三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在两种测量方法下的热响应机制对比

采用瞬态热线法和闪光法分别测量了多种结构参数的三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数。通过对3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料的有限元模拟可以看出,3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料内经纱、纬纱和Z向纱的导热作用在不同的受热形式下会发生变化。采用瞬态热线法测量时,2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数低于2.5D经向增强结构,同时高于3D正交结构,而采用闪光法测量时,2.5D经向增强和3D正交碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数均小于2.5D机织结构。这是由于在使用不同的测量方法时,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料内部相同的纱线系统在导热过程中所起的作用并不相同。随着纤维体积含量的提高,瞬态热线法和闪光法测得的2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数都在不断提高。由于经纱的屈曲,采用闪光法测量时,导热性能提升更加明显。研究结果表明,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在不同受热形式下具有不同的热响应机制。     

结构参数对碳/树脂3D机织复合材料拉伸性能的影响

通过一系列的实验比较和分析研究, 客观评价了4 种不同结构碳/ 树脂3D 机织复合材料沿经向和纬向的拉伸性能。实验结果表明, 4 种3D 机织复合材料沿经向和纬向的负荷-位移曲线具有双线性, 初始模量高于二次模量; 3D 机织复合材料的拉伸曲线无屈服点, 是脆性材料; 3D 机织复合材料的力学性能优良,可同时在经向和纬向获得很高的拉伸性能; 加入衬经纱可以大大提高经向的拉伸强度和模量, 加大纬纱密度可以大大提高纬向的拉伸强度和模量; 4 种不同结构3D 机织复合材料中以带衬经和衬纬的复合材料拉伸性能为最佳。      

三维角联锁机织铝基复合材料面内拉伸力学行为与失效机制

针对真空压力浸渗法制备的三维角联锁机织铝基复合材料,采用细观力学有限元模拟与试验结合的方法研究了其面内拉伸变形损伤与断裂力学行为。结果表明:复合材料拉伸应力-应变曲线的计算与试验结果吻合较好,经(纬)向拉伸初始弹性模量、极限强度和断裂应变的计算误差分别为3.96%(1.11%)、1.40%(6.86%)和?5.49%(3.73%);经向拉伸载荷作用下,经纱界面及其邻近基体合金先后发生损伤,随拉伸应变增加损伤累积和交互作用依次引发界面、基体和纬纱失效,变形后期经纱的断裂最终导致复合材料经向拉伸失效;纬向拉伸变形前期,经纱界面和经纬纱之间薄弱的基体合金相继产生损伤和失效现象,经纱在变形中期即出现横向破坏,起主要承载作用的纬纱轴向断裂是纬向拉伸的主要失效机制,由于三维角联锁机织体中纬纱体分远低于经纱,复合材料纬向拉伸模量和强度分别仅为经向的81.8%和56.5%。      

上浆剂含量对碳纤维性能的影响

以国产聚丙烯腈(PAN)基高强中模碳纤维(QZ5526)为研究对象，采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、万能材料试验机、纱线耐磨仪等表征手段分析比较了上浆量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%的碳纤维表面物理结构和化学特性，结合耐磨性、悬垂性、表面能以及拉伸强度、层间剪切强度(ILSS)等力学性能实验，探讨了上浆量对国产高强中模碳纤维表面形貌、后加工性能及复合材料界面性能的影响。结果表明：上浆剂含量对纤维的表面粗糙度、化学活性、耐磨性、力学性能和层间剪切性能等影响显著，适宜的上浆量(1.5%左右)有助于改善碳纤维表面性能以及与树脂基体的界面结合能。     

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。      

不平衡2.5D碳纤维机织预制体偏轴拉伸性能

通过偏轴拉伸实验研究了因纱线细度变化而引起的不平衡2.5D碳纤维机织预制体（2.5D CFWPs）的面内剪切变形性能，实验材料包括4组不平衡2.5D CFWPs试样和1组平衡2.5D CFWPs试样。观察了不平衡2.5D CFWPs试样的典型宏观变形形貌和细观结构变化；对比了不平衡试样和平衡试样的剪切角和拉伸载荷变化；通过归一化处理，详细分析了纱线细度对预制体面内剪切变形的影响。结果表明:不平衡2.5D CFWPs试样典型变形形貌呈左右不对称形态，且纱线呈“S”型或“Z”型抽拔；经纬纱细度组合为792 tex×396 tex （表示经纱细度为792 tex，纬纱细度为396 tex）和396 tex×792 tex的不平衡2.5D CFWPs试样的偏轴拉伸性能基本相同，另两组不平衡试样（经纬纱细度组合为198 tex×792 tex和792 tex×198 tex）的偏轴拉伸性能也基本相同；平衡试样的拉伸载荷明显大于不平衡试样，在达到剪切锁紧后，平衡试样载荷快速上升，不平衡试样载荷上升缓慢；对拉伸载荷归一化处理后，剪切角小于20.81°时，5组2.5D CFWPs试样剪切力基本相同，在20.81°~30.02°时，4组不平衡试样剪切力基本相同。      

基于细观结构的2.5维机织复合材料强度预测模型

采用经纱矩形截面及纬纱六边形截面假设,将经纱的屈曲轨迹简化为折线形式,建立了2.5维机织复合材料单胞几何模型。以单胞为研究对象,引入改进的三维Hashin失效准则和Mises准则作为组分材料的失效判据,采用不同的刚度退化方式来表征不同的失效模式,建立了基于逐渐损伤理论的强度预测模型。利用有限元分析（FEA）技术,开发了相应的参数化2.5维机织复合材料逐渐损伤分析程序,预测了浅交弯联结构不同机织参数2.5维机织复合材料的拉伸强度,并模拟了经向拉伸和纬向拉伸的损伤扩展过程。与静拉伸试验结果相比,拉伸强度的预测误差在10%以内;模拟的失效模式与试验结果吻合较好。     

国产T800碳纤维用氰酸酯树脂开发及其复合材料性能

基于飞行器减重对耐高温结构复合材料的应用背景,为了拓展国产T800碳纤维增强氰酸酯复合材料体系的应用,通过对国产T800碳纤维表面上浆剂的分析,开展适于国产T800碳纤维的氰酸酯树脂基体配方设计,研究国产T800碳纤维/氰酸酯复合材料的力学性能和耐热性能,分析树脂基体对复合材料界面性能的影响。结果表明:国产T800碳纤维表面上浆剂中含有环氧基团。配方优化后的氰酸酯树脂与国产T800碳纤维复合后,复合材料的室温-湿态力学性能保持率大于74.8%,200℃力学性能保持率大于57%,玻璃化转变温度为226℃,具有优异的热机械性能和界面性能。     

三向正交纤维增强铝基复合材料经向拉伸渐进损伤及其断裂力学行为

用真空压力浸渗法制备了新型三向正交碳纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,根据其内部纱线截面形状和机织结构特征建立了考虑界面作用的细观力学有限元模型,并将数值模拟与实验相结合研究了复合材料在经向拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,铝基复合材料拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果,分别为120.7 GPa、771.75 MPa和0.83%。数值模拟的计算误差分别为-3.21%、1.75%和-9.63%,宏观应力-应变曲线的计算结果与实验曲线吻合得较好。在经向拉伸载荷作用下复合材料的基体合金与Z向纱之间的界面先发生失效,随着拉伸应变量的增大纱线交织处基体合金的损伤逐渐累积并先后发生Z纱和纬纱的局部开裂失效,在拉伸变形后期基体合金的失效和经纱断裂最终使复合材料失去承载能力。铝基复合材料的拉伸断口呈现出经纱轴向断裂以及纬纱和Z向纱横向开裂的形貌,起主要承载作用的经纱其轴向断口较为平齐且纤维拔出长度较短,复合材料经向拉伸时表现出一定的脆性断裂特征。     

不同上浆剂的国产碳纤维复合材料湿热性能研究

通过对表面包覆不同上浆剂的国产碳纤维制备的双马树脂基复合材料在71℃水浸前后的吸湿量、层间剪切性能、弯曲性能、破环模式以及破坏断口的SEM照片进行比较,研究了上浆剂对复合材料湿热性能的影响,同时与T300制备的同种树脂基复合材料的相关性能进行了比较.研究发现,不同性能的上浆剂对复合材料的湿热性能有明显影响,目前国产上浆剂的性能与T300表面上浆剂的水平还有些差距.     

2.5D机织复合材料经向和纬向振动疲劳行为对比

2.5D机织复合材料抗分层、耐冲击,在航空发动机结构上具有巨大的应用前景。本文对一种2.5D机织碳纤维增强双马树脂基复合材料经向和纬向试件,开展了不同名义应力水平下的一阶弯曲共振疲劳试验。试验结果表明：经向试件的振动疲劳性能优于纬向试件,随着应力水平的提高,经向和纬向试件的寿命明显缩短,而固有频率下降百分比增加,试件内部的损伤严重程度和损伤扩展速度都随之提高。2.5D机织复合材料经向和纬向试件在共振疲劳试验过程中的主要失效模式是纱线与基体之间脱粘造成的结构完整性丧失,从而导致试件的刚度持续下降。试件内部损伤的三维电子计算机断层扫描(Computerized tomography,CT)重构图像表明,损伤散布于试件工作段区域,应力水平越高,2.5D机织复合材料经向和纬向试件内部损伤范围越大,损伤程度越高,而且纬向试件内部损伤状态比经向试件严重。利用双对数线性寿命模型,对经向和纬向试件在不同名义应力水平下的共振疲劳试验数据进行拟合,得到2.5D机织复合材料经向和纬向试件共振疲劳应力-寿命(Stress-life,S-N)曲线的数学模型,得到的S-N曲线可用于预测2.5D机织复合材料的寿命。     

碳/环氧3D角联锁结构复合材料压缩性能的实验研究

碳/环氧3D层-层正交角联锁结构复合材料是很有应用潜力的材料,然而,到目前为止,这种材料的力学性能数据较少,影响了其可靠性的评估.本研究通过测试四种不同结构的角联锁结构复合材料的压缩性能,客观地评价了结构与压缩性能的关系.实验结果和分析表明:四种结构的复合材料在相互垂直的经向和纬向均具有较高的压缩强度和压缩模量;经纱密度大的结构其经向压缩强度也大,同样,纬纱密度大的结构其纬向压缩强度也大;呈伸直状态的衬纱对提高其所在方向的压缩模量贡献很大.     

碳纤维三维角联锁机织复合材料弯曲作用下力阻响应

电阻法在碳纤维复合材料结构健康监测(SHM)中具有巨大应用前景。本文研究了碳纤维三维角联锁机织复合材料经向和纬向试件在弯曲作用下力-电阻响应,探究电阻变化与复合材料结构损伤的相关性。试验结果表明：经向和纬向试件在弯曲作用下电阻变化与试件主要承载纱线损伤情况具有相关性。准静态三点弯曲加载下,试件电阻变化可以反映试件承载能力变化：在最大载荷点之前,试件电阻基本不变;主要承载纱线发生断裂损伤时,电阻增加。弯曲疲劳加载下,试件电阻变化可以反映试件承载能力退化情况：在弯曲疲劳加载前期,三维角联锁机织复合材料呈现负压阻效应;随着循环次数增加,基体裂纹、界面脱粘等不可逆损伤不断累积,电阻缓慢增大;在弯曲疲劳加载后期,主要承载纱线断裂,电阻显著增加;试件最终疲劳失效时,电阻急剧增加。     

国产ZT7H碳纤维表面状态及其复合材料界面性能

目前我国在高性能碳纤维研发生产方面已取得了突破性的进展。本文选用不同批次和牌号的国产ZT7H碳纤维,对其进行去浆和上浆处理,并制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料,探究国产H1型上浆剂对ZT7H碳纤维表面形貌和微观界面性能的影响及不同牌号碳纤维复合材料界面性能的差异。研究表明,H1上浆剂增加了碳纤维表面粗糙度和极性组分含量,增强了湿热老化前后复合材料的微观界面力学性能。同时,碳纤维织物的编织方式对其复合材料的静态力学性能和界面性能有很大影响。实验证明,国产ZT7H碳纤维的性能已超过东丽T700碳纤维,但其加工工艺性仍有待提升。      

双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料弯曲性能

经纬纱和针织纱分别选用不同线密度的高模高强玄武岩纤维, 以不同衬纱方式编织出机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物, 并以其作为增强体, 采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料。对两种复合材料0°、 90°和45°方向的弯曲性能进行测试, 分析比较了弯曲应力-应变特征曲线及纱线强度。结果表明: 两种复合材料具有较好的弯曲性能, 0°和90°方向的弯曲性能均优于各自45°方向的, 弯曲应力-应变曲线均表现出一定的塑性破坏特征; MBWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能又分别高于CWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能; 复合材料中经纱和纬纱的屈曲程度不同, 致使MBWK织物增强复合材料的比模量和纱线强度均高于CWK织物增强复合材料, 两种复合材料的弯曲性能受不同衬纱方式的影响, 而两种复合材料试样的弯曲破坏形态相近。研究结果为双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料的应用提供了参考。     

Finite Element Analysis of Warp-Reinforced 2.5D Woven Composites Based on a Meso-Scale Voxel Model under Compression Loading

A study is conducted with the aim of developing meso-scale voxel-based model for evaluating the compressive behaviors of warp-reinforced 2.5D woven composites. The real microstructure of warp-reinforced 2.5D woven composites is established. For the validation of this model, a series of axial (warp direction) and transverse (weft direction) compressive tests are conducted. The results show that under axial and transverse compressive loading, the calculated max stress and the final damage morphology agree well with the experimental results. Moreover, it is found that the axial compressive strength is mainly dependent on the high-crimp blinder warp, while the transverse compressive strength is significantly influenced by the warp/weft interlaced regions. It is expected that such a numerical investigation will provide useful information for understanding the strength and failure characteristic of 2.5D woven composites.