不同厚度碳纤维布/环氧树脂复合材料孔隙率超声衰减模型

复合材料中孔隙的存在造成了材料性能的下降,因此,对材料孔隙的检测至关重要。本文利用异丙醇(IPA)添加量的不同,制备了不同层数、不同孔隙率含量的碳纤维(CF)布/环氧树脂层合板试件。采用脉冲反射法测试计算了CF布/环氧树脂层合板试件的超声衰减系数,通过金相显微分析对孔隙的分布、形状及尺寸进行了表征,运用MATLAB对金相显微图进行分析得到试件的孔隙率。讨论了孔隙率对材料的声速、声阻抗及超声衰减系数的影响规律,利用4组不同层数样本试件的孔隙率和超声衰减量的试验数据,给出了基于模型的孔隙率与材料层数、超声衰减量的拟合公式。结果表明,随着IPA添加量的增加, CF布/环氧树脂层合板(2 mm)孔隙率从1.09%增加到4.16%,材料的声速和声阻抗均下降,超声衰减系数从2.51 dB/mm增大到5.34 dB/mm。孔隙率为1%时,厚度从2 mm (8层)增加到5 mm(20层),衰减系数增大了0.54 dB/mm。     

孔隙对碳纤维/环氧复合材料层合板层间剪切疲劳性能的影响

研究了孔隙对碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板［(±45)/0₄/(0, 90)/0₂］_S的静态层间剪切强度和层间剪切疲劳性能的影响。采用不同的热压罐压力制备了孔隙率为0.4%~6.6%的试样。采用显微照相法和图像分析技术对孔隙率和孔隙的微观形貌进行了分析。研究结果表明, 随着热压罐压力的降低, 大孔隙(S>7.85×10-3mm2)所占的比例逐渐增加, 平均孔隙率增加。在孔隙率为0.4%~6.6%时, 每增加1%, 复合材料层压板的层间剪切强度下降2.4%。随着孔隙率的增加, 层压板的疲劳寿命降低。与静态试验相比, 孔隙率对层压板疲劳性能的影响比对静态性能的影响大。大孔隙的存在促进了疲劳裂纹的产生和扩展。      

孔隙对碳纤维增强环氧树脂复合材料超声衰减系数及压缩性能的影响

孔隙对碳纤维增强环氧树脂（CF/EP）复合材料的力学性能和破坏模式有显著的影响,因此需要建立准确的孔隙率无损检测评估方法,并基于所评估的孔隙率提高CF/EP复合材料压缩性能预测的可靠性。本文主要研究了孔隙对CF/EP复合材料的超声衰减系数和压缩性能的影响,通过降低固化压力至0.7~0.2 MPa和延长预浸料室温贮存时间至30~180天的方法,制备了不同孔隙率的CF/EP复合材料层压板,通过金相验证其孔隙率在0%~3.0%之间,孔隙类型主要为层中孔隙和层间孔隙。通过理论和试验的方法,基于超声反射法建立了孔隙率与超声衰减系数的关系曲线,由孔隙引起超声衰减系数为α_v=1.08P_v2(P_v为孔隙率),与前人基于超声穿透法所得的超声衰减系数α_v=0.61P_v2较好地符合2倍声程的关系。对不同孔隙率的CF/EP复合材料层压板进行压缩测试实验,特别考虑了贴片和加载方向对测试结果的影响。从细观角度研究了含孔隙的CF/EP复合材料层压板的压缩破坏模式。结果表明:CF/EP复合材料层压板的压缩强度随孔隙率增加而下降,孔隙率增加至2.5%时,压缩强度下降13.7%,孔隙细观特征影响压缩破坏的形式,主要原因是孔隙诱发微裂纹的萌生和扩展,削弱了纤维与树脂间的结合力并引发纤维微屈曲。      

不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究

为了研究孔隙率对织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板静态力学性能的影响规律,分别测量了孔隙率为0.33%至1.50%的CFRP层合板的弯曲强度和层间剪切强度,并进行有限元模拟.在适用于复合材料单向板的改进Hashin失效准则基础上,建立了适用于织物纤维增强复合材料静态力学强度的失效准则.通过引入复合材料基本强度参数预测不同孔隙率CFRP层合板的力学性能,结合刚度突然退化模型,采用ABAQUS软件建立了有限元模型.试验结果表明,随着孔隙率的增加,复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度均呈下降趋势.有限元模型较为准确地预测了不同孔隙率织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度.     

孔隙率对碳纤维复合材料超声衰减系数和力学性能的影响

复合材料的工艺过程对最终产品的力学性能具有决定性影响,但其机理十分复杂。通过设置一系列固化压力历程以产生不同水平的孔隙率,采用超声C扫描、显微镜分析和酸解法对孔隙的分布、形状、尺寸和体积含量进行了定性和定量表征。讨论了孔隙率对层压板层间剪切性能、弯曲性能和拉伸性能的影响规律,获得了性能下降的临界孔隙率值。结果表明:孔隙率对性能的影响只受孔隙含量、分布、尺寸和形状等的影响,而与产生方式没有直接联系。本文作者的研究将工艺参数、孔隙率和性能有机地联系起来,体现了复合材料设计、制备与性能一体化的特点。      

碳纤维织物增强聚苯硫醚复合材料的制备及性能

采用薄膜叠压法制备碳纤维织物增强聚苯硫醚(CFF/PPS)复合材料层压板,研究了热压温度、热压压力和热压时间对复合材料层压板力学性能的影响,确定了制备CFF/PPS复合材料的理想工艺参数为:热压温度320～330℃,热压压力0.15～0.20MPa,热压时间8～10min。在该参数下制得的层压板拉伸强度为652MPa,弯曲强度为711MPa,层间剪切强度为43MPa;在6.7J/mm的冲击能量下,层压板的冲击后压缩剩余强度为116MPa。     

纳米Al2O3-碳纤维多尺度增强聚酰胺基复合材料的制备及力学性能

采用叠层模压法制备了纳米Al₂O₃-碳纤维织物多尺度增强聚酰胺基（nano Al₂O₃-CFF/PA6）复合材料层压板。借助场发射扫描电子显微镜（FESEM）、同步热分析仪（TGA/DSC）和FTIR,研究了模压温度、压力和纳米Al₂O₃加入量等因素对nano Al₂O₃-CFF/PA6复合材料力学性能的影响。研究表明：在模压温度为230℃、模压压力为3 MPa和保压时间为15 min时,CFF/PA6层压板的弯曲强度为250.3 MPa,层间剪切强度为87.6 MPa,平行层厚方向的冲击强度为41.2 MPa,垂直层厚方向为9.6 MPa。当基体中的Al₂O₃含量达到6wt%时,nano Al₂O₃-CFF/PA6层压板的弯曲强度为387.6 MPa,层间剪切强度为35.7 MPa,平行和垂直层厚方向的冲击强度分别为80.3 MPa和25.6 MPa。     

热塑性纤维铺放构件的层间剪切强度及孔隙率

热塑性纤维(AS4/PEEK,熔点温度343℃)铺放采用的是原位固化工艺技术,铺放成型后热塑性纤维铺放构件层间性能直接影响构件的力学性能.本工作根据均匀试验法原理设计并进行铺放试验,得到构件的剪切强度和孔隙率,分析铺放工艺参数对铺放构件的层间剪切强度和孔隙率的影响规律,采用SEM对构件的断面层间进行观测,同时优化热塑性纤维铺放构件的剪切强度和孔隙率.结果表明:在铺放试件性能检测数据的基础上,随着加热温度和铺放压力的升高和增大,层间剪切强度也增大,而随着铺放速度的加快,层间剪切强度反之降低;孔隙率与铺放速度及加热温度呈正相关,随铺放压力的增大而降低.当铺放速度为6.00 mm/s、加热温度为699.35℃、铺放压力为539.94 N时,预测构件层间剪切强度最高为52.15 MPa;当铺放速度为6.00 mm/s、加热温度为630.04℃、铺放压力为530.00 N时,预测构件孔隙率最小为1.98％,最后试验测试得到的结果与预测结果基本一致.本工作的研究结果在我国制造业领域中热塑性纤维的应用方面具有一定的实用价值.     

PEK-C膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能

为探究热塑性酚酞基聚醚酮（Polyaryletherketone with Cardo,PEK-C）树脂薄膜及膜厚对层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响,利用浸渍提拉法制备了三种不同厚度（分别约为1 μm、10 μm、30 μm）的PEK-C膜,通过热压成型制备了层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料层合板,对其进行了Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度、层间剪切及弯曲性能测试,并利用SEM观察微观形貌及AFM扫描微观相图。结果表明:不同PEK-C膜厚增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度及层间剪切强度有不同程度提高,Ⅰ型层间断裂韧性及层间剪切强度以膜厚为10 μm最佳,分别增大了157.17%和17.57%,冲击后压缩强度以膜厚为30 μm最佳,达到了186.67 MPa,这是由于PEK-C与环氧树脂在热压固化过程中形成了双相结构,改善了材料韧性;但弯曲性能持续下降,强度及模量由未增韧的1 551 MPa、106 GPa分别降至30 μm时的965 MPa、79 GPa,这是由于PEK-C树脂扩散进入环氧树脂中,降低了纤维体积分数及材料刚度。      

孔隙率对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板湿热性能的影响

针对某飞机上应用的典型铺层[(±45)4/(0,90)/(±45)2]S和[(±45)/(0,90)2/(±45)]S,研究了孔隙对碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板的吸湿行为和层间剪切强度的影响。采用不同的热压罐固化压力制备了不同孔隙率的试样。采用显微图像分析技术对孔隙率和孔隙的微观结构特征进行了详细的分析。研究结果表明:孔隙主要分布于层间,且随着孔隙率的增大,孔隙的尺寸增大;2种层合板的吸湿率和最大吸湿量随着孔隙率的增加而增加;湿热老化和未经湿热老化的层间剪切强度都随着孔隙率的增加而下降。铺层[(±45)4/(0,90)/(±45)2]S未经湿热和湿热后的层间剪切强度随着孔隙率增加分别下降6%(孔隙率:0.6%~6.3%)和9%(孔隙率:0.4%~7.0%);铺层[(±45)/(0,90)2/(±45)]S未经湿热和湿热后的层间剪切强度随着孔隙率增加分别下降14%(孔隙率:0.4%~6.9%)和7%(孔隙率:0.2%~8.9%)。     

基于图像处理的碳纤维增强树脂基复合材料固化压力-缺陷-力学性能建模与评估

利用热压罐成型工艺制备了不同固化压力条件下的碳纤维增强树脂基复合材料层合板,分析了超声相控阵C扫描图像与微观缺陷的对应关系,研究了固化压力、孔隙缺陷及力学性能之间的关联规律。结果表明：利用超声C扫描图像差异能够表征孔隙等缺陷含量,在本实验条件下,固化压力由0 MPa提高到0.6 MPa,复合材料孔隙率降低96.7%,拉伸强度（TS）和层间剪切强度（ILSS）分别提高56.1%和68.8%。在此基础上,对不同固化压力条件下制备的复合材料层合板的超声相控阵C扫描图像进行图像处理并定义成型质量指数,实现了基于C扫描图像对孔隙缺陷的定量表征。最后,通过对孔隙缺陷检测、力学性能测试及图像定量化评价结果进行数学拟合,建立了基于图像处理的固化压力-缺陷-力学性能之间的数学关联模型（CPDMP模型）,并给出了成型质量指数阈值为81%,及可接受的孔隙率应不高于1.1%,相应的固化压力应不低于0.35 MPa。     

Effects of Cure Pressure Induced Voids on the Mechanical Strength of Carbon/Epoxy Laminates

This work aims at designing a set of curing pressure routes to produce laminates with various void contents. The effects of various consolidation pressures resulting in different void contents on mechanical strength of carbon/epoxy laminates have been examined. Characterization of the voids, in terms of void volume fraction, void distribution, size, and shape, was performed by standard test, ultrasonic inspection and metallographic analysis. The interlaminar shear strength was measured by the short-beam method. An empirical model was used to predict the strength vs porosity. The predicted strengths conform well with the experimental data and voids were found to be uniformly distributed throughout the laminate.     

孔隙含量对复合材料力学性能的影响

制造复合材料时,如果工艺参数选择不当,常常使复合材料中形成不同类型的孔隙。孔隙的存在会对复合材料性能产生很大影响。本文的目的在于讨论孔隙含量对单向复合材料机械性能的影响。这些性能包括:纵向、横向拉伸强度和模量;弯曲强度和模量;平面剪切强度和模量及层间剪切强度等。试件用纤维缠绕工艺制造。树脂基体由双酚-A型环氧树脂和热固性酚醛树脂构成。后者用作环氧树脂的固化剂。用E玻璃无捻粗纱作增强材料。试件在真空干燥箱中按预定的固化制度固化。复合材料中的孔隙含量用比重法测定。结果表明,单向复合材料中的孔隙含量对横向拉伸、层间剪切及平面剪切性能有明显影响。指出,通过控制工艺参数、降低孔隙含量,可以制得性能优异的复合材料。      

Effects of Process-Induced Voids on the Properties of Fibre Reinforced Composites

It is well known that voids have detrimental effects on the performance of composites. This study aims to provide a practical method for predicting the effects of process induced voids on the properties of composites. Representative volume elements(RVE) for carbon ?bre/epoxy composites of various ?bre volume fractions and void contents are created, and the moduli and strengths are derived by ?nite element analysis(FEA). Regression models are ?tted to the FEA data for predicting composite properties including tensile, compressive and shear. The strengths of composite laminates including tensile strength and interlaminar shear strength(ILSS) are calculated with the aid of the developed models. The model predictions are compared with various experimental data and good agreement is found. The outcome from this study provides a useful optimisation and robust design tool for realising affordable composite products when process induced voids are taken into account.     

高温环境下碳纤维增强树脂复合材料的层间力学性能老化行为与失效预测

为了研究碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料层间力学性能在高温环境中的老化失效行为,设计了CFRP复合材料层间拉伸和层间剪切实验,在高温(80℃)环境中进行0(未老化)、 120 h、 240 h、 360 h、 480 h、 600 h和720 h的老化测试,分析CFRP层间失效强度和失效形式随老化时间的变化规律,得到随高温老化的二次应力准则响应面。建立CFRP复合材料层间力学性能预测模型,得到不同老化衰减系数下的退化模型,并通过CFRP复合材料层间仿真模型进行了验证。结果表明:随着高温老化时间的增加,层间拉伸和层间剪切强度总体上都发生了一定程度的退化,层间拉伸时更容易发生碳纤维丝剥离,层间剪切发生局部的树脂剥离,纤维之间的分层更加明显,高温老化使树脂与纤维丝的界面结合力显著下降。通过CFRP复合材料层间力学性能随高温老化的二次应力准则,计算不同老化时间后的内聚力模型参数,预测CFRP复合材料在高温老化条件下的层间强度,发现仿真与实验误差小于10%,说明了CFRP复合材料层间失效预测模型的准确性。     

Influence of Voids on the Tensile Performance of Carbon/epoxy Fabric Laminates

This paper aims at investigating the effect of voids on the tensile properties of [(±45)4/(0,90)/(±45)2] S and [(±45)/0 4/(±45)(0,90)] S composites.Specimens with void contents in the range of 0.4% to 9.0% were fabricated from carbon/epoxy fabric.The void content was determined by ultrasonic attenuation and optical image analysis,and microscopic inspection was also used to analyze the shape and size of the voids.The influence of voids on the tensile strength and modulus of both stacking sequence is compared in terms of the size and the shape of the voids.The effect of voids on the initiation and propagation of tensile failure of both stacking sequence composite was investigated.     

碳纤维复合材料对超声衰减的频域分析

采用反射法对两组不同碳纤维复合材料试块进行了超声检测, 并用快速傅立叶变换( FFT) 方法分析了信号的频域特征。结果表明: 超声衰减系数与频率之间存在线性关系, 而且其斜率随孔隙率的增大而增大。孔隙对超声波的衰减作用使超声信号的峰值降低、频宽变窄且使中心频率降低。超声信号矩心频率的偏移与孔隙率之间、超声衰减率与孔隙率之间均呈线性关系。频域内的特征量与孔隙率之间的线性关系为建立正确的孔隙率频域检测模型提供了基础。