柔性导向三维正交结构复合材料预制体建模研究

针对碳纤维增强复合材料三维织物的表征问题,采用柔性导向三维织造技术,织造了三向正交结构复合材料预制体,根据织造工艺重复性与对称性的特点,建立了柔性导向三维正交结构预制体单元模型,并推导出织物单元体各向纤维体积含量的预测公式。然后,进行碳纤维预制体织造实验,织造了五组碳纤维三向正交结构织物,实测得到预制体中X／Y／Z三向纤维体积含量,并与建立的体积含量预测公式进行对比,证明了所建模型的适用性。最后分析了预制体纤维体积含量理论值与实测值产生偏差的原因,得出预制体中纤维束并非处于伸直状态等一系列结论。     

基于机器视觉的三维织造张力控制方法

为实现三维结构复合材料的高质量成型,提出了一种基于机器视觉的复合材料预制体三维织造张力控制方法并搭建了试验装置。采用机器视觉技术检测并计算织造纤维束偏角,根据织造偏角大小自动控制张紧电机转动,通过电机转动牵引张力边棒进而实现织造张力的控制。进行织造张力标定试验,将张力控制目标标定在16.75～18.15 cN。采用基于机器视觉的三维织造张力控制方法进行纤维束张力的控制试验,织造张力控制在16.40～18.15 cN,纤维织造张力与标定控制张力的最大相对误差为6.42%,织造张力最大波动10%。使用成型机进行张力主动控制试验发现,织造过程中纤维束之间无缠结,不与边棒发生干涉,织造过程顺利,织造偏角控制在–4°～4°,实现了复合材料三维织造过程中的纤维束张力控制。     

三维结构复合材料预制体轮廓约束机理

为实现三维结构复合材料预制体的高性能、快速成形织造，研究了基于柔性导向三维多针成形原理的预制体轮廓约束方法，利用图像处理技术获得了预制体纤维环形状特征，建立了工艺参数对纤维环形状特征影响的理论模型，搭建了纤维环成环试验装置，探究了织造针伸出长度、织造层数和织造高度对纤维环形状特征的影响规律。并通过该理论模型对纤维环进行形状特征调控，完成典型件的试织。结果表明，纤维环侧边高度以及最大内接圆直径随伸出长度和织造高度增大而增大，随织造层数增大而减小，该模型预测与实际测得的纤维环侧边高度及最大内接圆直径的最大相对误差分别为6.29%和4.63%，进一步通过调节织造高度来改变纤维环的形状特征，完成层数为90层的预制体织造，说明该理论模型可以准确描述纤维环形状特征，并可通过该模型对纤维环形状特征进行调控，扩大了预制体轮廓约束工艺窗口，为实现预制体轮廓自动、高质量约束提供了理论指导和实践基础。     

碳纤维三维机织预制体在线自动检测系统的应用

通过设计3种表面纹路相似的不同组织结构、不同纬密的碳纤维三维机织预制体，在其织造过程中应用视觉检测系统对预制体进行在线实时监测，验证图像识别技术在碳纤维三维机织预制体织造过程中纬密检测的精确度及稳定性。     

三维织造复合材料预制体纤维体积含量的预测及实验验证

为确定三维织造复合材料预制体的纤维体积含量,建立四边形和三角形预制体的细观结构模型,将预制体划分为内胞、边胞、角胞等单胞形式,确定单胞类型系数并根据单胞排布方式将预制体用矩阵表示,将计算的纤维体积含量理论值与称重法得到的实测值进行比较。结果表明:预制体纤维体积含量的理论计算模型较为准确,误差控制在4%以内;纤维体积含量随Z向纤维股数的增大而增大,随规格的增大而减小,当规格增大到一定值时,纤维体积含量趋近相同;纤维体积含量实测值随织造层数和水平面内纤维股数的增大而减小。     

三维机织复合材料的织造技术

三维机织复合材料性能与增强体结构密切相关，而增强体结构由织造工艺决定。本文将重点阐述三维机织的织造工艺的种类及其特点，并对VABTM做简要介绍。     

三维浅交弯联复合材料结构与力学性能研究

以2400tex的玻璃纤维为原料,在SGA598型三维织机上,织制出三层和六层两种三维浅交弯联机织物作为三维机织复合材料预制体,将两块三层三维浅交弯联机织物层叠在一起以保持两种机织物的纬纱层数一致。将环氧树脂E51与聚醚胺WHR-H023以质量比为3∶1的比例混合后制成树脂基体,采用手糊成型的方式将预制体与树脂基体按照质量比为1∶1的比例复合成型,制备出两种三维浅交弯联机织复合材料。借助Instron 3385H型万能材料试验机对材料的拉伸及弯曲力学性能进行测试;通过实验过程及对破坏断面的观察比较两种复合材料的力学性能。实验结果表明,三维浅交弯联机织复合材料在承受拉伸及弯曲载荷时,主要表现为脆性破坏模式;六层三维浅交弯联机织物作为复合材料的预制体时,该复合材料的弯曲性能和拉伸性能均优于两块三层三维浅交弯联机织物层叠在一起作为增强体的复合材料;且六层机织物可以更好地保护复合材料,提高其使用寿命。     

基于置换法碳纤维束摩擦特性与改性

针对复合材料三维正交织造钢针置换工艺,分别采用力学分析和试验研究的方法进行了钢针置换摩擦力模型的预测以及碳纤维束磨损程度的定量分析和改性研究。通过对钢针置换摩擦力预测模型的建立,发现摩擦力与织造厚度、织造层密度成正相关并且摩擦力数值在预制体阵列中规律性分区呈现:角部区域摩擦力最大,边部区域摩擦力次之,中部区域摩擦力最小;通过对碳纤维束磨损与改性的实验研究,发现碳纤维束磨损后的最大断裂强力与钢针置换摩擦力和钢针连续置换次数成负相关,水溶性二甲基硅油可以解决碳纤维束摩擦磨损问题,使碳纤维束最大断裂强力增大了21.14%,为降低Z向纤维束损伤的理想表面处理剂。     

针刺炭纤维预制体的发展与应用

对比了国内外针刺炭纤维预制体的发展与应用.法国Sneema公司采用针刺技术成型的预制体有Novoltex和Naxeco两种,应用于火箭发动机延伸锥、喉衬等.国产薄壁针刺C/C复合材料性能与法国针刺扩张段材料性能相当.国产针刺预制体有整体毡和炭布/网胎针刺预制体,炭布/网胎叠层针刺预制体由于x-y向引入了连续纤维,制品整体性能较好.针刺技术是炭纤维预制体的自动化成型技术,拓宽了C/C复合材料应用领域.     

双轴向经编和三维正交机织增强复合材料拉伸性能实验研究

为对比双轴向经编和三维正交机织玻纤复合材料沿0°和90°方向拉伸性能,分别以0°/90°双轴向经编织物和三维正交机织物为增强体,E-2511-1A环氧树脂/2511-1BT固化剂为基体,通过VARTM成型,测试试样沿0°和90°拉伸性能。结果表明,该双轴向经编复合材料仅在0°方向拉伸强度和当量强度略高,弹性模量和当量模量均弱于三维正交机织复合材料,这与增强体纱线线密度和织造密度紧密相关。复合材料拉伸断裂截面显示,三维正交机织物内Z纱有效改善了双轴向经编复合材料易拉伸分层失效和断裂截面处纤维抽拔、脱粘等问题。     

纤维编织增强酚醛树脂基热防护材料研究进展

介绍了二维织物、2.5维织物、三维织物等纤维预制件的结构特性,分析总结了各种纤维预制件的发展及研究状况,综述了三维编织增强酚醛树脂基热防护材料及其树脂传递模塑成型工艺研究进展。总结了目前研究中存在的问题,并对未来的研究趋势进行了展望。指出三维编织复合材料是不分层的整体结构,其比强度、比模量高,力学性能和功能性优异,开展编织复合材料力学性能有限元分析、结构与功能一体化设计、低成本制造工艺等研究是十分迫切的。在此基础上,开展多种编织工艺、多种纤维混合编织也是新的研究方向,特殊形状的一次性编织复合材料的力学性能研究有待进一步深入。     

三维机织热塑性复合材料新工艺的开发

为了解决三维机织热塑性复合材料中三维机织预型件的织造和热塑性基体浸入预型件这两大难题,开发了制备三维机织热塑性复合材料的新工艺,即微编纱的编织-用微编纱织造三维机织预型件-复合固化成型.该工艺的创新点是利用微编纱来织造三维机织预型件,然后复合成型.对微编纱的性能做了基本的介绍,主要探讨了三维机织预型件的织造及复合成型工艺,为日后三维机织热塑性复合材料的生产加工开辟了一条新的途径.     

任意矩形组合截面二步法三维编织的纱线布置规律及其计算机辅助设计

本文研究了任意矩形组合截面二步法三维编织的纱线布置规律。并利用软件使二步法三维编织的工艺设计安全由计算机实现，为二步法三维编织的安全自动化奠定了软件基础。     

Drape behavior of 3D woven glass‐epoxy composites

This article deals with the drapability of 3D woven glass fabrics for composite applications. The study focuses on forming a 3D fabric over the mold, the result is a preform, which generally is then injected with a polymer matrix by so called Liquid Composite Molding (LCM) technique. When draping pre–impregnated composites, the fabric is embedded in the epoxy resin as matrix material. Various drape models for dry and pre‐impregnated fabrics have been proposed in the work. Solidworks and ANSYS are the software used for modeling and simulation of 3D woven fabric composites. Given the linear density (tex) and density of E‐glass fiber, the radius of the yarn was calculated. So far the cross section of yarn is assumed to be perfectly circular in shape, keeping the perimeter of yarn constant the circular cross section was deformed into a race track shape which is a much more practical and realistic shape of a yarn cross section. After calculating all the required dimensions, all the three 3D woven structures namely angle interlock, warp interlock and orthogonal were developed in solidworks. All the parameters like total number of warp and weft yarn per unit distance and thickness of the fabric were kept constant in all three structures. The analysis is based on first principles and the parameters of yarn and fabric construction. Results obtained through simulation are reported. These are validated with experimental composite samples. The model used to predict drapability of 3D woven glass‐epoxy composite gives good results. Orthogonal structure proves to be the best as far as resistance to deformation is concerned. However, if a relatively more flexible and formable prepreg is desired, it is advisable to use angle interlock or warp interlock structures. Warp interlock 3D structure proves most beneficial for draping on a mold. POLYM. COMPOS., 37:472–480, 2016. © 2014 Society of Plastics Engineers     

二步编织法制作三维整体预制件

二步编织法适于制作三维 整体预制件,织造工艺简单,复合材料轴向力学性能优良。本文介绍二步编织法的工艺基础、预制件的细观结构及其变异形式,二步法预制件的编织设备,以及各种异型件的编织方法,对应用二步编织方法,对应用二步编织法成型复合材料有一定指导意义。     

Synthesis of nano-layered Ti3SiC2 MAX phase through reactive melt infiltration (RMI): Metallurgical and thermodynamical parameters

Ti₃SiC₂ bulks were synthesized through reactive melt infiltration (RMI) method. To investigate the metallurgical and thermodynamical parameters during RMI method, the powders with different chemical compositions were pelleted by cold pressing. Then the melt infiltration process was carried out at 1500 °C for 1 h under 10⁻⁴ torr. The phase analysis, morphological observations and elemental analysis of different samples were performed by XRD, FE-SEM and EDS, respectively. The density, hardness and Young's modulus of the samples with optimum purity in each step were also measured. Thermodynamical analysis of all possible reactions was performed during RMI process. It was found that the preform composition of 3TiC/0.3Si was optimum. Among the various amounts of Si ingot (used during melt infiltration process), the amount of Si with 3 times of the stoichiometric value had the best results. Besides, addition of small amount of Si to the preform composition had a positive effect on the purity of Ti₃SiC₂. Finally, the sample with 93% Ti₃SiC₂ MAX phase was synthesized through RMI method.     

赋型复合材料天线反射器制造技术研究

重点从材料选择、模具设计、工艺方案及过程控制等方面对赋型复合材料天线反射器的成型加工方法进行了分析。选择碳纤维单项带作为赋型天线反射器的面板材料。赋型天线反射器选用较为成熟的热压罐成型方法,可有效提高反射器的表面质量和加工精度。反射器成型方法选择干蒙皮与蜂窝芯组合固化的方法,由于反射器曲率变化大,蜂窝芯采用整张铺贴时容易发生翘曲变形,产生较大的残余应力,因此需对蜂窝芯进行预成型处理:蜂窝芯采用分块拼接法。结果表明:选用高性能的碳纤维复合材料,采用热压罐成型工艺,进行铺贴过程控制与时效处理能够实现赋型天线反射器的精度加工。     

碳纤维增强树脂基复合材料的抗电弧烧蚀性能研究

用3D编织方法及2.5D编织方法制备出碳纤维增强环氧树脂基复合材料,并采用扫描电镜、硬度计、电阻测量仪进行表征。研究发现:随着复合材料编织密度的增加,复合材料的硬度、电导率变大,抗电弧烧蚀性能也随之变好,即运用3D编织的方法制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料的抗电弧烧蚀性能比2.5D编织的复合材料的性能更加优良。