织物增强复合材料层合板I型层间断裂特性

采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性与断裂行为。为了评价测试温度和试样几何尺寸的变化对层间断裂韧性的影响,分别在室温(RT)和液氮温度(77K)条件下对不同尺寸的试样进行了双悬臂梁试验。采用扫描电镜对分层断裂面进行了观察,分析和验证了层间断裂特性。      

缝合层合板的I型层间断裂韧性研究

通过缝合的方法改善织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性.采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了缝合层合板的层间断裂韧性与断裂行为.为了评价缝合工艺参数(缝合密度)对层间断裂韧性的影响, 用改进的插入型夹具在实测不同缝合工艺层合板的I型层间断裂韧性值(GIC)的基础上, 分析和阐明了缝合工艺参数(缝合密度)与GIC间的关系; 以提高层合板的平均层间断裂韧性值为目标, 以拉伸和弯曲强度为约束条件优化了缝合工艺; 采用摄影显微镜对分层断裂面进行了观察, 分析和考察了缝合对其它性能的影响.结果表明 改进的插入型夹具可方便地完成缝合层合板的I型层间断裂韧性测试; 缝合后裂纹不连续扩展, 缝合密度对裂纹扩展行为有较大影响; 随着缝合密度的增大, 层间断裂韧性值增大, 但拉伸和弯曲强度降低, 缝合密度存在最佳值.     

缝合层合板的Ⅰ型层间断裂韧性研究

通过缝合的方法改善织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性.采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了缝合层合板的层间断裂韧性与断裂行为.为了评价缝合工艺参数(缝合密度)对层间断裂韧性的影响,用改进的插入型夹具在实测不同缝合工艺层合板的Ⅰ型层间断裂韧性值(G_IC)的基础上,分析和阐明了缝合工艺参数(缝合密度)与G_IC间的关系;以提高层合板的平均层间断裂韧性值为目标,以拉伸和弯曲强度为约束条件优化了缝合工艺;采用摄影显微镜对分层断裂面进行了观察,分析和考察了缝合对其它性能的影响.结果表明:改进的插入型夹具可方便地完成缝合层合板的Ⅰ型层间断裂韧性测试;缝合后裂纹不连续扩展,缝合密度对裂纹扩展行为有较大影响;随着缝合密度的增大,层间断裂韧性值增大,但拉伸和弯曲强度降低,缝合密度存在最佳值.     

圆弧形单向纤维增强树脂复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性测试及分析

层合板的Ⅰ型层间断裂韧性的测量方法通常为单向纤维增强树脂复合材料的末端切口(End notched flexure, ENF)试样的双悬臂梁(Double cantilever beam, DCB)试验。为了得到带有弧度的层合复合材料结构的Ⅰ型层间断裂韧性,对圆弧形末端切口(Arc-ENF)试样进行DCB试验。基于梁的弯曲理论和Irwin-Kies公式得到Arc-ENF试样的柔度公式与Ⅰ型临界能量释放率G_(IC)公式,并且利用ABAQUS软件对DCB试验进行数值模拟。最终,通过对比分析理论公式计算结果、数值模拟结果和DCB试验结果来验证柔度公式和G_(IC)公式的合理性和有效性,对带有任意弧度的DCB试样的Ⅰ型层间断裂韧性的测试与分析具有参考价值。     

超细纤维增强复合材料Ⅰ型层间断裂韧性分析

采用静电纺丝技术制备了厚度约0.1mm的超细纤维无纺布薄膜, 并入层合板中间界面, 固化成型后加工为双悬臂梁(DCB)试样。根据ASTM D5528标准测试了 Ⅰ 型层间断裂韧性。实验结果表明, 增强试样比空白试样的 Ⅰ 型临界应变能释放率(G_{Ⅰ C})提高了约35％。同时采用有限元分析方法研究了含无纺布薄膜试样和空白试样的裂纹扩展过程, 数值结果与实验结果吻合较好, 更好地解释了含无纺布薄膜层合板的层间断裂机理。      

圆弧形单向纤维增强树脂复合材料的I型层间断裂韧性测试及分析

层合板的I型层间断裂韧性的测量方法通常为单向纤维增强树脂复合材料的末端切口(End notched flexure, ENF)试样的双悬臂梁(Double cantilever beam, DCB)试验。为了得到带有弧度的层合复合材料结构的I型层间断裂韧性,对圆弧形末端切口(Arc-ENF)试样进行DCB试验。基于梁的弯曲理论和Irwin-Kies公式得到Arc-ENF试样的柔度公式与I型临界能量释放率G_IC公式,并且利用ABAQUS软件对DCB试验进行数值模拟。最终,通过对比分析理论公式计算结果、数值模拟结果和DCB试验结果来验证柔度公式和G_IC公式的合理性和有效性,对带有任意弧度的DCB试样的I型层间断裂韧性的测试与分析具有参考价值。      

碳纤维增强树脂复合材料-热成型钢超混杂层合板层间力学性能

通过双悬臂梁试验(DCB)研究了金属表面处理和界面插层协同作用对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-热成型钢超混杂层合板层间力学性能的影响。试验结果表明,采用金属表面处理与界面插层协同增韧方案,可以极大地提升层合板的I型层间断裂韧性。其中,喷砂/界面胶膜插层试件(GB36#/AF)的I型层间断裂韧性相比于脱脂试件提高了343%;喷砂/界面纯树脂插层试件(GB36#/EP)相比于脱脂试件,其Ⅰ型层间断裂韧性提高了129%。并基于内聚区模型对CFRP-热成型钢超混杂层合板分层失效进行了有限元模拟。最后借助激光共聚焦扫描显微镜(LSM)、接触角测量仪(CAG)、扫描电子显微镜(SEM)等对热成型钢表面形貌和试件的断裂面进行了表征并揭示了层间增韧的机制。      

平纹织物结构对织物增强复合材料层间断裂韧性影响的研究

本文采用粘贴片式双悬臂梁(DCB)试件和端部切口弯曲(ENF)试件研究了平纹织物的经纬纱密度对玻璃平纹织物/环氧树脂复合材料的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性的影响。实验结果表明织物的密度对层间断裂韧性有显著的影响。提出了在织物增强复合材料层合板中,基体在织物孔洞中形成层间铆接,并且就其与层间G_IC和G_IC的关系进行了研究。      

低温环境下测试复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的简易方法

目前ASTM复合材料Ⅰ型层间断裂韧性测试标准需不断观测裂纹扩展长度。然而在低温环境下,裂纹扩展长度不易测量且过程繁琐。为克服这一缺陷,本文采用双柔度法测试复合材料低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性,该方法的步骤与ASTM标准基本相同,但不需观测裂纹扩展长度便能获得低温下Ⅰ型层间断裂韧性。为了验证该方法的可靠性和精度,采用5件碳纤维增强环氧树脂基复合材料双悬臂梁（DCB）试样在-10℃环境下进行Ⅰ型层间裂纹扩展实验,应用ASTM标准所推荐的三种方法及本文的双柔度法进行数据处理获得复合材料Ⅰ型层间断裂韧性。结果表明:ASTM标准的三种方法与双柔度法得到的Ⅰ型层间断裂韧性结果一致,相对差别小于5%,而本文的双柔度法不需测量裂纹扩展长度,因此更简单,为测试低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性提供了一种准确、简单的新方法。      

Z-pin增强复合材料层合板断裂韧性试验研究

针对Z-pin增强复合材料层合板, 开展了断裂韧性的试验研究。研究选取了3种Z-pin直径(0.28、 0.52、 0.80mm)且每种直径下分别以3种分布形式(5×5、 8×8、 10×10)排布Z---pin的增强方式, 为了确定比较基准, 试验中同时测试了不含Z-pin的复合材料层合板试样。通过Z-pin拔出试验测试了3种直径Z-pin从基体拔出过程中的载荷位移关系。利用双悬臂梁试验和端部开口弯曲试验分别测试了不含Z-pin和含Z-pin试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC、 Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC。试验结果表明:? 与不含Z-pin的结构相比, Z-pin增强试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC增大了83%~1110%, Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC增大了23%~438%; 在相同Z-pin体积含量下, 与增大Z-pin直径相比, 增大Z-pin分布密度能更有效地提高复合材料层合板的断裂韧性。      

玻璃纤维增强聚酯复合材料的层间断裂能

本文涉及玻璃纤维增强聚酯复台材料的层间断裂能。该试验采用锥形宽度双悬臂梁(WTD-CB)试样。探讨了试样的柔度和断裂行径,以及试样几何形状对断裂能的影响,亦研究了在液氮温度(77°K)下的断裂能。业已发现,测得的断裂能随试样高度的增加而减少,最后趋于一恒定值。Extren断裂试验所需的最小高度为1/2英寸。断裂能随试样难度的减少而稍有减少。随着试样宽度的加大,可看到载荷——变形滞后现象趋于明显。滞后的的程度决于试样梁的体积,即高度、锥度和裂纹长度。液氮温度(77°K)F的断裂能比室温的约大三倍,垂直于纤维方向的断裂能稍高于纤维方向的。     

PEI纳米纤维层间增韧碳纤维环氧复合材料性能研究

基于聚醚酰亚胺优越的力学性能和纳米纤维膜高比表面积、高孔隙率的特性,利用气泡静电纺丝工艺制备不同厚度的纳米纤维膜改善碳纤维环氧复合材料的层间韧性。结果发现不同膜厚度增韧的双悬臂梁(DCB)试件的I型层间断裂值(GIC)均有所提高,特别是膜厚为0.058±0.007 mm时,层合板的增韧效果最好,比未增韧试件提高了114.55%。通过复合材料层间断裂界面的SEM照片证实了纳米纤维膜在界面处通过桥联约束效应及钉锚作用有效提高了复合材料的层间断裂韧性。     

微胶囊层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的超声导波评价

选用微胶囊作为改性材料,采用热压机层压成型工艺制备出微胶囊层间增韧T300碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料。通过双悬臂梁(DCB)Ⅰ型层间断裂试验评估了CF/EP复合材料的增韧效果。利用超声导波技术对普通CF/EP复合材料和增韧CF/EP复合材料层间力学性能进行评价。通过SEM对CF/EP复合材料层间断面微观形貌进行观察,以揭示微胶囊的增韧机制,同时对超声导波检测结果进行辅助说明。结果表明,微胶囊以团聚形式分布在层间基体中,可以有效提高CF/EP复合材料的层间断裂韧性。微胶囊的填充改变了CF/EP复合材料层间基体特性,增加了导波传播过程中的衰减,导致响应信号峰值降低。同时,团聚的微胶囊改变了CF/EP复合材料对于中心频率125 kHz五峰波激励的振动响应,导致中心频率在信号频谱中的幅值低于普通CF/EP复合材料。      

复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性

本文采用铰链式双悬臂梁试件对碳/双马来酰亚胺复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究,分析比较了层间断裂韧性G_IC的表达方法,用三次多项式和幂函数拟合实验柔度的方法得到的结果比较满意,实验结果表明纤维桥连对单向层合板的G_IC的影响是显着的,用刀片切割桥连纤维后G_IC值下降百分之二十,分散性也有显着下降。另外发现G_IC值随试件厚度增加而增大。      

缝合复合材料II型层间断裂特性研究

分别采用测量ENF试样加载点位移与测量其端部剪切位移CSD(Crack Shear Displacement)的试验方法,研究了缝合复合材料层合板的II型层间断裂韧性以及缝合密度,缝合线的直径等缝合参数对于缝合复合材料层合板II型层间断裂韧性和分层模式的影响。结果表明,缝合降低了层合板初始分层韧性G_IIi,但对于分层的扩展有良好的抑制作用。缝合参数对此有较大影响。      

复合材料层板双悬臂梁试样应变能释放率的有限元分析

本文用四边形八节点等参有限元对用于测定复合材料层板I型层间断裂韧度的双悬臂梁式样(DCB)的层间应变能释放率进行了二维有限元分析,并与简单弯曲理论解及修正后的简单弯曲理论解进行了对比,探讨了裂纹长度、试样厚度以及试样厚度方向弹性模量对应变能释放率的简单弯曲理论解的计算精度的影响。      

快速断裂与止裂研究

本文采用有限差分析法分析了结构钢脆性裂纹扩展与止裂的试验结果。所用试样为双拉伸试样和双悬臂梁试样。据认为,动态研究对全面解释快速断裂与止裂是不可缺少的;同时,材料韧性可被定义为温度和开裂速度的函数。如果试样的边界加载条件已知,则用所定义的断裂韧性,采用裂纹扩展模拟方法就能够预测出开裂——扩展——止裂行为。这就意味着有可能研究出设计裂纹止裂装置的简易方法。     

湿热环境下复合材料的混合型层间断裂特性研究

采用混合型挠曲(MMF)试件,研究了材料吸湿和环境温度对T300/5405复合材料混合型层间断裂韧性的影响。给出了在不同温度下,不同吸湿含量试件分层临界扩展时的Ⅰ型分量和Ⅱ型能量释放率分量散点图。结果表明:在吸湿和温度的综合作用下,分层尖端存在塑性变形;常温下,吸湿对材料的层间断裂韧性影响不明显,在高温环境中,随吸湿量增加,层间断裂韧性显著增加;温度对干态材料的断裂韧性影响较小,试件吸湿后,随温度升高,韧性增强。      

压痕法评价钛铌合金表面(TiNb)C强化层显微硬度及断裂韧性

采用压痕法研究了钛铌合金表面(TiNb)C强化层内层状组织对显微硬度的影响，在有效测试载荷的作用下，测量大量压痕的尺寸及裂纹长度，再利用经验公式，对断裂韧性进行计算。结果表明：随着测试载荷的增加，在垂直表面方向，“硬壳-软底”结构导致的基底效应逐渐显著，有效测试载荷为2 N,L-Ⅱ层的平均硬度为2 594.13 HV;在垂直横截面方向，强化层厚度导致的边缘效应逐渐显著，有效测试载荷为1 N,L-Ⅲ层的平均硬度为2 334.88 HV;L-Ⅱ层具有较大的颗粒尺寸，其硬度和断裂韧性均优于L-Ⅲ层。     

结构化增韧层增韧RTM复合材料性能

从复合材料离位增韧思想出发,选用具有高孔隙率的尼龙无纺布(PNF)作为结构化增韧层,采用RTM工艺制备了PNF层间增韧改性的U3160碳纤维增强环氧3266树脂基复合材料(U3160-PNF/3266),并研究了其韧性相关性能和增韧机制。结果表明:U3160-PNF/3266复合材料层间仍保持其原有的结构形式,同时与层间树脂相互贯穿形成了一种非反应诱导相分离的双连续结构,并且这种双连续结构表现出显著的增韧效果。U3160-PNF/3266复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性和Ⅱ型层间断裂韧性分别提高了1.1倍和1.4倍,冲击后压缩强度由212MPa提高到281MPa。