石英纤维增强双马树脂复合材料的三维力学性能进行全面测试,对比分析了材料在不同方向的拉伸性能和压缩性能,以及面内、面外剪切性能。测试结果表明,该复合材料的纬向拉伸、压缩模量略高于经向,而拉伸、压缩强度远高于经向,导致经向和纬向拉、压破坏模式差异显著,拉伸时弯曲的经向纤维被拉断,平直的纬向纤维劈裂,压缩时平直的纬向纤维压断,弯曲的经向纤维屈曲。同时,该种材料具有较高的面内、面外剪切变形能力。此外,本文基于混合定律,提出了一个2.5D机织复合材料经、纬向模量估算公式。基于材料微观结构特征,以包含经纱和纬纱的一个单胞作为代表性体积单元,建立有限元模型,预测该2.5D机织复合材料经向模量,预测结果与试验结果吻合很好。本文的研究对2.5D机织石英纤维/双马树脂复合材料的研发具有一定的指导意义。      

CaCl1和多巴胺处理对芳纶纤维表面结构与性能的影响

采用氯化钙(CaCl2)乙醇溶液和多巴胺水溶液浸渍法对芳纶纤维表面进行改性处理,对改性后芳纶纤维表面的化学结构、微观形貌、表面粗糙度、单丝拉伸强度和芳纶纤维/环氧树脂复合材料的界面性能等进行了测试分析.结果表明,采用CaCl2乙醇溶液处理芳纶纤维后,芳纶纤维表面有刻蚀出的沟槽,表面粗糙度增大,芳纶纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度明显提高,同时由于纤维结构受到破坏,单丝拉伸强度下降了11.12％;采用多巴胺水溶液处理时,芳纶纤维表面沉积了聚多巴胺涂层,表面粗糙度增大,芳纶纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度进一步提高,纤维结构几乎不受影响,单丝拉伸强度降幅较小;采用CaCl2乙醇溶液和多巴胺水溶液先后处理芳纶纤维后,纤维表面的聚多巴胺涂层更致密,复合材料的层间剪切强度达到最大值,同时改性后的纤维具有一定的抗紫外性能,此方法改性效果最优.     

三维编织碳/环氧复合材料力学性能测试及破坏机制

通过宏观拉压试验, 研究了三维正交编织碳/环氧复合材料的拉伸和压缩力学性能。对试验过程进行了声发射分析, 对断口进行了扫描电镜观察分析, 给出了该类材料的拉伸和压缩破坏机制。结果表明: 三维正交编织碳/环氧复合材料有良好的拉伸和压缩力学性能; 三维正交编织复合材料在拉伸和压缩载荷作用下的断裂均为脆性断裂, 拉伸试验的主要破坏现象是纤维断裂拔出, 而压缩试验则是纤维剪切破坏; 通过声发射参数分析可以基本判定该类材料损伤过程中的损伤类型。     

PEK-C膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能

为探究热塑性酚酞基聚醚酮（Polyaryletherketone with Cardo,PEK-C）树脂薄膜及膜厚对层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响,利用浸渍提拉法制备了三种不同厚度（分别约为1 μm、10 μm、30 μm）的PEK-C膜,通过热压成型制备了层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料层合板,对其进行了Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度、层间剪切及弯曲性能测试,并利用SEM观察微观形貌及AFM扫描微观相图。结果表明:不同PEK-C膜厚增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度及层间剪切强度有不同程度提高,Ⅰ型层间断裂韧性及层间剪切强度以膜厚为10 μm最佳,分别增大了157.17%和17.57%,冲击后压缩强度以膜厚为30 μm最佳,达到了186.67 MPa,这是由于PEK-C与环氧树脂在热压固化过程中形成了双相结构,改善了材料韧性;但弯曲性能持续下降,强度及模量由未增韧的1 551 MPa、106 GPa分别降至30 μm时的965 MPa、79 GPa,这是由于PEK-C树脂扩散进入环氧树脂中,降低了纤维体积分数及材料刚度。      

风电叶片复合材料拉伸损伤破坏声发射行为

通过风电叶片单向和多向复合材料拉伸力学性能实验, 结合声发射技术, 研究复合材料损伤演化特性及纤维预断缺陷对复合材料力学性能的影响。复合材料单向和加卸载拉伸实验时, 采用声发射实时监测整个损伤破坏过程, 获取复合材料试件的拉伸力学性能、 损伤破坏特征及相应的声发射响应特征。结果表明: 由于纤维预断缺陷的存在, 单向复合材料加载到约30％破坏载荷时, 缺陷位置及相邻区域的基体和界面开始出现明显损伤; 加载到约60％破坏载荷时, 含缺陷层和相邻的层出现明显的层间剪切破坏, 导致刚度的急剧缩减, 声发射撞击累积数明显高于无缺陷试件。含纤维预断多向复合材料加载到约60％破坏载荷时, 纤维预断处树脂基体出现明显损伤; 随相对应力水平的提高, 多向复合材料的Felicity比下降较为平缓。     

碳纤维/聚砜复合材料的性能和破坏形态的研究

本文着重研究了碳纤维/聚砜(CF/PSF)复合材料中纤维不同分布方式和不同含量对其性能(力学、耐磨、热机械行为等)和破坏形态的影响。短纤CF/PSF复合材料的冲击强度随CF含量的增加略有下降,抗拉和弯曲强度有所提高;而长纤CF/PSF复合材料的力学性能比纯PSF大大提高,其层间剪切强度为树脂基体PSF抗拉强度的80%左右。CF/PSF复合材料的破坏均呈现出纤维—树脂界面脱粘现象。CF/PSF复合材料比纯PSF具有更优异的耐磨性能和更高的热形变温度。     

Tensile and compressive properties of chopped carbon fiber tapes reinforced thermoplastics with different fiber lengths and molding pressures

Tensile and compressive behaviors of chopped carbon fiber tapes reinforced thermoplastics have been investigated by varying compression molding conditions (to study the effect of the molding pressure) and the tape length (to analyze the fiber length effect on the mechanical properties of produced composites). Fractographic analysis of prepared specimens conducted after the experiments indicated that the obtained modulus values were almost independent of both the tape length and molding pressure, while the measured strengths exhibited high molding pressure sensitivity. Interlaminar shear strength was considered to be the dominate factor in damage determination during tensile testing, while interlaminar tensile strength played the main role in compression fracture. Increase in the tape length led to a slight increase in the strength magnitude, but also a significant increase in the standard deviation of strength due to the decrease in structural regularity.     

碳纤维复合材料假脚工艺参数对其冲击后疲劳性能的影响

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚的冲击及冲击后疲劳破坏过程进行分析,研究了不同的复合材料体系、几何尺寸、纤维铺设方式等工艺参数对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层;复合材料体系的横向和法向拉伸强度以及剪切强度等参数越小,假脚的冲击损伤面积越大,所能承受的疲劳循环次数越低;随着后龙骨厚度的增加,基体开裂损伤面积越来越大,分层损伤面积略有减小,而纤维压缩损伤几乎没有变化。尽管随着后龙骨厚度的增加,假脚的疲劳循环次数逐渐增大,但是相对于厚度的增加量,疲劳循环次数的增加量相对较小;不同铺层参数对碳纤维复合材料假脚的冲击损伤模式几乎没有影响。适度增加0°铺层的含量,可有效提高碳纤维复合材料假脚的疲劳性能。