基于RTM工艺的纤维增强环氧树脂复合材料阻燃改性研究

制备了全新的阻燃定型剂DHQEP/ET3228,利用传统RTM工艺,实现了对纤维增强环氧树脂复合材料的阻燃改性。该定型剂的加入为预成型体提供出色的定型效果,回弹角测试中仅发生了1.24°的回弹,同时还可以有效提升复合材料的阻燃性能（LOI可达36.8%）。另外,阻燃定型剂可以参与环氧树脂的固化反应,使得阻燃定型剂的添加对复合材料的界面性能影响较小,保持了复合材料良好的层间剪切性能。      

Packifier parameters and permeability characteristics of non-crimp stitched carbon fabrics

研究了真空辅助树脂注射（VARI）工艺中含定型剂织物定型参数对织物压缩特性、渗透特性及其复合材料力学性能的影响,确定织物最优的定型参数。采用DSC和IR分别对织物表面定型剂的熔融特性和组成进行了分析,测试了不同定型温度下的压缩、渗透特性及复合材料力学性能。结果表明：此定型剂为含有环氧基团的低熔点聚合物;低于100℃时,随着定型温度的升高,织物的压缩厚度和渗透率均下降;100-140℃时,随着定型温度的升高,织物的压缩厚度基本无变化,渗透率有所提高,定型温度对力学性能基本无影响。     

碳纤维经编织物定型参数及渗透特性

研究了真空辅助树脂注射(VARI)工艺中含定型剂织物定型参数对织物压缩特性、渗透特性及其复合材料力学性能的影响,确定织物最优的定型参数。采用DSC和IR分别对织物表面定型剂的熔融特性和组成进行了分析,测试了不同定型温度下的压缩、渗透特性及复合材料力学性能。结果表明:此定型剂为含有环氧基团的低熔点聚合物;低于100℃时,随着定型温度的升高,织物的压缩厚度和渗透率均下降;100~140℃时,随着定型温度的升高,织物的压缩厚度基本无变化,渗透率有所提高,定型温度对力学性能基本无影响。     

HF30F-24K碳纤维经编织物性能分析

对国产HF30F-24K碳纤维的力学性能、表截面形貌、单向和0°/90°经编织物性能及其复合材料性能进行了测试分析，结果表明：HF30F-24K碳纤维拉伸强度达到5000MPa以上，拉伸模量超过250GPa,且拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率的离散系数即C_v值全部低于5%,该产品具有较好的力学性能和稳定性，并具有典型的湿法纺丝工艺特点；HF30F-24K碳纤维单向织物经向断裂强力达到了3800N/25mm以上，0°/90°经编织物经向断裂强力超过了2800N/25mm,纬向断裂强力大于2600N/25mm; HF30F-24K碳纤维单向和0°/90°经编织物复合材料层间剪切强度分别为125.8MPa和77.2MPa,体现了湿法纺丝工艺碳纤维的界面结合优势，HF30F-24K碳纤维的单向和0°/90°经编织物预浸料复合材料也因此表现出较好的拉伸、压缩、弯曲性能。     

定型剂对单轴向经编织物复合材料力学性能影响的试验研究

研究了真空辅助树脂注射（VARI）工艺中定型剂对环氧树脂的影响及其在织物表面的分布形式,以及定型剂用量对单轴向经编织物复合材料力学性能的影响,以确定最优的定型参数。采用示差扫描量热法（DSC）和扫描电镜（SEM）分别对加入不同用量定型剂的环氧树脂的玻璃化转变温度和相形貌进行分析,并测试了加入不同用量定型剂后复合材料的力学性能。结果表明：随着定型剂用量的增加,环氧树脂的玻璃化转变温度逐渐降低,且其相形貌逐渐由海岛结构经过双连续相结构到最后的相反转结构;室温下,随着定型剂用量的增加,织物表面定型剂的厚度及不均匀性增加,经过高温处理后,定型剂均匀分布在织物表面。定型剂用量对单轴向经编织物复合材料力学性能有较大影响,用量为20 g/m²时,复合材料体系的综合力学性能最优。     

国产CCF300碳纤维单向织物液体成型工艺性及其复合材料力学性能

选取国产碳纤维CCF300所制备的2种单向织物,单向无纬织物U3160及单向无屈曲织物KUC160,分别对其预成型体进行压缩特性和渗透特性测试,以研究2种单向织物的液体成型工艺性,并采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备2种单向织物/双马来酰亚胺树脂基复合材料,测试并对比其面内力学性能。结果表明:预成型体压缩试验中,嵌套效应受压力及织物层数影响较大,压力越高、层数越多,嵌套效应越显著。U3160织物的嵌套效应较KUC160织物更为明显,在较高压力下,KUC160织物预成型体的纤维体积分数较U3160织物的下降了约20%。渗透率测试结果表明:相比U3160织物,KUC160织物0°方向的渗透率较高,而90°方向的渗透率有所降低;这是由于经编线的绑缚作用能促进0°方向的宏观流动,而阻碍90°方向的微观渗透。此外,KUC160织物的经编线与U3160织物的纬向纱线的导流作用也对渗透率有影响。力学性能试验结果表明:相比U3160织物增强复合材料,KUC160织物增强复合材料0°方向的拉伸、弯曲和压缩性能均有所下降,拉伸强度和弯曲模量降幅最大,分别约为11%和21%;而层间剪切强度有小幅提高,增幅约为8%。      

复合材料带筋壁板预成型体压缩性与渗透性对树脂流动的影响

以航空碳纤维增强树脂基复合材料典型结构件带筋壁板为研究对象,通过对U3160单向织物的组织结构进行分析,根据纤维束的受压变形状态对其压缩响应进行理论建模,然后以纤维束压缩模型为基础,预测了U3160单向织物按0°/45°/90°/-45°铺层时预成型体在压缩应力作用下厚度变化的响应行为。建立了压缩应力作用下纤维预成型体的渗透率解析模型:在织物压缩模型的基础上,建立了纤维束等效渗透率模型;根据张量理论,分别建立了0°、±45°和90°铺层织物等效渗透率模型;运用渗透介质串并联关系,建立了带筋壁板各特征区域渗透率综合表征模型。基于PAM-RTM流动模拟软件,进行分区渗透率定义,在充模过程中对树脂在带筋壁板预成型体中的流动行为进行模拟,优化工艺参数,确定出最终充模方案,并制作带筋壁板实验缩比件进行成型实验,验证了充模方案的合理性。研究结果为制件的成功制作提供理论依据,从而指导生产实践。      

织物纤维干湿态压缩成型特性

对干态和湿态两种工况下的碳纤维和玻璃纤维织物进行了压缩成型特性实验,利用黏弹性理论模型,分析了上述两种工况下压缩、应力松弛和回弹阶段的黏弹性曲线和黏弹性模型参数。通过分析两种工况下织物纱线压缩成型3个阶段的变形机制,阐述了产生上述差异的原因。结果表明,对于织物压缩阶段,当达到相同的最大成型压力时,湿态织物的成型厚度比干态的成型厚度略大。湿态织物的压缩时间比干态的压缩时间短,且织物规格越小,相差时间越少。湿态织物压缩阶段的时间常数小于干态织物对应值。对于织物应力松弛和回弹阶段,介质较少渗入织物间隙,织物变形过程基本相同,织物在两种工况下的成型厚度差值与回弹厚度差值十分接近。因此,湿态下织物的回弹厚度比干态下的回弹厚度略大。应力松弛和回弹阶段的时间常数基本相同。上述研究结果对纤维增强树脂基复合材料的成型工艺具有了一定的指导意义。      

双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料弯曲性能

经纬纱和针织纱分别选用不同线密度的高模高强玄武岩纤维, 以不同衬纱方式编织出机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物, 并以其作为增强体, 采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料。对两种复合材料0°、 90°和45°方向的弯曲性能进行测试, 分析比较了弯曲应力-应变特征曲线及纱线强度。结果表明: 两种复合材料具有较好的弯曲性能, 0°和90°方向的弯曲性能均优于各自45°方向的, 弯曲应力-应变曲线均表现出一定的塑性破坏特征; MBWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能又分别高于CWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能; 复合材料中经纱和纬纱的屈曲程度不同, 致使MBWK织物增强复合材料的比模量和纱线强度均高于CWK织物增强复合材料, 两种复合材料的弯曲性能受不同衬纱方式的影响, 而两种复合材料试样的弯曲破坏形态相近。研究结果为双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料的应用提供了参考。     

双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料弯曲性能

经纬纱和针织纱分别选用不同线密度的高模高强玄武岩纤维,以不同衬纱方式编织出机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物,并以其作为增强体,采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料.对两种复合材料0°、90°和45°方向的弯曲性能进行测试,分析比较了弯曲应力-应变特征曲线及纱线强度.结果表明:两种复合材料具有较好的弯曲性能,0°和90°方向的弯曲性能均优于各自45°方向的,弯曲应力-应变曲线均表现出一定的塑性破坏特征;MBWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能又分别高于CWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能;复合材料中经纱和纬纱的屈曲程度不同,致使MBWK织物增强复合材料的比模量和纱线强度均高于CWK织物增强复合材料,两种复合材料的弯曲性能受不同衬纱方式的影响,而两种复合材料试样的弯曲破坏形态相近.研究结果为双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料的应用提供了参考.     

预定型平纹织物的剪切模型

预定型织物是一种用于纺织复合材料液态成型的新型材料, 可以提高复合材料构件的形状精度和尺寸精度。由于织物中存在定型剂, 使织物材料的性能发生改变。基于像框剪切试验, 建立预定型平纹织物剪切变形的理论模型。与干态织物相比, 重点分析了预定型织物中纱线的弯曲刚度和纱线摩擦系数的变化对剪切性能的影响; 同时模型中考虑了剪切过程中纱线轴向力的变化对剪切性能的影响。另外, 利用立式显微镜观察了在纱线挤压阶段纱线宽度变化的规律, 考虑了定型剂和织物结构对纱线宽度变化的影响。根据平衡方程得到预定型平纹织物的剪切模型, 通过与试验结果比较, 该模型可以较好地预测预定型平纹织物的剪切变形性能。      

热氧老化对三维编织碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料力学性能的影响

研究了三维编织碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料和层合碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料在200℃和250℃分别老化10、30、90、120和180天后的弯曲和剪切性能的变化。结果显示热氧环境下,纤维/双马来酰亚胺树脂基体界面性能随着老化时间的延长而显著下降,且编织复合材料老化后的弯曲和剪切性能保留率大于层合复合材料。这是由于编织复合材料中沿厚度方向的Z向纱将所有纱线捆绑为一个整体结构抵抗外力,且在热氧老化造成复合材料之间产生裂纹时,Z向纱的存在可以阻挡裂纹的扩展,减缓材料的老化速率。这说明与层合复合材料相比,编织复合材料的整体结构能够起到补偿由热氧老化导致的力学性能下降的作用。      

嵌入式共固化复合材料阻尼结构吸湿处理后的层间结合性能

采用压片工艺和刷涂工艺制备了碳纤维/双马来酰亚胺(T300/QY8911)嵌入式共固化复合材料阻尼结构(ECCDS)试件。对T300/QY8911复合材料阻尼结构试件的吸湿特性进行了研究,获得了吸湿率与阻尼层厚度的关系;对两种工艺制备的复合材料吸湿处理后的层间结合性能进行了研究,分析了阻尼层厚度与层间最大剪切应力的关系。结果表明:含穿孔黏弹性阻尼层的ECCDS能明显提高吸湿处理后的层间结合性能,为ECCDS的理论设计和应用研究奠定了基础。     

Bonded repairs for carbon/BMI composite at high operating temperatures

The increased use of carbon reinforced polymer composite structures in civilian and military aircraft has produced new challenges for on-aircraft bonded repairs. Carbon/bismaleimide (BMI) composite structure provides an added complexity associated with the application of adhesively bonded repairs. Commercially available carbon/BMI composite usually requires a post-cure temperature in excess of 220 °C to achieve the high strength properties at elevated operating temperatures. Application of bonded repairs in situ often places an upper limit on the temperatures that can be employed for curing the adhesive at 177 °C. Consequently, the adhesive bond needs to achieve similar mechanical properties to the parent matrix material without the benefit of the high post-cure temperature. The current work examines a range of repair options that can be used to recover strength and the selection of adhesives and processes to successfully apply the repairs using vacuum assisted pressure.     

Experimental and finite element studies on hot sizing process for L-shaped composite beams

This work aims at developing a hot sizing process on composite materials to correct the profiles of composite structures during manufacture. Hot sizing experiments were carried out at 150 °C with different sizing loads and hot sizing periods for L-shaped composite beams made of carbon fiber plain-weave fabric and epoxy resin. To predict the springback in hot sizing process, a corresponding finite element simulation method was developed using stress relaxation equations determined at the same temperature. Excellent agreements between the predicted and observed results were obtained. The effects of the component thickness and 45° ply percentage on the springback rate were investigated by simulation. Springback rate in hot sizing process on composite materials ranges from 60% to 95%. In conclusion hot sizing process is proved to be a valid method for compensation for the process-induced deformation (PID) of L-shaped composite beams.     

Thickness optimization of composite plates by Box’s complex method considering the process and material parameters in compression molding of SMC

The main goal of this study is to optimize the structural thickness distribution for improving the mechanical performance of composite structures manufactured by compression molding processes. During the preliminary preparation for optimization, a processing simulation program was developed to predict the fiber volume fraction and orientation using a Control Volume/Finite Element method. To verify the effects of the processing conditions on the mechanical properties, a few simple geometries and loading conditions were investigated. Considering the fiber state changes, the optimal thickness distributions of a plate in one- and two-dimension have been searched. Box’s complex method was applied to solve the non-linear inequality constrained problem.     

考虑纤维方向分布的玻纤增强PP复合材料拉伸性能

纤维方向及其分布对玻纤增强PP复合材料的力学特性具有至为关键的影响。提出了一种快速获取纤维数量及每根纤维方向的方法。通过引入方向张量, 利用Moldflow软件进行玻纤增强PP树脂注塑成型模拟获得纤维方向的平均分布, 结合显微方法观察判断特定点的纤维沿厚度方向的分层情况及定量判断纤维方向的分布。对轿车玻璃纤维增强注塑仪表板的纤维方向相对一致处取与纤维方向呈0°、45°、90°的样条, 通过拉伸实验测得拉伸模量, 利用所提出的方法研究了仪表板内玻纤方向的分布及其对拉伸模量的影响。研究结果表明: 玻纤增强注塑仪表板的力学性能是各向异性的, 其沿厚度方向纤维按方向大致可分为三层。     

Mechanical properties and failure mechanisms of composite laminates with classical fabric stacking patterns

In the design of composite materials, the properties and failure modes/mechanisms are always of the main concern. In this work, the mechanical properties and failure mechanisms of composite laminates with classical fabric stacking patterns ([(0, 90)]₈ and [(0, 90)/(±?45)]₄) were systematically investigated through mechanical experiments and FEM (finite element method) numerical simulations. The results show that the tensile modulus and bending modulus of the laminates were reduced by 22.2% and 37% after partially changing the stacking angle to?±?45°, but corresponding elongation and bending displacement were increased by 8.8% and 11.7%, respectively. Bending failure mode changes from complete fracture to partial fracture. Meanwhile, the delamination damage and tow peeling from the matrix increase significantly. FEM simulations on tensile and bending processes of the composites indicate that the?±?45° stacking angle leads to the change of the axial stress direction from S_X (0°) to S_Y (±?45°), which is difficult to be observed from mechanical experiments. The FEM simulation provides a cost effective and efficient way for the structural visual optimization design and failure prediction of the actual composite materials.