二步法和四步法三维编织复合材料轴向力学性能的比较研究

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轴向拉伸及轴向压缩的力学性能测试。以其结果与纤维体积含量基本相等的四步法方型三维编织复合材料的基本力学性能数据进行对比。结果表明，前者的轴向力学性能较为优越，文中同时还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对其材料力学性能的影响，确认二步法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、编织纱线密度增加，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。     

基于有限元模拟的碳纤维复合材料层合板拉伸失效机理分析

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)具有高比强度、良好的耐腐蚀性,在汽车轻量化研究中受到很大重视。设计了三种不同铺层方式的碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板(单向铺层([0°]₈),各向同性铺层([0₂/45₂/90₂/-45₂]_s),有取向铺层([0/45₂/90/-45₂/0₂]_s)),研究其拉伸破坏形式,并结合有限元模拟进行分析验证。结果表明,拉伸强度与模量主要取决于层合板中沿拉伸方向排列的纤维层数量占比,占比越高,拉伸强度与模量越大。不同角度铺层呈现不同破坏形式,断裂时0°层纤维与基体均发生破坏;±45°层与90°层断裂主要以基体开裂为主;层间结合较好的情况下,0°层和90°层会受到相邻±45°层的影响发生剪切破坏。有限元模拟结果与试验结果匹配度较高,为后续建立汽车零件级产品失效模式评估系统奠定了基础。     

湿热环境下碳纤维环氧树脂复合材料拉伸性能研究

为了研究不同铺层对TG800/E207碳纤维环氧树脂复合材料吸湿特性和拉伸性能的影响,制备了[0]₁₆,[90]₁₆,[±45]_4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]_s 4种铺层的复合材料层板,分析了复合材料在80℃,90%RH环境中的吸湿动力学曲线、吸湿损伤形貌、破坏形貌、载荷位移曲线及其强度退化。结果表明：TG800/E207复合材料层板的吸湿曲线呈现多阶段现象。当吸湿时间达到1 608 h时,吸湿趋于平衡;[90]₁₆的吸湿量最低,其最终吸湿量仅为0.806%;[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]_s的吸湿量最高,其最终吸湿量为0.876%。与室温干态(RTD)条件下相比,室温湿态(RTW)条件下这4种铺层复合材料层板破坏载荷分别降低了13.80%,27.36%,10.70%和25.60%。[90]₁₆的最终吸湿量最低但其拉伸强度退化最为严重。     

经纬向纤维体积比例对2.5D机织复合材料力学性能的影响

以T800碳纤维为原材料,制备5种不同经纬向纤维体积比例的2.5D机织结构预制件,并以其为增强材料制备了T800碳/环氧2.5D机织复合材料.通过进行拉伸、弯曲、压缩3种实验,分析比较经纬向纤维体积比例对力学性能的影响.实验结果表明:2.5D机织复合材料的经、纬向力学性能与该方向的纤维体积含量相关;当经纬向体积比例为1∶0.5时,复合材料表现出经、纬向均衡的力学性能;此外,还表明指数函数可以较好地拟合不同经纬向纤维体积比例的2.5D机织复合材料的力学性能.     

亚麻/低熔点聚酯纤维热塑性复合材料性能研究

以开发低成本、省能源的天然纤维复合材料为目的,采用亚麻/低熔点聚酯纤维针刺非织造布为预成型材料,经热压制作了热塑性复合材料.对复合材料的拉伸与弯曲性能进行了测试与评价,研究了亚麻纤维碱液处理及热压成型工艺对复合材料板材力学性能的影响.结果表明:碱液处理后复合材料单层板的纵向拉伸强度、弯曲强度分别提高了100/0和220/0以上;热压工艺为压力9 MPa、温度180℃、时间30 m in时,板材的力学性能最佳;在铺层数或纤维含量相同的情况下,层合板的力学性能低于单层板的纵向力学性能而高于其横向力学性能.     

碳纤维/聚酯纤维混杂环氧树脂复合材料制备 及其性能研究

为了探究织物组织结构、铺层角度对复合材料力学性能的影响,采用真空辅助树脂传递模塑工艺,设计并制备不同织物组织结构（平纹和2/2斜纹布）和不同的铺层角度（0°、45°、90°）共计6种碳纤维/聚酯增强层合板和1种碳纤维增强层合板,对所有样品进行弯曲和摆锤冲击实验。实验结果表明,聚酯纤维的加入有效改善了复合材料的韧性;相比斜纹、平纹组织具有更多的交织点,表现出优异的能量吸收能力;铺层角度的不同导致材料在不同方向上两种纤维含量的不同,造成在特定方向上刚韧性表现不同。研究结果表明聚酯纤维的加入可以在降低材料成本的同时改善碳纤维复合材料的综合力学性能。     

复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能影响因素研究

基于复合材料层合板的结构特点及典型损伤和破坏模式,建立了基于ABAQUS有限元软件的复合材料层合板低速冲击模型.与实验数据对比结果表明,该模型可以准确地模拟复合材料层合板低速冲击损伤阻抗特性.采用该有限元模型,研究复合材料层合板的铺层材料面内性能和铺层角度等参数对其在低速冲击作用下损伤阻抗性能的影响规律.分析结果表明,提高铺层纤维方向拉伸模量可明显提升其抗冲击损伤能力,在复合材料层合板中增加±45°铺层数量能明显提升其抗分层能力,而提高其它方向弹性模量对复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能的影响不明显.     

纤维体积含量对含孔对称复合层板孔边应力集中的影响

纤维体积含量是决定纤维增强复合材料各项力学性能的一个重要参数。针对含孔对称层板在面内载荷作用下应力集中的问题,文章以含圆孔、椭圆孔和正方形孔的无限大复合材料对称层合板受无穷远处面内双向拉伸载荷为例,对纤维体积含量发生改变时,孔边应力集中的变化情况进行了研究,得到了纤维含量对孔边应力集中的影响规律。     

风力机叶片复合材料雷击损伤特性研究

随着风电产业的快速发展,风机遭受雷击问题愈发突出,近年来国内外对此进行了大量研究.为了研究风机叶片在遭受雷击时材料的损伤机理和规律,采用了目前风机叶片最广泛使用的玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymers,GFRP)制成的层合板,在不同电流参数、材料厚度及材料铺层方式的条件下,开展了风机叶片人工雷击损伤试验.通过现场试验及总结分析,发现了纤维损伤面积与电流峰值及电流作用积分呈正相关,与材料厚度呈负相关的规律.同时,在[0°/±45°/0°]、[90°/0°]3层、[0°/90°]3层这3种铺层方式下,铺层方式为[0°/±45°/0°]的复合材料层合板损伤面积最小,显示了其铺层方式的优越性.     

连续纤维增强超高分子质量聚乙烯路面板材料的制备及测试表征

为提高路面板材料的力学性能,以超高分子质量聚乙烯(UHMWPE)为基体树脂、连续玻璃纤维织物为增强体,通过设计挤出模头,釆用熔融浸渍工艺和层压工艺,制备连续玻璃纤维增强UHMWPE复合材料层压板.研究玻璃纤维体积分数(30%、40%、50%和55%)对UHMWPE复合材料拉伸、层间剪切、冲击等性能的影响规律,测试分析不同纤维体积含量条件下的UHMWPE复合材料热性能的变化规律.测试结果表明:当玻璃纤维体积分数分别为50%、40%时,UHMWPE复合材料拉伸强度和层间剪切强度分别达到最大值,分别为675.9 MPa和23.13 MPa,证明增加玻璃纤维的体积含量可有效提高UHMWPE复合材料冲击强度.当温度分别低于70℃和91℃时,UHMWPE复合材料的储能模量与损耗模量随着纤维体积含量的增加而增加.提高UHMWPE复合材料的纤维体积含量,可在一定程度上提高其玻璃化温度.     

Effect of Fiber Volume Fraction on Longitudinal Tensile Properties of SiC_f/Ti-6Al-4V Composites

The longitudinal tensile properties of SiC_f/Ti-6Al-4V composites with different fiber volume fractions were simulated by the Monte Carlo 2-D finite element model. The random distribution of fiber strength was expressed by the two-parameter Weibull function. Meanwhile, contact elements and birth-death elements were used to describe the interfacial sliding process after debonding and fiber breakage(or matrix cracking) respectively, which was realized by subroutine complied in ANSYS-APDL(ANSYS Parametric Design Language). The experimental results show that the yield stress and ultimate tensile strength of SiC_f/Ti-6Al-4V composites increase with increasing fiber volume fraction, while the corresponding strain of them is just on the contrary. In addition, almost the same failure mode is obtained in SiC_f/Ti-6Al-4V composites with various fiber volume fractions when the interfacial shear strength is fixed. Finally, the tensile strength predicted by finite element analysis is compared with that predicted by Global load-sharing model, Local load-sharing model and conventional rule of mixtures, thus drawing the conclusion that Local load-sharing model is very perfect for the prediction of the ultimate tensile strength.     

Effect of fiber volume fraction on longitudinal tensile properties of SiC<Subscript>f</Subscript>/Ti-6Al-4V composites

The longitudinal tensile properties of SiC_f/Ti-6Al-4V composites with different fiber volume fractions were simulated by the Monte Carlo 2-D finite element model. The random distribution of fiber strength was expressed by the two-parameter Weibull function. Meanwhile, contact elements and birth-death elements were used to describe the interfacial sliding process after debonding and fiber breakage (or matrix cracking) respectively, which was realized by subroutine complied in ANSYS-APDL (ANSYS Parametric Design Language). The experimental results show that the yield stress and ultimate tensile strength of SiC_f/Ti-6Al-4V composites increase with increasing fiber volume fraction, while the corresponding strain of them is just on the contrary. In addition, almost the same failure mode is obtained in SiC_f/Ti-6Al-4V composites with various fiber volume fractions when the interfacial shear strength is fixed. Finally, the tensile strength predicted by finite element analysis is compared with that predicted by Global load-sharing model, Local load-sharing model and conventional rule of mixtures, thus drawing the conclusion that Local load-sharing model is very perfect for the prediction of the ultimate tensile strength.     

添加不同纤维的高性能混凝土力学性能试验

通过试验研究了弹性模量具有明显差异的3种纤维对于混凝土的力学性能改善所起的作用,以及钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维单掺或复掺对于混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量的影响。结果表明：添加0．5％高弹性模量的钢纤维对于混凝土的强度和弹性模量均有提高作用,复掺0．3％钢纤维和0．2％碳纤维的混凝土抗拉强度的提高大于抗压强度;添加0．5％钢纤维的混凝土HPC-2的弹性模量最大,比基准混凝土提高6．5％;添加0．2％聚丙烯纤维的混凝土HPC-3的弹性模量最小,且小于基准混凝土;此外,混凝土抗压强度的影响程度与纤维的弹性模量的关系更为直接,混凝土劈裂抗拉强度的改善与纤维的抗拉强度的关系更为直接,纤维的弹性模量与基体弹性模量的比值,对复合材料的弹性模量有直接的影响。     

玻璃纤维增强环氧树脂单向复合材料力学性能分析

采用连续玻璃纤维与环氧树脂相复合,通过金属模压成型工艺,制备出单向玻璃纤维／环氧树脂复合材料。通过三点弯曲实验论证单向纤维对树脂基体的增强作用,从而研究不同纤维含量下复合材料的弹性模量、纵向拉伸强度、纵向压缩强度的变化趋势。结果表明：随着纤维含量的增加,复合材料的力学性能均增强,当纤维体积含量为50％时,其各项性能均较好,弹性模量为40GPa,纵向拉伸强度为1200MPa,纵向压缩模量为700MPa。此外,对复合材料的其他常用力学性能参数进行检测。     

反分析法确定钢纤维水泥砂浆的拉伸残余强度

根据三点弯曲缺口梁的荷载与裂缝张开位移曲线,用反分析法确定了钢纤维水泥砂浆的拉伸残余强度。试验制作了5种不同体积含量的钢纤维水泥砂浆试件。采用虚拟裂缝模型用有限元法数值模拟了三点弯曲缺口梁的荷载与裂缝张开位移,用反分析法确定了钢纤维水泥砂浆的弹性模量和拉伸残余强度。研究结果表明,数值模拟得到的钢纤维水泥砂浆弹性模量以及三点弯曲缺口梁荷载与裂缝张开位移曲线均与试验结果吻合较好,且在常用的钢纤维含量范围内,钢纤维水泥砂浆的残余强度与钢纤维含量基本上成正比。     

玻璃纤维纬平针织物性能及纤维体积分数分析

采用改变纱线根数的方法，利用横机编织了多种不同纱线线密度的玻璃纤维纬平针织物，并改变编织的弯纱深度，得到3种弯纱系列的试验用布20块。通过对针织物结构参数的研究，分析了玻璃纤维针织物线圈长度、密度以及厚度与纱线线密度的关系，并从理论上推导了纬平针织物的纤维体积分数。试验结果表明：纱线线密度仅对针织物的横密和厚度有影响，玻璃纤维纬平针织物的纤维体积分数与织物紧密系数线性相关，增加纱线线密度和减少弯纱深度可增加针织物的纤维体积分数。     

钢丝网混杂纤维增强水泥砂浆拉伸试验研究

对不同配合比的钢丝网钢-聚丙烯混杂纤维增强水泥砂浆进行拉伸试验,研究表明:体积分数为0.5%钢纤维与1.0%聚丙烯纤维混杂的钢丝网钢-聚丙烯混杂纤维增强水泥砂浆极限强度提高了15%,韧性也有大幅度的提升;比较可知该组配合比拉伸性能效果最佳.同时对拉伸试验过程进行了受力分析.     

Processing and properties of 2D SiC/SiC composites by precursor infiltration and pyrolysis

Two-dimensional plain-weave silicon carbide fiber fabric reinforced silicon carbide (2D-SiC/SiC) composites were molded by stacking method and densified through precursor infiltration and pyrolysis (PIP) process. SiC coating was deposited as the fiber/matrix interphase layer by chemical vapor deposition (CVD) technique. Fiber/matrix debonding and relatively long fiber pullouts were observed on the fracture surfaces. Additionally, the flexural strength and elastic modulus of the composites with and without fiber/matrix interphase layer were investigated using three-point bending test and single-edge notched beam test. The results show that the fiber fraction and the porosity of 2D-SiC/SiC composites with and without coating are 27.2% (volume fraction) and 11.1%, and 40.7% (volume fraction) and 7.5%, respectively. And the flexural strength and elastic modulus of 2D-SiC/SiC composites with and without coating are 363.3 MPa and 127.8 GPa, and 180.2 MPa and 97.2 GPa, respectively. With a proper thickness, the coating can effectively adjust the fiber/matrix interface, thus causing a dramatic increase in the mechanical properties of the composites. Foundation item: Project(NCET-07-0228) support by the New Century Excellent Talents in University     

材料参数对短纤维增强金属基复合材料变形行为和性能的影响

运用大应变弹塑性有限元方法和修正混合律,研究了材料参数（纤维长径比、体积分数、根间距）对短纤维金属基复合材料变形行为和性能（弹性模量和屈服应力）的影响。研究结果表明,低应变阶段的应力应变分配系数与复合材料弹性模量之间存在确定的关系,预测的弹性模量与试验结果及Ｅｓｈｅｌｂｙ模型吻合得很好,屈服应力明显小于基体屈服强度。     

玻璃纤维的含量对复合材料的力学性能影响及表征研究

为研究不同质量分数的玻璃纤维对增强聚丙烯复合材料力学性能的影响,选择直径为10μm的玻璃纤维制备复合材料小样.测试在不同质量分数时材料的拉伸强度、弯曲弹性模量等力学性能,并应用扫描电镜(SEM)对其微结构进行表征.结果表明:玻璃纤维质量分数对复合材料的取向分布有很大影响,随着玻璃纤维质量分数增加,拉伸强度增大,但弯曲弹性模量、弯曲强度变化不明显.此外,随着质量分数的增加,复合材料的脆性变大;SEM分析表明复合材料中玻璃纤维有一定的取向且分布相对均匀,玻璃纤维和复合材料基体结合良好.