玻纤增强注塑件的均匀化弹性力学参数研究

基于均匀化方法,根据长玻纤增强聚丙烯(LGFR-PP)的微观特征,建立了非连续长玻纤增强复合材料的代表性体积单元(RVE),通过有限元方法模拟预测了复合材料的宏观等效弹性力学参数,与注塑样条拉伸性能测试结果进行了比较。研究表明,通过在玻纤两侧增加聚丙烯(PP)分布,所采用的RVE较传统连续纤维的有限元模型更为合理;当玻纤成单一取向时,玻纤增强聚丙烯为一种横观各向同性材料;改变玻纤取向与拉伸方向之间的角度,拉伸方向的等效模量先微幅减小,再迅速降低,而后趋于稳定。利用均匀化方法预测非连续长玻纤增强注塑件的等效弹性力学性能具有较高的工程可行性,能进一步为玻纤增强注塑件的结构服役性能分析提供科学依据。     

短切玻璃纤维增强硬质聚氨酯的弹性模量

采用一步法制备玻纤增强硬质聚氨酯的复合材料(RPU).不同长径比的玻纤增强RPU的性能差异显著.长径比为40的玻纤表现出最优的增强性能.当玻纤用量为10%时,长径比为20、40和100的玻纤增强材料的弹性模量分别为9.39MPa、10.5 MPa和9.59MPa,其中长径比为40的玻纤增强材料的弹性模量比未增强的增加了55%,而长径比为20和100的玻纤增强分别为38.7%和41.7%;该材料增强的压缩弹性模量与拉伸弹性模量规律几乎一致.SEM图表明适宜长径比的纤维本身的拉伸强度对增强硬泡塑料的力学性能起到了重要作用.     

单向复合材料弹塑性变形行为的研究

本文利用微观力学方法研究了单向连续纤维增强的金属基复合材料的弹塑性变形行为。纤维是线弹性材料,基体是弹性一粘塑性各向同性材料。在复合材料的纵向拉伸、横向拉伸和纵向剪切变形状态下,预测了复合材料的弹性模量和初始屈服应力值,并考虑了应变率对弹塑性变形行为的影响。以硼/铝复合材料为例,进行了数值分析,预测结果与实验值符合较好。      

玻纤改性及加工工艺对阻燃增强PBT性能的影响

采用硅烷偶联剂对玻璃纤维进行改性,并探讨螺杆转速和螺杆组合对阻燃增强聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)力学性能的影响。结果表明:改性玻纤提高了玻纤和基体界面的相互作用,复合材料的拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度分别提高了10.6%、13%和19.6%;主机螺杆转速过高或螺杆组合的剪切过强都会使玻纤长度低于0.4mm而起不到增强作用,导致材料的力学性能下降。应在保证塑化的前提下,减弱螺杆的剪切,并适当辅与反向剪切块以提高增韧剂的分散性,方可制得综合性能优异的阻燃增强PBT复合材料。     

LGF/PBT/RP复合材料的玻纤长度与阻燃性能的相关性研究

采用不同长度的长玻纤增强聚对苯二甲酸丁二醇酯/红磷(LGF/PBT/RP)阻燃复合材料,通过光学显微镜、燃烧性能测试、扫描电镜(SEM)、动态热机械分析(DMA)和力学性能测试等研究了玻纤长度与阻燃性的相关性。结果表明:随着玻纤长度增加,LGF/PBT/RP阻燃复合材料中玻纤的实际有效长度分布先向玻纤较长区域移动再向玻纤较短区域移动,玻纤在该基体中开始呈现均匀分散后逐渐出现团聚现象,且LGF/PBT/RP阻燃复合材料的垂直燃烧(UL-94)的燃烧时间、平均热释放速率(AvHRR)、总烟释放量(TSR)、总热释放量(THR)、平均有效燃烧热(Av-EHC)和火蔓延指数(FIGRA)呈先减小后增大的趋势,极限氧指数(LOI)则呈先增大后减小的趋势。这表明玻纤的实际有效长度增大,有助于提高LGF/PBT/RP阻燃复合材料的阻燃性能,即玻纤长度对LGF/PBT/RP阻燃复合材料的阻燃性有影响。     

三维机织C/C-SiC复合材料弹性性能预测

试验研究了三维机织C/C-SiC复合材料的弹性性能, 基于复合材料的扫描电镜(SEM)照片, 分析了材料的细观结构的特点, 并提出了一系列的假设, 建立了三维机织C/C-SiC复合材料的细观力学模型, 利用均匀化方法预测了复合材料的弹性常数, 分析了材料的弹性性能随经纱倾斜角的变化规律。结果表明: 预测结果与试验结果吻合较好, 表明该预测模型和方法的正确性; 随着经纱倾斜角的增加, 经纱方向的弹性模量降低, 其它方向的弹性模量均增大, 但面内剪切模量和厚度方向的弹性模量增幅很小。      

短玻纤增强聚丙烯注射压力对微观结构和力学性能影响

报道了短玻纤增强聚丙烯复合材料中玻纤及注射压力对材料微观结构和力学性能的影响规律。实验结果表明: 随着玻纤含量提高, 复合材料的拉伸强度提高, 而断裂伸长率、冲击强度和熔体流动速率则下降。注射压力提高, 拉伸试样芯层中玻纤的平均取向角下降, 取向度提高, 因而拉伸强度增大, 冲击强度下降。皮层结构中玻纤沿熔体流动方向高度取向。聚丙烯球晶尺寸随玻纤含量增加而变小, 规整度也变差, 至40% 时, 聚丙烯已难以形成规整的球晶结构。     

建筑膜材料双轴向拉伸弹性常数的估算方法

以机织物增强建筑膜材料为对象,研究了通过单轴向拉伸试验来获取双轴向拉伸弹性常数的方法。根据膜材料双轴向拉伸弹性模量的确定方法,以二维正交各向异性材料的本构关系为基础,以膜材料经纬向拉伸应力比为设定加载参数,导出了机织膜材料单轴向和双轴向拉伸弹性模量之间的关系,提出了采用单轴向拉伸弹性常数估算建筑膜材料双轴向拉伸弹性常数的方法。通过参考文献中对GF/PTFE和PVDF1202T膜材料拉伸试验的测试结果,验证研究所提出方法的适用性。结果表明,在工程实践中利用单轴向拉伸试验来获得膜材料双轴向拉伸弹性模量是可行的。     

短纤维增强注塑制品的力学性能分析

将短纤维增强注塑制品看作多层板并分析了注塑制品的有效弹性性能.采用Tandon-Weng模型计算了单取向短纤维增强复合材料的弹性性能,采用取向平均法计算了具有任意平面取向的单层板材料弹性常数,运用层合板理论建立了短纤维增强注塑材料的有效弹性模量计算模型.测定了特制试样中的纤维取向分布,计算了有效弹性模量,并与实验结果对比证明这种方法是有效的.     

短切纤维增强复合材料拉伸强度的预测

在分析单向连续纤维增强复合材料纵向拉伸时细观受力与变形的基础上,对连续纤维的长度和方向进行尺寸和方向性修正,给出了短切纤维增强复合材料的拉伸强度预测公式.使用这个预测公式计算短切碳纤维增强PTFE复合材料的拉伸强度,预测值与实验值吻合得较好.     

有一定取向性的碳纤维增强尼龙6复合材料弹性模量的实验和理论研究

纤维增强热塑性聚合物基复合材料注塑成型后往往被认为是各向同性复合材料。然而,注塑成型后纤维会具有一定的取向性,从而使复合材料试样呈现各向异性的特点。为了合理预测此类复合材料的弹性模量,本文对碳纤维增强尼龙6复合材料注塑试样内部的纤维长度和取向分布情况进行了测试和分析,得出了纤维取向的分布规律。随后结合单向纤维增强聚合物基复合材料力学模型和层叠理论,构造出了适用于有一定取向性的纤维增强树脂基复合材料弹性模量预测理论模型,其理论结果和拉伸实验结果吻合较好,表明该预测模型的准确性比较高。      

随机短纤维增强复合材料弹性模量预测模型

为了研究纤维增强复合材料的力学性能, 借助混合率构造的Reuss-Voigt模型以及三维纤维取向简化模型, 建立了随机短纤维复合材料弹性模量预测模型。利用该模型对玻璃纤维增强尼龙6(PA6)复合材料进行弹性模量预测, 其预测结果与拉伸实验结果误差值小于5%, 表明该预测模型具有较好的准确性。     

二维机织复合材料弹性常数的有限元法预测

为了预测二维机织复合材料的弹性性能,建立了有限元力学分析模型。基于二维机织复合材料的几何特征,建立了参数化的单胞模型;考虑了织物纤维束呈现出的各向异性材料特征,将有限元中材料主方向转化到纤维屈曲方向,建立其力学分析有限元模型;分析了单胞边界面保持平面假设的不足,提出了对于二维机织复合材料通用的周期边界条件,获得了更为准确的二维机织复合材料的工程弹性常数。结果表明:织物衬垫单胞边界面,在单向拉伸载荷和纯剪切载荷下,呈凹凸翘曲变形,即为周期边界;应用给出的织物参数化几何建模方法与有限元求解方法,可以精确地获得工程弹性常数,数值计算结果与实验值吻合较好。      

Mechanical properties of pultruded glass fiber-reinforced plastic after moistening

The kinetics of moisture sorption under immersion in water at room and elevated temperatures and flexural characteristics of dry (conditionally initial) and wet (moistened up to saturation level) composite material were investigated on flat specimens of polyester based glass fiber-reinforced plastic, cut from I-beam pultruded profile. It was found that the coefficients of diffusion and swelling are different in three principal axis of the composite. The former have the largest value in fiber axis direction, but the latter – in transverse to fiber axis direction out of plane of the layers. The observed difference in kinetics of mass gain and change of volume strain for the specimens of various sizes allowed evaluate the volume of pores, filled with water. The large data spread for the specimens, cut from the flanges, was found. Edge specimens have lower density and showed lower elastic and strength characteristics. The material specimens moistened up to saturation level showed the decrease in flexural modulus and strength for 8% and 16.5%, respectively. No effect of sorbed moisture on tensile modulus and strength of the composite (tension along the fiber axis direction) was found.     

混杂型高模量高韧性复合材料加强筋

针对现有复合材料加强筋存在的弹性模量低、断裂延伸率小、成本高等问题, 以成本低廉的钢纤维作为主要增强材料, 建立了一种新型混杂型复合材料加强筋的理论模型。分别制备了玻璃纤维复合材料加强筋和新型混杂型复合材料加强筋试样, 测试并分析了其单轴拉伸行为, 并进行了加速腐蚀试验。结果表明: 这种新型混杂型复合材料加强筋的弹性模量达142 GPa , 与玻璃纤维复合材料加强筋相比, 具有耐腐蚀、韧性好、成本低的特点。     

考虑高阶剪切的轮胎Gough刚度模型

轮胎是一种帘线增强橡胶复合材料结构,Gough刚度是表征轮胎侧向变形与磨耗的一个重要参数,但缺乏理论推导。本文基于高阶剪切复合材料梁理论,研究子午线轮胎带束层角度对轮胎侧向变形的影响及Gough刚度的理论基础。在Fiala横梁模型的基础上,将轮胎简化为弹性基础上的复合材料梁。胎侧及胎面胶简化为弹性基础,带束和胎体简化为复合材料梁。考虑高阶剪切位移场及帘线-橡胶材料的各向异性,利用虚功原理建立模型方程,得到了复合材料梁在侧向载荷作用下的小挠度理论解,与有限元结果和已有文献结果对比验证了其合理性。算例分析表明,当胎体等效梁结构的高宽比固定时,对应Gough刚度极大值带束角度是固定的;不同的帘线模量和橡胶模量也会对Gough刚度极大值所对应的带束角度产生不同的影响;带束层厚度对Gough刚度极大值对应的带束角度影响较小。根据Gough刚度极大值准则得到了不同高宽比下的轮胎最佳带束角度,利用实际轮胎解剖结构进行了验证。本文提出的模型为子午线轮胎带束角度优选和磨耗设计提供了理论指导。      

Tensile properties of short-glass-fiber- and short-carbon-fiber-reinforced polypropylene composites

Composites of polypropylene (PP) reinforced with short glass fibers (SGF) and short carbon fibers (SCF) were prepared with extrusion compounding and injection molding techniques. The tensile properties of these composites were investigated. It was noted that an increase in fiber volume fraction led to a decrease in mean fiber length as observed previously. The relationship between mean fiber length and fiber volume fraction was described by a proper exponential function with an offset. The tensile strength and modulus of SGF/PP and SCF/PP composites were studied taking into account the combined effect of fiber volume fraction and mean fiber length. The results about the composite strength and modulus were interpreted using the modified rule of mixtures equations by introducing two fiber efficiency factors, respectively, for the composite strength and modulus. It was found that for both types of composites the fiber efficiency factors decreased with increasing fiber volume fraction and the more brittle fiber namely carbon fiber corresponded to the lower fiber efficiency factors than glass fiber. Meanwhile, it was noted that the fiber efficiency factor for the composite modulus was much higher than that for the composite strength. Moreover, it was observed that the tensile failure strain of the composites decreased with the increase of fiber volume fraction. An empirical but good relationship of the composite failure strain with fiber volume fraction, fiber length and fiber radius was established.     

含面内波纹缺陷的复合材料层合板刚度性能

基于经典层合板理论（CLT）,并考虑面内波纹引起的拉伸-弯曲耦合作用,提出了含面内波纹缺陷的复合材料层合板刚度预测模型,定量研究了波纹比、纤维偏转角和波纹位置等面内波纹参数对其三维刚度性能的影响。结果表明：理论模型预测值与文献中的结果吻合较好;面内波纹对纵向弹性模量、横向弹性模量、面内剪切模量、主泊松比和面内弯曲刚度均产生了显著影响。该建模方法为研究波纹缺陷对复合材料力学性能影响提供了参考。     

三维编织碳／碳复合材料高温力学性能的测试与预报

用快速通电加热测试技术研究了细编穿刺３ＤＣ／Ｃ复合材料在２８００℃时的位伸性能，把碳纤维和基体的性能作为已知参数，选取适当细观代表性单胞，利用细观力学和三维有限无方法预报共高温弹性模量，分析了织物结构参数的影响，其随温度的变化规律与实测结果吻合。     

Explicit cross-link relations between effective elastic modulus and thermal conductivity for fiber composites

Explicit cross-link relations between effective elastic modulus and thermal conductivity for composites with different fiber orientation are derived with help of Mori-Tanaka micromechanical method. Numerical cross-link relations are also established by digital-image-based finite element method, and they compare favorably with the analytical cross-link relations especially for the composite with aligned fibers and planar randomly oriented fibers. Both analytical and numerical cross-link relations agree well with the experimental results available in the literature. For the composite with space randomly oriented fibers, the numerically obtained cross-link relations are insensitive to the fiber’s shape, and the analytical cross-link relations are weakly dependent on fiber’s shape. In sum, the sensitivity of cross-link relations to the fiber’s shape depends on the extent of anisotropic behavior of fiber composites. Such cross-link relations can be potentially applied for predicting the difficult-to-measure elastic modulus from the measured thermal conductivities.