三维机织夹芯复合材料的制备与压缩性能研究

以玻璃纤维为原料,采用2个系统经纱(一个为上下表层经纱,另一个为夹芯层经纱)、1个系统纬纱,在SU111型全自动剑杆织机上制织经向截面为“口”字形的新型三维夹芯织物.以环氧树脂E-44与9055型固化剂为基体体系,采用手糊成型工艺将上述机织物复合制成三维机织夹芯复合材料.研究三维机织夹芯复合材料的压缩性能,分析材料结构与压缩性能之间的关系,并与“8”字形中空复合材料进行比较.结果表明,芯材间距为5mm的“8”字形中空复合材料的压缩强度高于芯材间距为25 mm的三维机织夹芯复合材料,但是后者的弹性模量高于前者.实验结果对该类结构材料的优化设计与力学性能研究具有极其重要的指导价值.     

Shear Behavior of 3D Woven Hollow Integrated Sandwich Composites: Experimental,Theoretical and Numerical Study

An experimental, theoretical and numerical investigation on the shear behavior of 3D woven hollow integrated sandwich composites was presented in this paper. The microstructure of the composites was studied, then the shear modulus and load-deflection curves were obtained by double lap shear tests on the specimens in two principal directions of the sandwich panels, called warp and weft. The experimental results showed that the shear modulus of the warp was higher than that of the weft and the failure occurred in the roots of piles. A finite element model was established to predict the shear behavior of the composites. The simulated results agreed well with the experimental data. Simultaneously, a theoretical method was developed to predict the shear modulus. By comparing with the experimental data, the accuracy of the theoretical method was verified. The influence of structural parameters on shear modulus was also discussed. The higher yarn number, yarn density and dip angle of the piles could all improve the shear modulus of 3D woven hollow integrated sandwich composites at different levels, while the increasing height would decrease the shear modulus.     

Tensile Properties and Failure Mechanism of a New 3D Nonorthogonal Woven Composite Material

Tensile properties and failure mechanism of a newly developed three-dimensional (3D) woven composite material named 3D nonorthogonal woven composite are investigated in this paper. The microstructure of the composite is studied and the tensile properties are obtained by quasi-static tensile tests. The failure mechanism of specimen is discussed based on observation of the fracture surfaces via electron microscope. It is found that the specimens always split along the oblique yarns and produce typical v-shaped fracture surfaces. The representative volume cell (RVC) is established based on the microstructure. A finite element analysis is conducted with periodical boundary conditions. The finite element simulation results agree well with the experimental data. By analyzing deformation and stress distribution under different loading conditions, it is demonstrated that finite element model based on RVC is valid in predicting tensile properties of 3D nonorthogonal woven composites. Stress distribution shows that the oblique yarns and warp yarns oriented along the x direction carry primary load under x tension and that warp yarns bear primary load under y tension.     

三维中空复合材料力学性能研究

三维中空复合材料是一种新型的结构、功能材料,具有优异的力学性能与可设计性.研究了三维中空复合材料的复合成型工艺,重点介绍了真空辅助成型工艺.制作了满足测试要求的测试件,对材料的经、纬向的拉伸、平压、双层剪切和四点弯曲等性能进行了测试研究,获得了该种材料的主要力学性能参数,并与类似的蜂窝等夹层材料进行了性能对比.     

2.5维机织复合材料强度准则

2.5维机织复合材料已有较为广泛的应用,目前对该类复合材料强度理论的研究还相对较少。根据2.5维机织复合材料拉伸破坏的细观机理,基于单向复合材料的三维Hoffman准则,建立了2.5维机织结构复合材料拉伸破坏准则,通过对2.5维机织复合材料3种结构24个试件进行拉伸试验,与计算预测结果的对比表明了本文建立的强度准则的合理性。研究表明,纤维拉伸断裂是2.5维机织复合材料拉伸破坏的主要原因;相比基于最大应力准则、Hashin准则建立的强度准则,基于Hoffman准则建立的强度准则综合考虑了纤维在外载荷作用下各应力分量对纤维断裂破坏的影响,其预测结果与实际试验结果更为接近;在其他条件不变情况下,随纱线取向角增大,纱线拉伸断裂应力呈非线性降低。随纱线纤维体积含量增加,纱线拉伸断裂应力成线性增加。     

整体中空复合材料低速冲击响应研究

整体中空复合材料是一种新型的结构、功能材料,具有优异的力学性能与可设计性.本工作选取两种不同芯层高度的复合材料进行低速冲击相关实验研究:5mm材料进行不同级别能量的低速冲击实验,7mm材料进行铝蒙皮前后低速冲击对比实验.借助ORIGIN软件对材料低速冲击过程中的主要参数(速度、位移、冲击载荷、吸收能量等)进行了详细分析.结果表明:低速冲击过程中的初始损伤能量可用来表征材料的破坏程度;铝蒙皮有利于增强材料的抗低速冲击性能.     

整体中空复合材料有限元模型的建立

采用有限元法对整体中空复合材料进行计算机模拟,利用ANSYS分析软件建立了整体中空复合材料的有限元模型,并模拟了压缩、剪切和弯曲过程中的应力分布情况,为材料的优化设计提供依据.由于其在设计、织造、成型等过程中各类参数的变化,该模型还需根据实际情况不断地调整与修正.     

三维正交机织复合材料的拉伸力学性能及介电性能研究

三维纺织复合材料的发展越来越广泛,其轻质,抗分层等优点是层合板式复合材料无法比拟的.本工作对自行设计并制作的五种玻璃纤维芳纶纤维混合增强的环氧树脂复合材料的拉伸力学性能和介电性能进行了研究.结果表明纯芳纶结构的三维复合材料有着最高的比强度和比模量;而在玻璃纤维含量较多的结构材料里介电性能呈现集中且稳定的趋势.在不同的应用中,可以将不同纤维混合作为增强体以发挥各种纤维的优势和特点,满足不同的设计和实际需要.     

玻/涤混杂3D机织复合材料拉伸性能的研究

混杂纤维增强复合材料是一种新型的复合材料.本文探索了混杂纤维复合材料体积含量的计算方法,通过改变混杂比设计了四种线型并对复合材料拉伸性能进行研究,观察断口形貌,分析其断裂机理.结果表明:混杂纤维增强复合材料拉伸断裂过程与纤维各组分的强度、伸长以及树脂材料性质关系密切.随着涤纶含量的增加,混杂纱线密度逐渐减小,而板材的断裂伸长率逐渐增加.试样抗拉强度与涤纶百分含量呈二次方关系,涤纶含量为60.682%时复合材料抗拉强度达到最小值,材料发生二次断裂.     

三维浅交弯联机织复合材料拉伸性能的有限元分析

本文通过绘图软件PRO/E5.0构建了用于拉伸性能研究的三层浅交弯联机织复合材料的数字化结构模型。借助大型有限元分析软件ANSYS Workbench对复合材料在1mm的拉伸变形下复合材料、纤维增强体及树脂基体的拉伸应力、应变分布情况进行模拟、计算,并对1mm拉伸位移下复合材料的破坏行为和破坏机理进行分析。结果表明:复合材料承受拉伸载荷时,纤维增强体起主要承载作用,树脂基体起次要承载作用;平行于拉伸方向的纬纱比垂直于拉伸方向的经纱承受更大的载荷作用;1mm拉伸位移下,复合材料破坏行为主要为纤维拉伸变形、纤维与树脂间脱粘及树脂的破碎。     

三维整体夹芯机织复合材料的抗冲击与能量吸收性能

采用落锤冲击测试方法对几种类型3D整体夹芯机织复合材料板材的抗冲击性能进行测试,将测试结果与2D机织层合板、典型3D机织复合材料的抗冲击性能进行比较,分析影响复合材料抗冲击性能的因素.最后采用SEM分析试样的破坏过程与损伤机理.结果表明:当承受相同的冲击力时,具有合适夹芯结构的材料质量要比典型的三维机织复合材料板材轻的多,即可以满足工程上对结构体本身轻质、高强度性能及能量吸收能量的要求;接结方式的不同将影响复合材料板材的抗冲击性能,贯穿接结复合材料的抗冲击性能优于分层接结的复合材料;复合材料的抗冲击性能将随着增强纤维拉伸强度的增大而增大;在落锤冲击条件下,预制件经、纬纱的织造密度对三维整体夹芯机织复合材料板材的抗冲击性能影响很大.     

整体中空夹层复合材料低速冲击损伤及剩余强度实验研究

简要论述了整体中空夹层复合材料低速冲击及冲击后剩余强度的研究情况,选取了三种不同规格的试件进行了不同能量下的低速冲击试验和冲击后的拉伸,压缩强度试验,得到不同能量下材料的损伤情况和强度变化曲线。实验结果与国外相关文献进行了对比,与文献结果具有一致的变化规律,对整体中空夹层复合材料的运用及推广有一定得参考意义。     

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.     

三维机织管状复合材料力学模型与实验验证

对管状结构的三维机织复合材料采用椭圆形纤维束截面假设,提出一种管状结构的单元体划分方式,建立力学模型预测其工程弹性常数.采用分层研究的方法.讨论了弹性模量以及纤维体积含量与圆管半径的关系.自行设计了一套RTM(Resin Transfer Molding)注射装置并研究其成型工艺,制备实验件进行轴向拉伸、压缩和扭转实验,理论预测值和实验值具有良好的一致性,证明力学模型的正确性.     

2.5D机织复合材料弹性性能的有限元分析

在已有研究的基础上,提出了一个新的2.5D机织复合材料有限元模型,该模型较为真实的模拟了织物内纤维束的轮廓结构和走向,模型中纤维束单元的材料属性根据其所处位置及纱线走向的不同对其分别进行定义。利用该模型,以机织结构和纤维束排列密度为参数,详细研究了其对2.5维机织复合材料弹性性能的影响情况,并对其影响特征进行了分析讨论。将计算结果与实验值和刚度平均法预测结果进行了对比分析。结果表明,有限元法预测结果介于实验值和刚度平均法预测值之间,非常接近于实验值,且优于刚度平均法预测的结果。     

2.5维机织复合材料的强度特性

针对浅交弯联和浅交直联两种2.5维机织结构,采用VARTM工艺制备了试验件并进行了强度性能测试,通过对其拉伸后的试样进行切片和断面的SEM观察,研究了拉伸过程中复合材料内部的破坏机理。实验结果表明:在相同纱线排列密度情况下,浅交直联结构的经、纬向拉伸强度明显高于浅交弯联结构;随着纱线层数的增加,两种结构的经向拉伸强度均增大,而纬向拉伸强度则有所波动;对于不同结构的2.5维机织复合材料在单一拉伸载荷作用下,表现出不同的损伤模式,且损伤的初始位置和扩展路径具有一定的分散性。     

整体夹芯中空复合材料的性能研究与开发应用

整体夹芯中空复合材料是一种新型的结构、功能材料,具有学性能优异,可设计性强的特点.本文研究了中空复合材料的成型工艺、连接方式,制作了满足测试要求的测试件,对材料的经、纬向的拉伸、平压、双层剪切和四点弯曲等性能进行了测试研究,获得了该种材料的主要力学性能参数,并与类似的蜂窝等夹层材料进行了性能对比.简单概述了该类材料的应用开发情况,并展望了在国内的开发与应用前景.     

树脂含量及分布对三维中空复合材料性能的影响

三维中空复合材料是一种新型的结构、功能材料,具有优异的可设计性。研究了树脂含量及分布对三维中空复合材料性能的影响,重点分析了树脂分布引起的复合材料各向异性。结果表明:随树脂含量增加,复合材料下面层与上面层质量比、平压强度和弯曲强度明显增加;树脂质量含量从42.87%增加至51.19%、57.40%和66.92%时,其平压强度分别增加65%、352%和568%;随复合材料下面层与上面层质量比增加,其反向弯曲强度提高幅度更大,树脂质量含量为66.92%的三维中空复合材料反向弯曲强度(39.21MPa)为正向弯曲强度(16.67MPa)的2.35倍。研究结果为该材料的结构优化设计奠定了基础。     

三维正交机织复合材料厚向压缩性能试验研究

采用方柱形试样对UHMWPE/乙烯基酯三维正交机织复合材料进行了压缩试验。研究了该类材料的厚向压缩强度和压缩模量与z向增强纤维细度的关系,并讨论了材料的压缩破坏失效模式。结果表明:z向增强纤维细度的增加导致材料厚向压缩性能的下降。降低z向增强纤维束的细度,有利于提高材料厚向抗压性能。三维正交机织复合材料的压缩破坏具有塑性特征。三维正交机织复合材料主要的破坏模式是z向纤维在试样表面的应力集中、纤维束的剥离和剪切破坏。     

Progressive Failure Modeling for Dynamic Loading of Woven Composites

A three parameter constitutive model was developed for representing tensile progressive damage of the nonlinear large-deformation rate-dependent behavior of polymer-based composite materials, which was characterized using off-axis composite specimens. A strain based failure criterion was proposed that reduces data for different loading directions and strain rates to a single representation. A method of combining the nonlinear constitutive theory and the failure strain methodology for different strain rates is suggested. The strength of the material was successfully represented with a single material constant, for all strain rates and tensile loading directions.