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。      

斜纹机织碳纤维/环氧树脂复合材料性能及其在电动汽车轻量化设计中的应用

采用均质法和单胞有限元法, 研究了斜纹机织碳纤维/环氧树脂复合材料的三维本构模型, 并应用于轻量化电动汽车结构的设计计算中。通过光学显微镜观测获得T300碳纤维/环氧树脂复合材料层合板细观结构几何参数, 依据参数建立了代表体积元的几何模型; 结合有限元分析方法与层合板理论对代表体积元模型进行受力分析, 获得了复合材料三维本构模型参数, 并运用单向拉伸与三点弯曲物理试验对所建立的本构模型进行了验证; 通过二次开发, 把该三维本构模型用于轻量化电动汽车结构件的设计中, 并根据汽车安全测试标准对所设计的结构进行了强度校核。研究表明: 运用所建立的三维材料本构模型进行的仿真实验结果与真实拉伸和弯曲试验结果相吻合, 误差分别为4.04%和7.79%, 可用于轻量化结构的设计; 研究开发的电动汽车, 轻量化效果明显, 在满足车身强度要求下整车质量减轻了12%。      

三维机织复合材料预制体经密与弯曲性能的有限元分析

借助绘图软件PRO/E构建出不同经密的三维浅交弯联机织复合材料结构模型。使用有限元分析软件ANSYS对构建出的复合材料三维模型在位移为1mm的弯曲载荷作用下复合材料的弯曲力学性能进行模拟,并分别对纤维、树脂的应力、应变分布进行模拟,分析其弯曲破坏机理。并通过定性实验,得到了与模拟结果相同的结论,验证了模拟结果的准确性。结果表明:在1mm的弯曲载荷作用下经密为4根/cm的复合材料弯曲性能优于经密为3根/cm的复合材料;复合材料与弯曲试样接触的位置更容易发生破坏;该复合材料模型在1mm的弯曲载荷作用下破坏模式主要为树脂的破碎、纤维与树脂间的脱粘。     

三维机织C/C-SiC复合材料弹性性能预测

试验研究了三维机织C/C-SiC复合材料的弹性性能, 基于复合材料的扫描电镜(SEM)照片, 分析了材料的细观结构的特点, 并提出了一系列的假设, 建立了三维机织C/C-SiC复合材料的细观力学模型, 利用均匀化方法预测了复合材料的弹性常数, 分析了材料的弹性性能随经纱倾斜角的变化规律。结果表明: 预测结果与试验结果吻合较好, 表明该预测模型和方法的正确性; 随着经纱倾斜角的增加, 经纱方向的弹性模量降低, 其它方向的弹性模量均增大, 但面内剪切模量和厚度方向的弹性模量增幅很小。      

三维机织复合材料的一种梁单元细观力学模型

根据三维机织复合材料中纤维束排列和变形的周期性特点,推导了一种细观梁单元模型。该模型考虑了纤维束的拉 (压) 弯耦合效应和纤维束之间的相互作用,可以描述纤维束和基体中的细观应力分布,并得到宏观的力学性能。针对一种典型的三维机织复合材料,首先根据编织参数,确定其细观几何结构,取最小周期的一段纤维束作为分析胞元,用上述细观梁单元分析了该段纤维束在面内拉伸荷载下的细观应力分布,计算出平均模量, 并用材料试验和细观实体有限元对本模型进行了检验,结果与本文的预测吻合良好。研究表明,拉、弯耦合效应引起的纤维束中的细观弯曲应力同平均轴向应力相比,不可忽略。      

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。     

三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料在热环境中的拉压力学性能实验

针对不同编织角度的三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料,进行了热环境下的轴向拉伸和压缩力学性能实验研究,讨论了温度对三维四向编织复合材料的轴向拉伸和压缩力学性能的影响,并根据宏观断裂形貌和SEM图像分析了材料的破坏和断裂机制。结果表明,随着测试温度的升高,三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料的纵向拉伸强度有小幅提高,而纵向压缩强度显著降低。在室温条件下,编织角对材料的纵向拉伸破坏特征没有影响,而对材料的纵向压缩破坏特征有较大影响。随着测试温度的升高,不同编织角度复合材料的纵向拉伸和压缩的损伤破坏形态均与室温条件下明显不同。      

三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料高温老化后低速冲击性质

研究了三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料在180℃高温环境下老化不同时间后的低速冲击力学性能,测试得到了不同老化时间的试样在低速冲击过程中的载荷-位移曲线。研究发现:随着老化时间增加,三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料能承受的最大载荷下降,位移逐渐增加,载荷-位移曲线斜率逐渐下降;随着冲击能量增加,老化条件相同的三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样最大承受载荷增大,位移和曲线斜率增加。对高温老化后三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样进行SEM观察,发现纤维与树脂基体脱粘有裂纹产生,且裂纹数目和面积随着老化时间延长而增加。      

三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料动态力学性能的实验和理论研究

通过实验系统研究了三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料厚度方向和面内方向的动、 静态压缩力学性能。结果表明, 动、 静态压缩载荷作用下该材料响应表现出明显的各向异性、 非线性和应变率敏感性。针对三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料高速变形过程中不同形式的内部缺陷和微损伤的演化, 提出了一个依赖应变、 应变率的宏观损伤量, 建立了一种含损伤的非线性黏弹性本构模型。采用数据处理方法拟合了其本构方程材料参数, 在加载过程中, 模型计算值与实验结果吻合较好。     

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.     

预制体结构对针刺石英纤维/环氧树脂复合材料导热性能的影响

为了探索预制体结构对针刺石英纤维/环氧树脂复合材料导热性能的影响,采用逐层针刺技术和树脂传递模塑工艺制作了针刺石英纤维/环氧树脂复合材料。利用瞬态热线法测量了环氧树脂和不同预制体结构的针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能。结果表明:随着纤维体积分数的提高,针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能得到了提升。其中,用石英纤维短切毡增强环氧树脂的导热性能比环氧树脂提高了35.9%。当针刺石英纤维/环氧树脂复合材料中的无纬布纤维平行于热线时,采用石英纤维短切毡与石英纤维无纬布共同增强的2种针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能分别比环氧树脂提高了45.5%和46.4%;而当无纬布纤维垂直于热线时,导热性能比环氧树脂分别提高了56.4%和61.8%。针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能不仅受石英纤维体积分数影响,也受到预制体中无纬布纤维体积分数和取向的影响。      

Cylindrical conformal single-patch microstrip antennas based on three dimensional woven glass fiber/epoxy resin composites

Three dimensional integrated microstrip antenna (3DIMA) can carry the designed load while functioning as an antenna. In this study, the cylindrical conformal single-patch 3DIMAs with various curvatures were designed, simulated, fabricated and tested experimentally using a 3D orthogonal woven glass preform/epoxy resin composite system. The electromagnetic performances of the cylindrical microstrip antennas were analyzed. The simulated and tested results matched well and the return losses of the cylindrical conformal 3DIMAs with radii of curvatures of 60, 45 and 25 mm were less than −10 dB while resonant frequencies and their gain values were significantly influenced by the radius of curvature and the feeding direction. The 3DIMAs with the curvature perpendicular to the feeding directions showed more stable resonant frequencies and larger gain values than those of 3DIMAs with the curvature along their feeding directions.     

Fabrication and characterization of three dimensional woven carbon fiber/silica ceramic matrix composites

Carbon fiber reinforced fused silica composites exhibit the advantages of excellent mechanical properties, high heat resistance, low thermal expansion and low density, but low impact resistance or toughness. A novel modified slurry impregnation and hot pressing (SIHP) method was adopted to fabricate a new type of three dimensional orthogonal woven structure carbon fiber reinforced silica ceramic matrix composites (3D Cf/SiO₂ CMCs) with higher density and lower porosity. Physical characterization, flexural behavior, impact performance and toughening mechanism of the composites were investigated by three-point bending tests, impact tests, and scanning electron microscopy analysis. The 3D Cf/SiO₂ CMC showed a higher flexural strength in both warp (201.6%) and weft (263.6%) directions than those of pure SiO₂ and failed at a non-brittle mode due to the fiber debonding and pullout, and a delaminated failure of the 3D preform. The maximum impact energy absorption of the 3D Cf/SiO₂ CMC was 96.9 kJ/m², almost 4 times as much as those for typical other carbon fiber reinforced CMCs.     

玻璃纤维/酚醛树脂复合材料热响应预报方法玻璃纤维/酚醛树脂复合材料热响应预报方法

为研究航空复合材料在火灾环境下的热响应,考虑材料热解过程,建立了复合材料热响应方程组,推导了显式有限差分格式,研究了玻璃纤维/酚醛树脂复合材料内部瞬态热响应与碳化规律。结果表明:建立的非线性热响应方程组与计算方法能够预测玻璃纤维/酚醛树脂复合材料的温度-时间历程,800 s时的受热表面温度达到了1048℃,背面温度为226℃,与实验值吻合较好;随着材料深度增加,材料达到热解温度所需的时间更长,材料密度下降速率随之降低,碳化过程变慢;热解反应区中不同深度位置的材料剩余质量分数在同一温度下略有不同,位置越深,剩余质量分数越小,碳化程度越高;随着时间推移,发生热解的材料比重增大,碳化范围逐步扩大,热解层厚度范围也逐渐扩大。      

碳纤维/环氧树脂复合材料高速冲击性能

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料,通过空气炮冲击实验研究树脂韧性和碳纤维类型对复合材料抗高速冲击性能的影响,并对高速冲击后的试样进行压缩性能测试,研究高速冲击损伤对复合材料剩余压缩性能的影响。结果表明:树脂的韧性可以降低复合材料遭受高速冲击时的内部损伤程度,大幅提高复合材料的抗高速冲击性能和冲击后剩余压缩性能;T700S碳纤维增强复合材料抗高速冲击性能优于T800H碳纤维增强复合材料;复合材料的破坏模式与冲击速率有关,冲击速率较低时,复合材料弹击面出现圆形凹坑,背弹面出现鼓包;冲击速率较高时,复合材料弹击面出现圆形通孔,背弹面出现沿纤维方向撕裂断口。     

电热作用对碳纤维/环氧树脂基复合材料吸湿行为的影响

采用复合材料电热实验机,对碳纤维/环氧树脂基复合材料(CF/EP)试样进行通电处理,同时测试其表面温度变化,并得出电阻率随温度的变化规律。对通电后的试样进行吸湿处理,获取扩散系数、饱和吸湿率与通电电流之间的关系,之后通过FTIR、弯曲性能测试以及弯曲断口的表面形貌分析研究了通电对试样吸湿行为的影响。结果表明:通电电流强度越大,CF/EP试样表面平衡温度越高,随着温度升高电阻率呈下降趋势;经4 A(ρ=66.8mA·mm~(-2))电流处理的试样,其扩散系数、饱和吸湿率均低于未处理试样,经5A(ρ=83.6mA·mm~(-2))、6A(ρ=100.2mA·mm~(-2))电流处理后,扩散系数及饱和吸湿率均高于未处理试样;小电流处理时,界面性能得到改善,提高弯曲强度,大电流处理对界面有一定损伤,降低弯曲强度,电热/湿作用下,CF/EP试样的弯曲强度下降,下降幅度与吸湿量呈正相关。     

Accelerated thermal ageing of epoxy resin and 3-D carbon fiber/epoxy braided composites

This paper reports the accelerated thermal ageing behaviors of pure epoxy resin and 3-D carbon fiber/epoxy braided composites. Specimens have been aged in air at 90 °C, 110 °C, 120 °C, 130 °C and 180 °C. Microscopy observations and attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectrometry analyses revealed that the epoxy resin oxidative degradation only occurred within the surface regions. The surface oxidized layer protects inner resin from further oxidation. Both the resin degradation and resin stiffening caused by post-curing effects will influence the compression behaviors. For the braided composite, the matrix ageing is the main ageing mode at temperatures lower than glass transition temperatures (T_g) of the pure epoxy resin, while the fiber/matrix interface debonding could be observed at the temperatures higher than T_g, such as the temperature of 180 °C. The combination of matrix degradation and fiber/resin interface cracking leads to the continuous reduction of compressive behaviors.