采用薄膜传感器的树脂基复合材料热压罐工艺密实压力测试方法

针对树脂基复合材料层板热压罐成型工艺,采用薄膜压力传感器建立了密实压力在线测试系统,用于监测成型过程中复合材料所受密实压力的大小和分布。研究了密实压力测试系统在热压罐工艺条件下的适用性,在此基础上以该系统为测试手段,研究了热压罐工艺下L形碳纤维/环氧树脂复合材料层板的密实压力变化规律及模具形式的影响。结果表明: 所建立的密实压力测试系统具有较高的准确性和动态响应性,能够测试高温条件及曲面位置的密实压力,满足复合材料热压罐成型过程中密实压力的在线测试要求; L形复合材料层板成型过程中拐角区与平板区的密实压力随热压罐压力增大而增加,但增加速度和最终大小不同,阳模成型时拐角区密实压力高于平板区,阴模成型时拐角区密实压力小于平板区和外加压力,表明曲面结构与平板结构的密实行为具有差异性。     

复合材料等厚层板热压成型中树脂流动过程数值模拟

树脂基复合材料热压成型过程中树脂流动在很大程度上决定着层板纤维含量、 孔隙含量以及层板尺寸 , 根据有效应力原理与达西渗流定律建立了描述复合材料等厚层板热压成型过程树脂流动与纤维密实的数学模型 , 采用有限单元方法实现了热压成型中纤维密实均匀状况的预报。分析了温度边界条件、 铺层方式对树脂流动过程的影响。结果表明: 温度边界条件对计算结果影响比较大 ; 铺层方式对层板厚度以及纤维体积分数分布规律影响非常大 ; 边界条件以及材料参数的准确性直接影响计算结果的可靠性。以 T700S/环氧 5228单向层板为例进行了实验验证 , 结果表明计算与实验结果的一致性非常好。      

复合材料变厚层板热压成型缺陷类型与成因实验研究

采用热压机工艺与热压罐工艺两种成型方法制备了玻璃纤维/环氧 648 变厚度层板 , 研究了两种工艺下缺陷的形成机制及铺层方式和变厚梯度对缺陷程度和分布的影响。结果表明 : 纤维分布不均、 富树脂、 分层是主要缺陷类型 , 其中纤维分布不均由树脂二维流动引起 , 并与纤维不连续区、 纤维层渗透特性以及外压的均匀性有关; 富树脂主要是纤维的不连续性造成的 ; 而分层缺陷与纤维分布和热膨胀各向异性紧密相关。研究结果对变厚度复合材料层板的缺陷消除和成型质量控制有重要的指导意义。      

L形层板真空袋成型缺陷的实验研究

采用真空袋阳模成型法在不同条件下制备了90°的L形玻纤单向布/环氧树脂层板, 对层板不同位置处纤维密实和缺陷状况进行了研究, 考察了成型过程主要工艺条件对缺陷的影响规律。结果表明, 富树脂、 孔隙、 厚度分布不均和纤维屈曲变形是L形层板中主要的缺陷类型, 加压时机、 层板尺寸、 铺层方式以及边界条件对纤维密实和缺陷的形成都有重要的影响。对以上各种缺陷的产生机制进行了初步分析: 剪切流动的存在导致层板厚度分布不均匀而且出现富树脂区; 纤维的屈曲变形是由于轴向受压缩力; 本文实验条件下孔隙的主要来源是夹杂空气。研究结果对热压工艺中缺陷的预测与控制以及工艺参数的优化具有重要的指导意义。      

热压罐零吸胶工艺树脂压力在线测试及其变化规律

针对碳纤维缎纹布/环氧914预浸料热压罐零吸胶工艺,采用热压成型过程树脂压力在线测试系统监测树脂压力的大小与分布,分析了真空、外加气压对树脂压力的作用规律,通过显微观察研究了真空及外加气压对孔隙缺陷的影响。实验结果表明,所采用的在线测试系统可以定量分析真空在铺层内的作用程度和树脂压力的变化;零吸胶工艺树脂承担了大部分外压且沿层板厚度及面内方向分布均匀;真空通过铺层内的气路通道排出夹杂空气,其作用程度受到树脂黏流状态和铺层密实程度的影响;不同压力条件下复合材料层板孔隙状况与树脂压力的测试结果相吻合。     

环氧复合材料层板热压成型孔隙缺陷影响因素

针对玻璃纤维/环氧复合材料, 采用真空袋和热压机工艺, 研究了层板中孔隙含量、 形态及其分布规律, 考察了成型温度、 工艺压力、 预浸料吸湿量、 铺层方式等因素对孔隙缺陷的影响, 并应用Kardos气泡模型对实验结果进行了理论分析。结果表明: 孔隙缺陷的主要影响因素随工艺方法而变化, 单向层板中孔隙率的分布规律有着很好的一致性; 同时Kardos气泡模型可用于判断孔隙缺陷的形成状况。      

纤维体积含量和富树脂对复合材料V型结构固化变形的影响

为研究模具因素对复合材料纤维体积含量、富树脂以及固化变形的影响,利用热压罐工艺完成了T700/QY9611复合材料V型结构成型试验,对其纤维体积含量、富树脂厚度以及回弹变形进行测量与研究。建立了考虑热载荷、树脂收缩载荷、模具接触、纤维体积含量以及富树脂等因素的复合材料回弹变形预测三维有限元分析模型,定量分析了纤维体积含量梯度和富树脂对回弹变形的影响。研究结果表明：使用阴模模具产生10.0%的纤维体积含量梯度和2.2 mm的富树脂,拐角半径增大后分别减小为6.8%和1.2 mm,模具材料的影响较小;使用阴模成型试验件变形增大21.0%,使用拐角半径较大的阴模,变形减小了9.6%,阴模模具主要通过纤维体积含量和富树脂影响回弹变形;模拟结果表明：V型构件的变形与纤维体积含量梯度和富树脂厚度呈正比例,10%的纤维体积含量梯度导致13.5%的变形差异,3.0 mm厚的富树脂会产生45.8%的变形差异。模拟结果与实验结果对比验证了模型的准确性。     

复合材料层板热压工艺参数的分析与优化

在热固性树脂基复合材料热压成型过程中,外加压力和加压时机是决定层板厚度、纤维含量以及孔隙含量的两个主要因素.基于复合材料热压成型过程树脂流动模型,采用遗传算法,根据固化层板纤维体积分数的要求,对单向和正交两种铺层形式的T700/5228和T700/5224层板加压时机进行了分析.以航空航天应用的典型纤维含量为准,对优化得到的加压时机以及不同工艺条件下固化层板内纤维分布特点进行了分析.结果表明,纤维、树脂种类相同,铺层方式不同,加压时机差别很大;纤维种类、铺层方式以及初始和优化目标相同的条件下,不同树脂体系,加压时刻树脂粘度基本相同;层板内纤维分布均匀性主要由纤维层压缩特性决定.采用本文建立优化方法,可以快速地得到满足目标纤维含量要求的加压时机,具有重要的学术价值和工程应用意义,有助于降低成本,缩短复合材料研制周期.     

变厚度复合材料热压罐工艺层板厚度控制的实验研究

针对2种碳纤维织物/环氧预浸料,采用热压罐工艺在不同条件下制备了变厚度层板,并通过层板内部形貌、层板厚度、纤维含量、吸胶量、织物渗透率的测试分析,研究了变厚度层板的密实过程和纤维分布的影响因素。结果表明：密实过程中树脂的二维流动导致2种织物变厚度层板厚板区的纤维含量高于薄板区;G0827单向织物的面内渗透率与厚度方向渗透率比值大于G0803缎纹织物,造成G0827织物变厚度层板的纤维分布不均匀性更大;无吸胶材料的条件下层板内纤维分布均匀,说明吸胶材料内树脂的面内流动对层板的纤维分布有很大影响。     

热压罐工艺树脂压力测试系统适用性实验研究

采用玻璃纤维织物/环氧树脂E51预浸料研究热压罐工艺树脂压力在线测试系统适用性,分析了树脂黏度对测试系统动态反应特性的影响,进而测试了热压罐工艺零吸胶条件下等厚、非等厚及L形预浸料铺层内部的树脂压力,并与理论模型计算树脂压力对比,以分析测试系统的准确性。结果表明: 树脂黏度明显影响系统的动态反应特性,当树脂黏度低于25 Pa·s时树脂压力测试系统具有较高的动态反应特性,满足复合材料内部树脂压力测试需求; 对于所研究的各种形式的预浸料铺层,树脂压力测试值与理论值有很好的一致性,当热压罐压力达到0.5 MPa,相对误差约为2%,验证了系统的准确性。     

Numerical and Experimental Study on the Effect of Lay-Up Type and Structural Elements on Thickness Uniformity of L-Shaped Laminates

Based on the two-dimensional resin flow and fiber compaction model developed by our group, we studied the cured laminate thickness uniformity of the L-shaped CF/BMI resin laminates and the effects of lay-up type and structural elements on it. Both the simulated and experimental data showed that the quasi-isotropic laminate thickness was more uniform than that of the [90°]_n laminates and the cured thickness of laminates molded by rigid convex tool was more uniform than that molded by the rigid concave tool. Lay-up type has a great influence on the cured laminate thickness uniformity. For the quasi-isotropic laminates, the structural elements, such as curvature radius, flat part length, and the number of plies, did not have much influence on the cured laminate thickness uniformity in the studied scope. For the [90°]_n laminates, the corner radius has a larger effect on the corner consolidation in comparison with the flat part length and the number of plies. According to the simulated results, resin pressure and consolidation time were largely affected by the lay-up type, due to the different permeability and compressibility. The rich resin defect was observed in the metallographic photos of the corner region of the [90°]_n laminates fabricated with the rigid concave tool, which demonstrated that the resin flow in the laminates played an important rule and validated the numerical prediction. Good agreement between the simulated results and experimental data demonstrated the reliability and universality of the numerical simulation method. These results are greatly helpful for the control of defects in angle-bended laminates and the optimization of cure cycle in autoclave process.     

铺陈角度对芳纶/玻璃纤维层合板抗冲击性能的影响

采用Abaqus软件建立了圆锥形子弹正冲击芳纶/玻璃纤维复合材料层合板的有限元模型,将模拟结果与文献中的实验结果相比较验证了模型的可靠性,进而研究子弹以不同的速度对不同铺陈角度下的复合材料层合板冲击后初始速度与剩余速度的关系以及层合板的破坏特征。结果表明:当层合板铺陈角度不变且子弹击穿层合板时,子弹初始速度与剩余速度接近于线性关系;在子弹未穿透层合板时,[0/90°]铺陈角度的层合板抗弹性能最好,在子弹以600~900 m/s的较高速度穿透层合板时,[45/-45°]铺陈角度的层合板吸能效果最好;由破坏特征图表明铺陈角度对层合板的损伤面积和破坏机制影响不大。该研究可为防护装备的设计和优化提供参考。     

碳纤维无纺布对CFRP层板层间的增韧作用及机制

为了揭示短纤维无纺布对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层板层间韧性的影响规律,测试了不同面密度(1.95、3.90、7.80和15.60 mg/cm2)和不同纤维平均长度(0.8 mm和4.3 mm)的碳纤维无纺布增韧的CFRP层板I型层间断裂韧性。实验结果表明:对于不同短纤维增韧的CFRP层板,平均长度为0.8mm的短纤维增韧效果优于平均长度为4.3mm的短纤维,并且面密度为7.8mg/cm2、厚度约为150μm、平均长度为0.8mm的碳纤维无纺布显著提高了CFRP层板的层间断裂韧性,与未改性的CFRP层板相比,其能量释放率最大可提高99%。光学显微镜观察结果表明环氧基体中长度为0.8mm的短纤维具有三维交织结构,该结构可以有效地阻止裂纹的扩展;SEM观察结果表明短纤维从环氧基体中的脱粘和拔出以及短纤维周围环氧基体的塑性变形是CFRP层板的主要增韧机制。研究结论为层板短纤维增韧技术的应用奠定了基础。     

玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板对球形弹斜冲击响应特性实验研究

为了研究玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板在球形弹高速斜冲击下的损伤特性,利用一级气炮对2 mm厚度的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料层合板和含一层、三层304不锈钢网的玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板进行倾角为30°的冲击实验,以揭示304不锈钢网对层合板弹道极限和能量吸收的影响规律,并分析层合板损伤特征及其机理。通过实验发现,含有三层不锈钢网层合板的弹道极限最高,而不含不锈钢网层合板和含一层不锈钢网层合板的弹道极限速度接近。层合板吸收的能量随着弹体速度增加呈现出先增加后趋于平稳,然后急剧上升的趋势。层合板损伤模式为基体开裂和破碎、分层、不锈钢丝拉伸断裂、纤维拉伸断裂和剪切断裂。层合板分层损伤面积随弹体速度增大先增大后减小,最后趋于稳定。当弹体速度较低时,层合板主要发生纤维拉伸断裂、基体开裂、层间有分层损伤产生。随着弹体速度的增大,层合板正面纤维逐渐发生压剪断裂、基体破碎,背面纤维发生严重的拉伸撕裂。      

缝合复合材料层板低速冲击损伤数值模拟

建立了缝合复合材料层板在低速冲击载荷下的渐进损伤分析模型。模型中采用空间杆单元模拟缝线的作用;采用三维实体单元模拟缝合层板,通过基于应变描述的Hashin准则,结合相应的材料性能退化方案模拟层板的损伤和演化;采用界面单元模拟层间界面,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的应变能释放率准则判断分层的起始和扩展规律。通过对碳800环氧树脂复合材料（T800/5228）层板的数值仿真结果和试验结果相比较,验证了模型的正确性,同时讨论了不同冲击能量下缝合层板的损伤规律。研究结果表明：缝线能够有效地抑制层板的分层损伤扩展;相同冲击能量下缝合与未缝合层板的基体损伤和纤维损伤在厚度分布上相似,缝合层板的损伤都要小于未缝合层板。     

Effect of Thickness and Denting Behavior of Glass/Epoxy Laminates Subjected to Quasi-Static Indentation (QSI) Loading Under Acoustic Emission Monitoring

The present work focuses on investigating the effect of laminate thickness on quasi static indentation behavior of glass/epoxy laminates under acoustic emission monitoring. The load bearing and energy absorbing capability of the glass/epoxy samples at different indentation depth were examined. The damage development and damage mechanisms associated with the tests were characterized in both thin and thick samples, and their results were correlated. The results showed that the thickness of the glass/epoxy laminates significantly influenced the damage onset load, residual deformation and damage area. It was observed that the thick samples exhibited higher peak force, greater absorbed energy, and residual flexural load by an average of 2.08, 2.53, and 2.13 times respectively compared to thin samples. In contrast, the permanent deformation and damage area was observed to be 32% deeper and larger in thick samples while the thin samples showed reduced damage area and residual deformation which attributes to greater elastic response caused by large global deformation.