碳纤维束疲劳损伤失效试验

为了解碳纤维束的疲劳特性及疲劳加载后剩余强度的变化, 为建立碳纤维复合材料疲劳性能的细观力学分析模型提供必要的基础数据, 研究设计了碳纤维束静载力学性能及疲劳特性试验方案, 并进行了试验。采用最小二乘法拟合得到了单束碳纤维的应力-寿命(S-N)曲线。对经过预疲劳的碳纤维束试验件进行了剩余强度试验, 采用最小二乘法拟合得到了碳纤维束疲劳加载剩余强度模型。试验结果表明: 试验所用碳纤维束的条件疲劳极限为静拉伸强度的80.47%; 碳纤维束经历一定循环次数的拉-拉疲劳可以提高其强度, 其剩余强度随着疲劳加载循环次数的增加先增加后减小。     

湿热、紫外环境对T300/QY8911复合材料孔板静力性能的影响

采用试验方法研究了湿热、紫外环境对T300 碳纤维/QY8911双马树脂复合材料静力拉伸和压缩性能的影响。针对 T300/QY8911复合材料层板的中心开孔试件,进行了常温干态、湿热环境、紫外辐射以及湿热和紫外共同作用下的静力拉伸和压缩试验。吸湿试验的结果表明,T300/QY8911复合材料试件的平衡吸湿率在0.6%左右。静力试验的结果表明：孔板的拉伸强度受到环境的影响较小;湿热会降低由基体性能主导的压缩强度、刚度等复合材料性能,吸湿后75℃ 和105℃ 环境下试验件压缩强度分别下降6.8%和20.3%;而紫外使复合材料孔板的压缩强度有所升高,300 MJ/m2 以上的紫外辐射量使试验件的压缩强度提高了10%左右,显示其对复合材料的性能有着更为复杂的影响规律,并且可能与湿热的影响存在交互作用。     

交变载荷对CFRP复合材料-铝合金粘接接头剩余强度的影响

为了给碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料粘接结构的安全设计及应用提供参考,针对CFRP复合材料-铝合金对接接头,研究了拉-拉交变载荷作用下的疲劳寿命特性及剩余强度变化规律。设计专用夹具,完成接头的制作及固化,并测试其拉伸、剪切准静态失效强度,在此基础上进行不同载荷水平下的疲劳寿命测试。选取特定载荷水平,测试不同循环次数后的接头剩余强度,并对失效形式进行观察分析。结果表明:CFRP复合材料-铝合金对接接头强度-寿命（S-N）曲线在单对数坐标上符合线性函数规律;随着交变载荷循环周期的增加,接头剩余强度呈先慢后快的下降趋势,而且在较大的载荷水平下,下降幅度更为明显;经历交变载荷循环前、后接头失效形式发生改变,由局部CFRP复合材料表层撕裂转变为局部界面破坏。结合试验测试所获得的初始失效准则,并引入疲劳退化因子,建立内聚力模型对交变载荷作用下的粘接接头强度衰减进行数值模拟,结果表明所建立模型能够有效预测交变载荷作用下的接头剩余强度。      

复杂面内应力状态下平面编织高铝纤维增强氧化铝基复合材料强度及疲劳寿命预测方法

针对平面编织氧化铝基复合材料提出了一种复杂面内应力状态下的强度准则和疲劳寿命预测方法。通过拉伸、压缩及纯剪切试验,分别获得了材料的静强度指标。考虑材料拉、压性能的差异和面内拉-剪联合作用对材料强度的影响机制,提出了修正的Hoffman强度理论。采用该强度理论预测得到的偏轴拉伸强度与试验结果基本一致,偏差不超过10%。开展了偏轴角θ=0°、15°、30°、45°,应力比R=0.1,频率f=10 Hz的拉伸疲劳试验,试验结果表明随着偏轴角的增加,相同轴向拉伸载荷下的疲劳寿命逐渐降低。由于面内剪切应力分量的作用,疲劳失效由纤维主导逐渐过渡到纤维和基体共同主导的模式。基于单轴疲劳寿命曲线,采用Broutman-Sahu剩余强度模型表征剩余强度随疲劳循环次数的变化规律,结合剩余强度演化模型和修正的Hoffman强度理论,提出了一种面内复杂载荷条件下的疲劳寿命预测模型,并引入疲劳剪切损伤影响因子表征拉-剪应力联合作用对材料疲劳行为的影响。采用本文提出的疲劳寿命预测模型,预测不同偏轴角拉伸疲劳寿命,预测结果与试验结果基本一致,偏差在1倍寿命范围内。比较结果表明在给定应力比、温度和疲劳载荷频率条件下,该疲劳寿命预测模型可以用来预测平面编织氧化铝基复合材料拉-剪复杂面内载荷条件下疲劳寿命。      

碳/碳复合材料疲劳损伤失效试验研究

对单向碳/碳复合材料纵向拉-拉疲劳特性及面内剪切拉-拉疲劳特性进行了试验研究; 对三维四向编织碳/碳复合材料的纵向拉-拉疲劳特性及纤维束-基体界面剩余强度进行了试验研究。使用最小二乘法拟合得到了单向碳/碳复合材料纵向及面内剪切拉-拉疲劳加载下的剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型, 建立了纤维束-基体界面剩余强度模型。结果显示: 单向碳/碳复合材料在87.5%应力水平的疲劳载荷下刚度退化最大只有8.8%左右, 在70.0%应力水平的疲劳载荷下, 面内剪切刚度退化最大可达30%左右; 三维四向编织碳/碳复合材料疲劳加载后强度及刚度均得到了提高; 随着疲劳循环加载数的增加, 三维四向编织碳/碳复合材料中纤维束-基体界面强度逐渐减弱。      

织物结构对复合材料力学性能影响的试验研究

为探讨不同结构形式织物对复合材料力学性能的影响及其损伤破坏机制之间的差异,通过宏观拉压试验,研究了经编及平纹碳纤维织物增强树脂基复合材料的拉伸及压缩力学性能,并利用声发射对试验过程进行实时监测,对破坏后的断口进行显微镜观察分析,分别给出了两种材料的拉伸和压缩破坏机制.研究结果表明:织物结构形式对复合材料的力学性能有较大影响,与经编织物复合材料相比,平纹织物复合材料的拉伸、压缩强度均较低,且其拉伸、压缩破坏试样的断口相对齐平,分层现象不明显;根据声发射监测结果可以判定两种复合材料损伤过程中的损伤类型,与经编织物相比,平纹织物复合材料拉/压过程中的声发射电压信号相对稳定且整体强度较低.     

含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度及疲劳性能试验研究

对T300/QY8911复合材料层板进行了低速冲击、 冲击后压缩以及冲击后疲劳试验研究。通过对冲击后的层板进行目视检测和超声C扫描获得了层板受低速冲击后的若干损伤特征; 在压-压疲劳试验中, 测量了损伤的扩展情况。讨论了冲击能量与损伤面积以及冲击后剩余压缩强度的关系, 分析了含冲击损伤层合板在压缩载荷及压-压疲劳载荷下的主要破坏机制。结果表明, 低速冲击损伤对该类层板的强度和疲劳性能影响很大, 在3.75 J/mm的冲击能量下, 层板剩余压缩强度下降了65%; 在压-压疲劳载荷作用下, 其损伤扩展大致可分为两个阶段, 占整个疲劳寿命约60%的前一阶段损伤扩展较为缓慢; 而疲劳寿命的后半阶段损伤则开始加速扩展, 并导致材料破坏。     

碳纤维增强环氧树脂基复合材料湿热残余应力的微Raman光谱测试表征

采用微Raman光谱仪对碳纤维增强环氧树脂复合材料CF/EP(纤维体积分数为30%)的湿热残余应力进行了研究。实验结果表明：湿热残余应力能够使碳纤维Raman光谱发生频移,根据频移可对纤维所受湿热残余应力进行表征;选择合适的试验点是复合材料湿热残余应力Raman测试成功的关键;在湿热环境下长期吸湿,纤维所受轴向残余应力由吸湿前的热残余压应力转变成吸湿后的湿热残余拉应力;由吸湿后碳纤维所受湿热残余拉应力减去吸湿前热残余压应力获得的吸湿拉应力非常大,平均为2272 MPa,接近所用碳纤维的拉伸强度(2800 MPa);适当的加工热残余压应力有利于降低吸湿导致的应力。     

三维机织复合材料在拉压循环载荷下的疲劳性能

为研究三维机织复合材料在拉伸-压缩循环载荷下的疲劳性能,对材料进行了应力比R=-1的疲劳试验。在不同的载荷水平下,分别进行了纬向和经向两类拉压疲劳试验。试验获得了试样在疲劳载荷下的滞回曲线和全过程中剩余刚度比随寿命的变化曲线。结果表明,在拉伸-压缩循环载荷下,三维机织复合材料的疲劳损伤过程主要包含3个阶段,分别发生基体破坏、纱线横向裂纹扩展和纱线的最终断裂。基体的破碎和开胶、垂直于载荷方向排布的纱线撕裂和沿载荷方向排布的纱线断裂是试样内部的主要失效模式。试验还获得了纬向和经向拉压疲劳的拟合S-N曲线,可应用于工程中对该型材料进行疲劳寿命估算。该型材料的疲劳寿命在低应力区和高应力区均显示出较小的分散性,双对数坐标系下的拟合S-N曲线具有较好的线性度。     

多损伤复合材料加筋壁板高周疲劳特性及剩余压缩强度

为研究常用于飞机垂尾的复合材料加筋壁板的冲击疲劳特性,设计了该型加筋壁板多点冲击试验、高周疲劳试验及剩余压缩强度试验。讨论了不同冲击能量对筋条边缘冲击损伤的影响,及施加低应力水平的疲劳载荷后各冲击损伤区域的扩展情况,对比分析了疲劳对冲击后剩余压缩强度的影响。结果表明:40J能量冲击后的损伤面积和凹坑深度较大,C扫描损伤形貌很不规则。100万次低应力疲劳后主损伤区附近衍生出新损伤,导致压缩破坏时产生向上、下夹具扩展的裂痕。该型加筋壁板疲劳后破坏载荷保持率为95.6%,有较好的抗冲击疲劳能力,为加筋壁板耐久性及后屈曲设计提供了思路。     

压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响

为确定压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响,首先对不同压缩预应力下的碳纤维/双马树脂CCF300/5428层板进行了低速冲击和准静态压痕试验,然后通过热揭层和冲击后压缩试验分别得到了层板分层面积和剩余强度。结果表明:压缩预应力会大幅降低层板的接触刚度和弯曲刚度,从而导致相同冲击能量下层板凹坑深度和背部基体开裂长度增大;对于准静态压痕过程和相同冲击能量下的冲击过程,分层起始载荷和峰值载荷均随压缩预应力的增大而减小;在相同冲击能量下,随着压缩预应力的增大,层板内部分层总面积及冲击能量吸收比不断增大,剩余压缩强度不断降低。因此,压缩预应力会降低复合材料层板的冲击损伤阻抗,对损伤容限性能不利,在对承受压缩载荷结构的试验验证过程中应考虑压缩预应力对抗冲击损伤性能的影响。      

Synergistic effect of cyclic mechanical loading and moisture absorption on the bending fatigue performance of carbon/epoxy composites

This study investigates the effects of hygrothermal condition on the static bending strength, the bending fatigue and the residual bending strength of carbon/epoxy composite laminates. Displacement-controlled three-point bending fatigue tests were conducted on carbon/epoxy composite laminates of immersion for 0, 7 and 14 days, respectively. After 40000 cycles the fatigue test was stopped and the residual properties were measured on the tested specimens. The effects of hygrothermal condition and fatigue on the micrographs of the specimens have been studied by the metallurgical microscope and scanning electron microscope. Experimental results reveal that moisture absorption can accelerate damage propagation of the composite; the accumulation of irreversible structural damage under the cyclic loading leads to a change in the macroscopic mechanical properties of the composites; the bending strength and the residual strength retention decreased with increased immersion time; hygrothermal aging lowered the threshold level for the onset of fatigue.     

低速冲击下复合材料层板压缩许用值

为评估航空结构中常用的T300级和T800级2种碳纤维/环氧树脂复合材料层压板的冲击后压缩许用值,对2种材料体系下具有不同厚度及铺层的层板进行了低速冲击和冲击后压缩试验;讨论了冲击能量、凹坑深度、损伤面积及冲击后剩余压缩强度等之间的关系,以及厚度、铺层、表面防护等因素对其造成的影响;重点关注了2种材料体系下各组层板的目视勉强可见冲击损伤(BVID)形成条件以及含BVID层板的剩余强度.结果表明:厚度及铺层对层板的凹坑深度-冲击能量关系影响较大,而对冲击后压缩强度-凹坑深度及冲击后压缩破坏应变-凹坑深度关系影响较小,且在相同铺层比例下,BVID对应的冲击能量随厚度近似呈线性增长.X850层板的损伤阻抗性能明显优于CCF300/5228层板的,但二者损伤容限性能相当.加铜网、涂漆等表面处理显著提高了层板的损伤阻抗,但对损伤容限性能影响不大;在损伤不超过BVID时,所有CCF300/5228试件的压缩破坏应变均大于4 000 με,而X850材料体系下压缩破坏应变均在3 000 με之上.     

湿热环境对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响及其损伤机理

采用加速吸湿法研究经3种湿热环境(湿度为85%RH,温度分别为25,70,85℃)处理后CFRP层合板的吸湿特性,对吸湿前后的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板分别进行拉伸、压缩、剪切实验,研究其力学性能变化规律,利用扫描电镜和红外光谱分析湿热环境中CFRP层板的损伤机理,最后采用最小二乘法拟合提出湿热环境下CFRP层合板力学性能的预测公式。结果表明:CFRP层合板的吸湿初期特性符合Fick定律;相同湿度下环境温度越高,CFRP的吸湿速率和平衡吸湿率越大,达到吸湿平衡所需时的间越长;3种湿热环境处理后的CFRP层板的90°拉伸和剪切力学性能下降最明显;经湿热环境处理后水分子通过氢键与环氧树脂发生缔合,但CFRP层合板中的各组分未发生化学结构变化;拟合建立的不同湿热条件下力学性能衰退公式与实验结果基本一致。     

不同环境下宽径比对碳纤维增强环氧树脂复合材料开孔层压板压缩失效的影响

复合材料结构强度的参数影响研究是结构设计的必要内容,然而还缺乏在不同湿热环境条件下结构尺寸对其强度的影响研究。采用数值和试验方法研究了宽径比（W/D）对不同湿度、温度时T800/X850碳纤维增强环氧树脂复合材料（CF/EP）开孔层压板压缩强度的影响。设计了参数影响研究试件,通过试验获得了不同湿热条件下的开孔层压板压缩失效结果;并利用现有的考虑湿热影响的复合材料渐进损伤方法,建立了湿热及几何参数影响的渐进损伤模型,通过将预测结果与试验结果对比验证了模型正确性。进一步结合试验和数值分析,揭示了不同湿热条件下几何参数的影响规律。研究表明:湿热环境对T800/X850 CF/EP开孔板的压缩失效载荷影响显著,相比于室温干态（RTD）,室温湿态（RTW）和高温湿态（ETW）压缩失效载荷分别下降了7.75%和14.68%; RTW和RTD失效形式接近,ETW失效形式不同且失效面积更大; RTW和RTD时压缩失效强度随W/D的增大而增大,增大速度相似,ETW增大速度比前两者慢。      

An experimental study on the effect of tow variations on compressive characteristics of plain weave carbon/epoxy composites under compressions

The effect of tow deformation on the static and fatigue characteristics of fabric composites under compression was investigated by experimental approach. Sheared specimens made of plain weave carbon/epoxy prepregs were prepared using a picture frame rig and the shear angles were 0°, 16°, 26°, 34°, 46°. To verify the effect of the tow variations of the fabric composites on compressive characteristics, the unidirectional composite specimens composed of the same fibre and matrix system with the same stacking sequences as the fabric composites were prepared for comparison. The static compressive test results showed that the static compressive strength of sheared fabric specimens was lower than that of the unidirectional specimens with the same stacking angle. On the other hand, the fatigue test results showed that fatigue life of sheared fabric specimens was higher than that of the unidirectional specimens for mild shear deformation cases. It was proved that these results were fully affected by the tow deformation caused by the shear deformation of the fabric specimens. The compression–compression fatigue behaviours of sheared fabric specimens were verified by appropriate unit-cell models.     

碳纤维增强树脂基复合材料组分疲劳强度表征

对微观力学失效（Micro-mechanics of failure,MMF）理论的应用做了扩展,将其用于分析连续纤维增强树脂基（FRP）复合材料的三维复杂结构的疲劳强度。基于MMF理论,建立了连续FRP复合材料层合板疲劳强度表征方法。分别对碳纤维/树脂（UTS50/E51）复合材料单向层合板进行静载和疲劳试验,得到层合板的基本力学性能和宏观强度指标;对UTS50/E51层合板组分疲劳强度进行了表征,得到了纤维和树脂的拉伸、压缩MMF疲劳特征参量S-lgN曲线,为MMF方法应用于连续纤维增强复合材料层合板结构的疲劳强度分析提供了判断依据。使用建立的方法对UTS50/E51多向层合板的拉伸疲劳强度进行了分析,并将预测结果与试验结果进行对比。     

A fractographic study on the effects of hygrothermal conditioning on carbon fiber/epoxy laminates submitted to axial compression

This paper is part of a series of fractographic studies on fiber-reinforced polymer composites submitted to compression, which attempts to fill the gap in the composite failure analysis. Here, the effect of the hygrothermal conditioning is assessed for composite laminates manufactured from a carbon fiber/epoxy resin prepregs, which used plain weave fiber arrangement. The laminate was trimmed into compression test specimens, according to the ASTM D3410 standard. After the test, the aspects of the failure were investigated using a scanning electron microscope, so the compression failure modes could be identified. The fractographic analysis indicates that the lower compressive strength of the conditioned specimens was caused by a decrease in the stiffness of the polymer matrix, due to the plasticizing effect of the moisture exposure.