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.     

芳纶捆绑对纬编双轴向多层衬纱织物增强环氧树脂复合材料层间性能的影响

将芳纶作为捆绑纱制备纬编双轴向多层衬纱(MBWK)织物增强环氧树脂复合材料，研究了MBWK织物增强环氧树脂复合材料层间性能及芳纶捆绑纱对其层间性能的影响。通过三点弯曲和短梁剪切测试，得到MBWK织物增强环氧树脂复合材料的弯曲性能和层间剪切性能，并通过Aramis V6三维场应变测量系统观察实验过程中层间应变变化。与传统涤纶低弹丝捆绑的MBWK织物增强环氧树脂复合材料相比，芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的弯曲性能和层间剪切性能明显提升，弯曲强度和层间剪切强度分别提高了14.21%和12.70%；弯曲模量提高了25.49%。芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料在受到面外载荷时，纵向应变(Epsilon X)和层间剪切应变(Epsilon XZ)在中性面区域内较大，且在受到面外载荷时，芳纶捆绑纱起到有效抑制复合材料分层的作用。      

多层连接碳纤维纬编双轴向衬纱织物增强复合材料的层间剪切性能

研究了三层连接、四层连接、五层连接的碳纤维纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料在0°和90°方向的层间剪切性能,结果表明:随着纤维体积含量的增加其层间剪切强度提高。复合材料的层间剪切载荷-挠度曲线趋于线性变化,达到最大值后载荷突然下降,表现出脆性断裂的特征。层间剪切试样断口形貌的分析结果表明,增强体结构对复合材料的层间剪切性能有显著的影响,试样的剪切破坏形式是分层破坏,在各织物组之间产生的裂纹较多。     

混杂比对碳/芳纶纤维混杂纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料力学性能的影响

利用层内混杂的方式制备碳/芳纶纤维混杂纬编双轴向多层衬纱织物,通过对材料进行拉伸、三点弯曲等实验研究该织物增强复合材料的力学性能及混杂比对其力学性能的影响。结果表明,按照一定的混杂比加入芳纶纤维后复合材料的拉伸性能提高,表现出积极的混杂效应。由于延伸性好的芳纶纤维的加入,使复合材料的拉伸断裂伸长率明显提高,材料破坏模式出现了完全脆性断裂模式(C12材料破坏形式)和“扫帚”形纤维断裂模式(C8A4,C6A6材料破坏形式)。此外,按照一定的混杂比加入芳纶纤维也有效改善了碳纤维增强复合材料的破坏韧性,碳/芳纶纤维混杂MBWK织物增强复合材料的弯曲强度和弯曲模量随混杂比的提高而呈下降趋势,当复合材料中芳纶含量从42%(体积分数,下同)(C6A6)到59.2%(C4A8)的变化过程中,弯曲强度和弯曲模量的降低率较高。0°试样在混杂比为59.2%(C4A8)时,弯曲挠度最大,达到7.49 mm,远高于纯芳纶纤维或纯碳纤维增强的复合材料。所有90°混杂复合材料试样的弯曲挠度均高于纯芳纶纤维或纯碳纤维增强的复合材料,表现出积极的混杂效应。     

热氧老化对纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料力学性能的影响

通过改变预制体结构衬纱取向的方法制备了几种含不同剪切角的纬编双轴向多层衬纱(Multilayered biaxial weft knitted,MBWK)织物增强复合材料。基于Arrhenius模型和Ozawa法设计了热氧老化试验,采用力学性能测试、DSC、FTIR和DMA测试对老化前后的试样热-物理性能进行了表征。实验结果表明：预制体的纱线剪切角不同,其复合材料受热氧老化后力学性能的保留率也显著不同,由于乙烯基酯树脂在热氧老化环境中会发生后固化现象,因此复合材料的弯曲模量在老化过程中呈现先增加后下降的趋势,而拉伸性能则受到增强体结构的影响,纤维/基体界面的结合力退化使拉伸模量在老化过程中持续下降;随着老化时间的延长,树脂的固化度逐渐增加,玻璃化转变温度T_g逐渐升高,储能模量峰值在老化初期由于分子链交联上升,老化后期分子链断裂占据主导作用致使峰值逐渐下降。     

不同结构UHMWPE纤维纬编针织复合材料弯曲性能

以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维为原料,在电脑横机上编织出较理想的UHMWPE纤维纬平针、罗纹、畦编针织结构织物.采用VARTM工艺、(0°,90°)3s铺层方式成功制备了六层纬平针、六层罗纹以及六层畦编UHMWPE纤维纬编针织复合材料板.对三种复合材料板的弯曲性能及其影响因素进行研究,比较并分析其弯曲应力-挠度变化曲线和破坏形式.结果表明:三种UHMWPE纤维纬编针织结构增强复合材料的弯曲应力-挠度曲线具有非线性特征,曲线均类似于抛物线;其中,纬平针织结构复合材料的弯曲强度最大,罗纹次之,畦编最小;承受弯曲破坏的主要是树脂基体,没有出现增强体断裂、撕开等现象,表明由高强聚乙烯纤维制成的增强体材料具有较强的韧性与较高的强力.     

复合材料头盔壳体用超薄层合板冲击后的压缩性能

使用[0°/0°/0°]T、[45°/0°/45°]T两种铺层角度将碳纤维经面缎纹织物、碳纤维平纹织物预浸料、不同面密度芳纶纬编双轴向织物(MBWK)三种增强材料混杂铺层,制备出厚度为1.30 mm的复合材料头盔壳体用超薄层合板。测试分析了层板冲击后的压缩性能,用C扫描超声波检测仪测试了层合板冲击损伤图像,使用Image Pro Plus图像分析软件计算出不同冲击条件下的超薄层合板冲击损伤面积,研究了增强体结构类型、铺层角度对超薄复合材料层合板冲击后压缩性能的影响。结果表明,使用铺层角度为[45°/0°/45°]T的增强体结构可抑制层板沿纤维方向的冲击损伤裂纹的扩展,但是冲击点损伤破坏严重;纬编双轴向织物的面密度越大,则层板冲击后的凹坑深度越小。与其他铺层结构相比,当铺层角度为[0°/0°/0°]T时底层为碳纤维预浸料、中间层纬编双轴向织物面密度为630 g/m2、面层为碳纤维经面缎纹织物的复合材料超薄层板的冲击损伤面积与凹坑深度均最小,分别为225.28 mm2、0.16 mm,其剩余冲击后压缩强度达到最大值97.43 MPa,压缩强度保持率75.72%。这种结构,具有优异的冲击后压缩性能。     

织物结构对玄武岩织物/环氧树脂复合材料力学性能的影响

采用三种不同结构玄武岩织物(单向/平纹/2.5维),通过树脂传递模塑成型工艺(RTM)制备了玄武岩织物增强环氧树脂复合材料。通过拉伸和弯曲试验,研究了织物结构对复合材料力学性能的影响,探讨了不同织物结构玄武岩织物增强环氧树脂复合材料的损伤破坏机制。结果表明:织物结构形式对复合材料的力学性能有较大影响,单向玄武岩织物复合材料的拉伸性能最好,试样的拉伸断口相对齐平,分层现象不明显;2.5维玄武岩织物复合材料弯曲性能最好,且纬向弯曲性能优于经向。2.5维织物增强复合材料的结构整体性较好,受到拉伸和弯曲载荷不会产生分层破坏。根据扫描电子显微镜(SEM)断面分析可以判定,玄武岩织物/环氧树脂复合材料拉伸和弯曲加载过程中的损伤类型主要为织物中纤维的断裂及纤维-树脂的界面脱粘。     

纬编双轴向织物/环氧树脂电加热复合材料电热及层间剪切性能

为开发一种可用于航空飞行器防/除冰防护的电加热复合材料,本文设计制备了三种纬编双轴向织物/环氧树脂复合材料,采用实验方法研究了纬编双轴向织物电阻丝排列密度对复合材料电热性能和层间剪切性能的影响。电加热复合材料上、下层均为玻璃纤维/环氧树脂预浸料,中间层为电加热纬编双轴向织物,织物衬经纱、捆绑纱和衬纬纱分别采用铜镍合金丝、涤纶和玻璃纤维。采用红外温度测试仪和材料万能试验机进行性能测试。结果表明:施加电压6 s后复合材料表面温度快速升高,在60 s左右温度达到最高平衡温度,复合材料表面最高平衡温度与施加电压成正比关系;当施加电压不变时,电阻丝排列密度越小,复合材料表面最高平衡温度越高;电阻丝排列密度越小,复合材料层间剪切强度越大。可见,纬编双轴向织物/环氧树脂电加热复合材料具有轻质高强、加热速率高、成型性好等特点,适合用于飞行器多个部位的防/除冰。      

三维机织复合材料力学性能的各向异性

通过一系列的实验、分析, 客观地评价了4 种不同结构碳/ 环氧3D 层-层正交角联锁机织复合材料沿0°、30°、45°、60°、90°方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量。实验结果表明: 三维机织角联锁复合材料属正交各向异性材料, 各个方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量曲线呈枫叶形, 具有明显的双主轴特性; 4 种不同结构复合材料的各向异性力学性能有差异, 经向力学性能以带衬经的角联锁结构为最佳, 而纬向力学性能以纬密大的角联锁结构为最佳; 三维机织角联锁复合材料具有很强的性能可设计性, 正确选择纤维原料、纤维细度、三维预制件的组织结构和各个纱线组分的排列密度, 即可达到预期的性能指标要求。      

Tensile properties of multilayer-connected biaxial weft knitted fabric reinforced composites for carbon fibers

Multilayered-connected biaxial weft knitted (MBWK) fabric reinforced composites have excellent tensile properties. Three kinds of different fabrics reinforced composites are used in this paper, which are three-layer-connected biaxial weft knitted fabric, four-layer-connected biaxial weft knitted fabric and five-layer-connected biaxial weft knitted fabric. The tensile properties of MBWK fabrics reinforced composites are studied with 0° and 90° directional testing with different carbon fiber volume fractions. The results show that the carbon fiber volume fraction has significant effect on tensile strength of MBWK fabrics reinforced composites. The linear correlation between tensile strength and carbon fiber volume fraction is very well in the certain range, and failure analyses are also available by means of sample debris examination to identify the failure modes and the fracture surfaces.     

2.5D机织复合材料压缩性能实验与数值模拟

为了研究2.5D机织复合材料的压缩损伤和失效机制,验证双尺度渐进损伤有限元数值模拟方法的有效性,对这类复合材料分别沿经纱方向和纬纱方向进行了准静态压缩实验,获得了其相应的应力-应变曲线,并测定了材料的初始弹性模量和极限强度。在此基础上,利用双尺度渐进损伤有限元数值方法模拟分析了材料的压缩应力-应变响应和损伤演化行为,取得了与实验吻合较好的模拟结果。结果表明:2.5D机织复合材料在纬向压缩下的主要失效模式是纬纱的轴向压溃与断裂,可获得相对较高的压缩强度;但在经向压缩下,经纱因弯曲会承受附加弯矩作用,从而对周围基体造成挤压,故在经纱轴向断裂之前容易出现经纱之间基体的压溃和纱线之间的分层开裂,使强度降低,不利于发挥纤维的承载优势。     

Tensile and bending behaviours of laminates with various fabric orientations

Woven fabrics are probably by far the most commonly used forms of textile composites in structural applications, they generally consist of two sets of interlaced yarn components, known as the warp and weft yarns according to the yarn directions in the fabric. One of the major factors which influences the mechanical properties of the woven fabric composites is the stacking orientations of the fabric layers in the composites. Vacuum assisted resin infusion technique was employed to produce two-layer laminates with various fabric crossing angles. The bending and tensile behaviours of the specimens were measured, the results showed that both bending character and tensile strength were highly influenced by the orientation of the fabric layers in the laminates. Parallel lay-ups of the fabric would increase both the bending and tensile strength in a definite direction, meanwhile, elongation at break in that direction was also increased greatly.

Distinctive fracture profiles were noticed when using different fabric orientations in the laminates.     

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%。      

不同针织结构经编碳纤维复合材料弯曲性能

通过对3种不同针织方式碳纤维经编织物结构的分析和弯曲性能测试, 研究了织物针织方式对NCFs复合材料力学性能的影响。采用链式缝编的 织物与经平缝编的 织物相比, 束缚效果更好, 经编线引起的纤维变形区的宽度较小, 因此 织物增强的复合材料中的富树脂区和空洞相对较少, 弯曲强度和模量均高于 复合材料。单向经编织物也采用经平缝编, 纤维取向与双轴向织物相比更准确, 由于缝编引起的纤维变形和损伤较少, 复合材料的弯曲性能高于两种双轴向经编材料。      

Influence of three-dimensional (3D) fabric orientation on flexural properties of cement-based composites

This research studied the flexural behavior of textile reinforced cement-based composites reinforced with 3D fabrics. Three different 3D fabrics were examined, each with a different orientation of the spacer yarns. This work focused on the influences involved in the two plane fabric directions, weft and warp. Plain 2D fabrics (not in cement) and within the cement were also examined for comparison. It was found that the warp direction of the plain fabric has higher tensile strength than the weft direction. On the contrary, when the fabric is in a composite, the weft direction presents improved behavior in flexure due to three mechanisms: the tightening of the warp bundles by the loops, the waviness of the warp yarns, and the angle of the yarns located along the composite thickness to the loading direction. In general, compared with 2D fabrics, 3D fabrics are highly beneficial reinforcements for cement-based composites due to their greater reinforcing efficiency via mechanical anchoring.     

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。      

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.