三维编织复合材料压缩力学性能的实验研究

通过宏观压缩实验,研究了三维四向编织复合材料的抗压力学性能;同时,为了认识其压缩失效机理,对压缩试件的破坏断口进行了扫描电镜分析。实验结果表明:纵向压缩模量比横向压缩模量大得多;影响纵向压缩力学性能的主要参数是材料的编织角,随编织角的变化,复合材料的纵向压缩破坏机理发生了变化,编织角较小时,材料表现为脆性特征;当编织角大于某个角度,材料的应力-应变曲线趋于非线性,延性增加,更多地表现为塑性破坏特征。此外,横向压缩的破坏机理与纵向压缩明显不同。     

损伤形式对三维编织复合材料拉压性能的影响

通过对损伤前后三维编织复合材料试件进行纵向拉伸和压缩实验, 分析了材料的拉、压刚度和强度的变化规律和失效形式。主要讨论了4 种损伤加工方案, 包括沿宽度方向单边切割、沿宽度方向双边切割、沿厚度方向单边切割及沿宽度和厚度方向同时切割。实验结果表明, 宽度方向损伤对拉伸强度、模量和压缩强度影响不大, 压缩模量下降了20 %左右; 厚度方向损伤对纵向拉伸、压缩强度和模量影响较大。编织角20°时, 拉伸、压缩应力-应变曲线接近于线性, 试件的失效方式趋向于脆性破坏; 编织角35°时, 压缩应力-应变曲线表现出一定的非线性。      

三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析

在已有研究的基础上,提出了一个新的三维编织复合材料单元胞体模型,该模型正确地反映了纤维束的交织方式,十分接近三维编织复合材料的真实结构,可用于三维四向编织复合材料有效模量的有限元数值预报,并合理确定复合材料内部全场应力分布。采用有限元软件对该模型进行了力学分析,得到了相关等效弹性性能参数。结果表明:有限元计算得到的三维编织复合材料的等效弹性性能与实验结果和理论预测值都吻合较好,从而验证了该模型的有效性。此外,基于新的单元胞体模型还确定了三维四向编织复合材料的应力场,为进一步的强度计算奠定了基础。      

三维四向编织复合材料压缩力学性能实验研究

通过对三维四向编织复合材料薄板试件的宏观压缩实验,研究了三维四向编织复合材料的抗压力学性能.实验结果表明:材料的编织角对其压缩力学性能的影响很大,随编织角的变化,编织复合材料的压缩破坏机制发生了变化.编织角度较小时,材料表现为脆性特征;当编织角度大于某个临界角度时,材料的应力-应变曲线趋于非线性,更多地表现为塑性破坏.     

二步法方型三维编织复合材料力学性能及影响因素

对具有不同细观结构参数的二步法方型三维编织复合材料试件进行了轴向拉伸、三点弯曲及轴向压缩的力学性能测试,获得了这种结构材料的基本力学性能数据。针对其细观结构特点,从宏观角度分析了编织纱的种类、编织纱与轴纱的线密度之比以及编织节距长度等参数对力学性能的影响。实验和分析结果表明:二步法方型三维编织复合材料的轴纱对轴向拉伸和压缩性能起主导作用;节距长度增大,编织纱越粗,轴向拉伸强度、拉伸模量以及轴向压缩强度和模量均有增大的趋势。      

温度对三维五向编织/环氧树脂复合材料拉伸性能的影响

研究了三维五向编织/环氧树脂复合材料和树脂基层合复合材料在室温、80℃、150℃和180℃的拉伸性能,讨论了不同温度对三维五向编织复合材料和层合复合材料拉伸的影响规律。研究结果表明,三维五向编织复合材料在80℃、150℃时的拉伸强度与室温相近,而在180℃时,比室温时的拉伸强度下降了15.37%;层合复合材料在80℃、150℃和180℃时的拉伸强度则比室温分别下降了3.45%、13.3%和34.42%。造成层合复合材料高温拉伸强度下降较大的原因是:在高温时,由于树脂被破坏,使层合复合材料发生了分层。说明相同树脂基体的复合材料,增强体结构对复合材料在高温时的拉伸性能有着重要的影响。     

三维编织复合材料力学性能的实验研究

对四步法三维编织复合材料的拉伸、压缩和弯曲等性能进行了实验研究，得到了该材料的主要力学性能参数及破坏规律。实验结果表明：三维编织复合材料具有良好的力学性能，而编织工艺和编织结构对复合材料的性能有较大的影响，这些结果为进一步研究复合材料的强度反作用失效问题奠定了实验基础。     

三维六向编织复合材料力学性能的实验研究

通过拉伸 ( 含开孔拉伸 ) 、压缩 ( 含开孔压缩 ) 、面内剪切及冲击后压缩实验,获得了三维六向编织复合材料的主要力学性能参数。基于宏观实验,探讨了材料在拉伸、压缩及剪切载荷作用下的破坏模式和失效机理,分析了开孔类型 ( 机械孔、编织孔 ) 对材料拉、压性能的影响并研究了冲击对材料压缩性能的影响。所获结果为进一步研究三维六向编织复合材料的刚度、强度预报奠定了基础。     

三维编织C/SiC复合材料的拉压实验研究

针对三维编织C/SiC复合材料进行了拉伸试验和压缩试验,得到了材料拉伸、压缩的主要力学性能参数、损伤发展情况及破坏规律。从宏观角度比较了在两种载荷下材料弹性性能及强度的区别,得到了一些试验研究结论。结果表明:三维编织C/SiC在拉伸和压缩载荷下的应力-应变曲线有明显的非线性特性;拉伸模量低于压缩模量;拉伸强度高于压缩强度;声发射数据可以用来检测材料内部损伤的发展。      

三维编织复合材料拉伸性能试验研究

制定了一套适用于测定三维编织复合材料拉伸性能的试验方法，并结合试验数据，总结了编织参数与三维编织复合材料拉伸性能的关系。     

三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质的温度效应

采用实验和有限元方法,研究了三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在低温场（20、0、-50、-100℃）中横向压缩性质温度效应。研究结果表明：温度对碳纤维/环氧树脂横向压缩模量、屈服应力及切向模量均有不同程度影响。三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩后,试样表面形貌受温度影响显著。低温场中,表面鳞纹现象减弱,且纱线-树脂间界面出现开裂。温度降低导致碳纤维/环氧树脂内部产生热应力。热应力对碳纤维/环氧树脂力学性能影响有限,不是温度效应的主导因素。基体性质随温度变化是三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质温度效应的主要机制。     

三维四向编织复合材料的黏弹性能

基于均匀化理论建立了预测具有微观周期性结构复合材料黏弹性能的力学模型。利用此模型并结合有限元法分别研究了纤维束和三维编织复合材料的黏弹性能。通过对计算结果的分析, 给出了三维编织复合材料黏弹性能随工艺参数变化的规律。结果表明, 三维编织复合材料编织方向的黏弹性效应随编织角的增大而增强, 随纤维体积比的增大而减弱, 此规律与实验结论一致。     

缝合连接三维编织复合材料拉伸性能试验研究

研究了多种缝合方向、 搭接长度和缝合密度对缝合连接三维编织复合材料拉伸性能的影响 , 并与三维整体编织复合材料的拉伸性能进行对比。结果表明: 缝合连接三维编织复合材料与三维整体编织复合材料相比 ,拉伸强度下降了 25 %～50 % , 初始模量下降了 35 %～55 %; 搭接长度对拉伸强度和模量的影响较大 , 拉伸性能随搭接长度的增加呈现先增大后减小的特征 , 当搭接长度与试件宽度的比值在 2. 5 左右时 , 试件的拉伸性能较好 ,与未缝合的三维整体编织试件相比 , 仅下降了 25 %; 相对而言 , 中密度缝合试件的拉伸性能最优 ; 缝合方向对试件拉伸性能的影响不明显。      

三维编织复合材料热物理性能实验

针对不同编织工艺参数的三维四向编织复合材料,进行了热环境下的热物理性能实验研究,获得了热环境下三维四向编织复合材料的热物理性能变化规律及其分布特征,分析了环境温度和编织角对材料的热膨胀系数(CTE)、热传导系数(CTC)、比热(SH)以及热扩散率(TD)的影响,得到了一些重要结论。这些结果为三维编织复合材料的热物理性能数值分析以及进一步研究材料的热力耦合行为奠定了实验基础。     

三维四向编织复合材料有效性能的预报

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征, 建立了比较合理的三胞模型。模型中考虑了3种单胞各自纤维束的空间结构和弯曲, 同时引入纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响。基于刚度体平均方法, 建立了相应的刚度预报模型, 得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数。用细观力学方法分析了工艺参数和尺寸效应对材料有效性能的影响规律。不同尺寸试件的数值预报结果和实验结果吻合较好。      

板状三维四向编织复合材料压缩细观破坏机理的实验研究

通过对三维四向编织复合材料薄板试件的宏观压缩破坏实验及其声发射信号的分析, 研究了该材料的抗压力学性能及其失效机理。实验结果表明: 材料的编织角对其压缩力学性能的影响很大, 随编织角的变化, 编织复合材料的压缩破坏机制发生了变化, 编织角小时, 材料表现为脆性特征; 当编织角大于某个临界角时, 材料的应力-应变曲线趋于非线性, 更多地表现为屈曲破坏。试验过程中采集到的声发射信号能有效地监测材料内部损伤演化过程。      

激光辐照下二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的烧蚀特征

开展了光纤激光对二维编织碳纤维/环氧复合材料的烧蚀试验研究,获得了不同入射热流条件下编织复合材料的烧蚀特征,分析了激光烧蚀机制。结合非接触测温和接触测温两种方法开展试验,采用高温红外热像仪测试了复合材料前表面的瞬态温度场演变过程,通过热电偶获得了复合材料后表面的温升数据。试验结果表明,当入射激光功率密度在102 W·cm-2量级时,二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的环氧树脂发生了明显的质量迁移,而碳纤维形貌变化不大;在强激光辐照过程中,二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的前后表面温差较大,前表面最高温度接近2 000℃,而后表面最高温度在200~500℃之间。     

三维编织碳纤维复合材料电阻率的估算

从影响材料电阻率的主要因素——碳纤维体积分数入手,主要分析了材料的电阻率这一电气特性,根据材料表面测量的数据,估算出材料内部碳纤维的体积分数。再根据多个试件测量的数据,拟合出材料的碳纤维体积分数和电阻率的关系曲线。根据估算出的碳纤维体积分数,估算出材料的电阻率。利用三维编织碳纤维复合材料的编织角和花节长度,估算出材料的电阻率。根据材料的电阻率这一电气特性,便于以后对材料进行涡流无损检测分析。      

三维编织超高分子量聚乙烯纤维-碳纤维混杂增强环氧树脂复合材料摩擦磨损性能

以超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)-碳纤维(CF)三维混杂编织体为增强体,环氧树脂(ER)为基体,通过树脂传递模塑(RTM)工艺制备了三维编织混杂复合材料,研究了其摩擦磨损性能了,并采用混合正压力模型对摩擦系数进行了预测。结果表明,在纤维总体积含量一定的情况下,随着CF体积含量的增加,复合材料的摩擦系数增大,而其比磨损率降低。UH_3D/ER复合材料的磨损机制以粘着磨损为主,CF_3D/ER复合材料则以磨粒磨损为主,混杂复合材料的磨损机制主要取决于CF与UHMWPE纤维的相对含量 ,通过调节UHMWPE纤维和CF的体积比例可实现对复合材料摩擦磨损性能的有效调控。采用的计算模型可较好地预测UH_3D/ER的摩擦系数。