三维四向编织复合材料动态压缩性能实验研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)研究了三维四向编织碳纤维环氧树脂复合材料在动态压缩载荷作用下的力学性能。在横向对复合材料进行了动态压缩实验,得到了应变率从900/s―1500/s下的应力-应变曲线,并且与准静态压缩下的结果进行了对比。分析比较了应变率对三维编织复合材料横向压缩强度和模量的影响。实验中根据SHPB理论假设,采用波形整形技术,使得试件在加载过程中处于应力平衡和均匀变形状态。实验结果表明:压缩强度和模量具有一定的应变率强化效应;与准静态结果相比,在高应变率下的复合材料的强度和模量有明显的增大,并表现出明显的脆性。还分析了应变率对复合材料破坏模式的影响。     

三维编织超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料力学行为及混杂效应

采用复合处理工艺对三维混杂超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维编织体进行表面处理, 通过RTM工艺制备了环氧树脂基混杂复合材料（UHMWPE/CF/ER）, 并研究了其力学性能及混杂效应。结果表明, 在纤维总体积分数一定的情况下, 随着超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂比的减小, 复合材料的弯曲强度、 弯曲模量及压缩强度增大, 而其纵向剪切强度及冲击韧性降低。三维编织混杂复合材料的断裂机制由混杂纤维的混杂比及其性质决定, 通过调节混杂比可实现对复合材料力学性能的有效调控。      

三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料在热环境中的拉压力学性能实验

针对不同编织角度的三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料,进行了热环境下的轴向拉伸和压缩力学性能实验研究,讨论了温度对三维四向编织复合材料的轴向拉伸和压缩力学性能的影响,并根据宏观断裂形貌和SEM图像分析了材料的破坏和断裂机制。结果表明,随着测试温度的升高,三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料的纵向拉伸强度有小幅提高,而纵向压缩强度显著降低。在室温条件下,编织角对材料的纵向拉伸破坏特征没有影响,而对材料的纵向压缩破坏特征有较大影响。随着测试温度的升高,不同编织角度复合材料的纵向拉伸和压缩的损伤破坏形态均与室温条件下明显不同。      

三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的压缩性能及破坏机制

针对不同编织角、 不同纤维体积分数的三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料在不同温度下进行了纵向(编织方向)压缩和横向压缩试验 , 获得了其主要压缩力学性能 , 分析了编织参数、 温度对材料压缩力学性能的影响。对试件断口进行了宏观及扫描电镜观察 , 从宏、 细观角度研究了材料的变形及其破坏机制。结果表明 , 三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的压缩应力2应变曲线呈现明显的非线性特征 , 且温度效应明显; 编织角和纤维体积分数是影响材料压缩性能的主要参数。三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的纵向压缩与横向压缩具有完全不同的破坏机制。      

激光辐照下二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的烧蚀特征

开展了光纤激光对二维编织碳纤维/环氧复合材料的烧蚀试验研究,获得了不同入射热流条件下编织复合材料的烧蚀特征,分析了激光烧蚀机制。结合非接触测温和接触测温两种方法开展试验,采用高温红外热像仪测试了复合材料前表面的瞬态温度场演变过程,通过热电偶获得了复合材料后表面的温升数据。试验结果表明,当入射激光功率密度在102 W·cm-2量级时,二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的环氧树脂发生了明显的质量迁移,而碳纤维形貌变化不大;在强激光辐照过程中,二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的前后表面温差较大,前表面最高温度接近2 000℃,而后表面最高温度在200~500℃之间。     

硅溶胶改性处理对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能的影响

用溶胶-凝胶法制备硅溶胶对碳纤维进行表面改性,观测了环氧树脂液滴在单向排列碳纤维集束表面的铺展过程;以环氧树脂为基体制备单向排列的碳纤维/环氧树脂复合材料,研究了硅溶胶改性处理碳纤维对其拉伸性能的影响。结果表明:碳纤维经过硅溶胶改性处理后,Si—o—Si,-NH₂等极性官能团的引入改善了环氧树脂对其的浸润性能,从而改善了碳纤维与环氧树脂间的界面粘结性能,使碳纤维/环氧树脂复合材料的横向拉伸强度显著改善,但纵向拉伸强度影响不大;与未经过表面处理的复合材料相比,经过硅溶胶改性处理的碳纤维/环氧树脂复合材料其横向拉伸强度提高了62.74%;与用硝酸处理的碳纤维制备的复合材料相比,用硝酸处理后再用硅溶胶处理的碳纤维所制备的复合材料,其横向拉伸强度提高了35.27%。     

三维编织玄武岩/环氧树脂复合材料在温度场下的高应变率压缩试验

研究了三维编织玄武岩长丝纤维束增强环氧树脂复合材料在23、60、90、120、150、210℃温度场下和不同应变率范围(1 300~1 600、1 600~2 000、2 000~2 300s-1)内的面外/面内冲击压缩响应特征。结果表明:试验温度高于或低于树脂玻璃化温度决定面外/面内冲击压缩的应力-应变曲线走势特征,即使试验条件(温度和气压)一致,面外冲击压缩与面内冲击压缩应力-应变曲线也存在较大差异。温度和应变率对压缩模量、峰值应力、破坏应变、比能量吸收均有不同程度影响。面外和面内压缩的破坏模式存在较大差异,受温度效应和应变率效应影响。     

三维编织复合材料压缩力学性能的实验研究

通过宏观压缩实验,研究了三维四向编织复合材料的抗压力学性能;同时,为了认识其压缩失效机理,对压缩试件的破坏断口进行了扫描电镜分析。实验结果表明:纵向压缩模量比横向压缩模量大得多;影响纵向压缩力学性能的主要参数是材料的编织角,随编织角的变化,复合材料的纵向压缩破坏机理发生了变化,编织角较小时,材料表现为脆性特征;当编织角大于某个角度,材料的应力-应变曲线趋于非线性,延性增加,更多地表现为塑性破坏特征。此外,横向压缩的破坏机理与纵向压缩明显不同。     

碳纤维三维编织复合材料的结构对拉伸和弯曲性能的影响

研究了碳纤维四步法三维四向、三维五向编织结构复合材料的拉伸和弯曲性能,以及结构参数-编织角的变化对其拉伸和弯曲性能的影响,并与层合复合材料作了对比性研究.结果表明,三维编织复合材料具有良好的力学性能,其拉伸强度可达810MPa、拉伸模量可达95.6GPa,弯曲强度可达829.03MPa、弯曲模量可达67.5GPa.同时,编织角和编织结构对复合材料性能有较大的影响.随着编织角的增大,复合材料的拉伸、弯曲强度和模量均减小;三维五向结构的拉伸、弯曲强度和模量均高于四向结构;在纤维体积含量相近的情况下,通过对编织角的设计,可以设计三维编织复合材料的性能.     

碳纤维/TiO2改性树脂复合材料的制备及力学性能

针对环氧树脂脆性大、与碳纤维形成的界面性能较差等问题,本文选用纳米TiO₂对5284环氧树脂进行改性,并以角联锁机织物为增强体制备了碳纤维/环氧树脂复合材料。使用FT-IR、旋转流变仪、表面张力仪等设备对TiO₂/环氧树脂进行表征,并研究了树脂改性对复合材料压缩与层间剪切性能的影响。研究表明:TiO₂的羟基与环氧树脂的环氧基和羟基发生了反应;经1wt.%TiO₂改性的树脂复数黏度为0.066 Pa·s,纤维与树脂间接触角为28.85°,浸润效果较好;相较于未改性复合材料,树脂改性的复合材料纵向压缩强度与模量分别提高了7.46%和11.03%,横向压缩强度与模量分别提高了6.99%和4.96%,纵向、横向的剪切强度分别提高了6.88%和4.65%。TiO₂改性环氧树脂提高了复合材料的承载能力,改善了界面结合强度。     

编织角和承载方向对三维四向编织复合材料动态压缩性能的影响

利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对三维四向编织碳纤维增强树脂基复合材料的动态压缩性能进行了研究。通过对编织角为20°、30°和45°的试验件分别进行沿纵向、横向和厚度方向的动态压缩试验,得到材料在800~2 000/s应变率范围内的应力-应变曲线,并与准静态压缩试验结果进行对比,研究了应变率、压缩方向及编织角对材料极限强度和弹性模量的影响。结合高速摄影记录的动态压缩过程,进一步分析了不同情况下材料的破坏模式与破坏过程。结果表明：应变率越高,材料的极限强度和弹性模量越大,材料在受压的三个方向上均具有一定的应变率强化效应,且高应变率下表现出比准静态压缩时更明显的脆性;编织角的改变对材料在三个方向上的动态压缩性能均有影响,其中对纵向的影响最为明显;不同方向受压时材料的失效形式不同,且准静态和高应变率下的失效形式也有区别。     

考虑纤维随机分布的复合材料热残余应力分析及其对横向力学性能的影响

建立了考虑纤维随机分布并包含界面的复合材料微观力学数值模型,模拟玻璃纤维/环氧复合材料固化过程中的热残余应力。通过与纤维周期性分布模型的计算结果进行对比,发现纤维分布形式会对复合材料的热残余应力产生重要影响,纤维随机分布情况下的最大热残余应力明显大于纤维周期性分布的情况下。研究了含热残余应力的复合材料在横向拉伸与压缩载荷下的损伤和破坏过程,结果表明:热残余应力的存在显著影响了复合材料的损伤起始位置和扩展路径,削弱了复合材料的横向拉伸和压缩强度。在横向拉伸载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度有所下降,断裂应变显著降低;在横向压缩载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度略有下降,但失效应变基本保持不变。由于热残余应力的影响,复合材料的横向拉伸和压缩强度分别下降了10.5%和5.2%。      

热氧老化对碳纤维织物增强聚合物基复合材料弯曲性能的影响

为了探索增强体结构对碳纤维增强聚合物基复合材料(CF-PMCs)热氧老化后弯曲性能的影响,对三维四向编织碳纤维/环氧复合材料(简称为三维编织复合材料)和层合平纹碳布/环氧复合材料(简称为层合复合材料)的热氧老化性能进行了研究。利用FTIR、老化失重、弯曲测试和SEM等手段分析了热氧老化前后的试样。结果表明:热氧老化导致基体树脂的氧化断链以及纤维/基体界面结合力的退化是两种复合材料弯曲强度和弯曲模量下降的原因,弯曲强度比弯曲模量更容易受热氧老化的影响。在相同的热氧老化条件下,层合复合材料的热氧老化失重大于三维编织复合材料的,而三维编织复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率均大于层合复合材料的。在140℃下老化1 200h后,层合复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率分别为74.7%和88.3%,而对应的三维编织复合材料的分别为79.4%和91.5%。因此,采用三维编织预制件作为CF-PMCs的增强体是一种有效的提高其热氧稳定性的方法。     

三维编织碳/环氧复合材料力学性能测试及破坏机制

通过宏观拉压试验, 研究了三维正交编织碳/环氧复合材料的拉伸和压缩力学性能。对试验过程进行了声发射分析, 对断口进行了扫描电镜观察分析, 给出了该类材料的拉伸和压缩破坏机制。结果表明: 三维正交编织碳/环氧复合材料有良好的拉伸和压缩力学性能; 三维正交编织复合材料在拉伸和压缩载荷作用下的断裂均为脆性断裂, 拉伸试验的主要破坏现象是纤维断裂拔出, 而压缩试验则是纤维剪切破坏; 通过声发射参数分析可以基本判定该类材料损伤过程中的损伤类型。     

Accelerated thermal ageing of epoxy resin and 3-D carbon fiber/epoxy braided composites

This paper reports the accelerated thermal ageing behaviors of pure epoxy resin and 3-D carbon fiber/epoxy braided composites. Specimens have been aged in air at 90 °C, 110 °C, 120 °C, 130 °C and 180 °C. Microscopy observations and attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectrometry analyses revealed that the epoxy resin oxidative degradation only occurred within the surface regions. The surface oxidized layer protects inner resin from further oxidation. Both the resin degradation and resin stiffening caused by post-curing effects will influence the compression behaviors. For the braided composite, the matrix ageing is the main ageing mode at temperatures lower than glass transition temperatures (T_g) of the pure epoxy resin, while the fiber/matrix interface debonding could be observed at the temperatures higher than T_g, such as the temperature of 180 °C. The combination of matrix degradation and fiber/resin interface cracking leads to the continuous reduction of compressive behaviors.