不规则孔隙对复合材料横向拉伸力学性能的影响

本文主要研究分析了不规则形状孔隙对复合材料单向板横向拉伸力学性能的影响。首先通过C++编写不规则孔隙随机分布算法。然后通过Python参数化生成包含随机分布纤维和不规则孔隙的重复胞元（Repeating unit cell,RUC）。最后使用有限单元法（Finite element method）分析研究了不规则孔隙对单向板横向拉伸性能（横向弹性模量和横向拉伸强度）的影响。研究结果显示,孔隙的形状会影响单向板的初始损伤、损伤扩展和最终破坏。随着孔隙率的增大,横向弹性模量和横向拉伸强度都减小。相对于横向弹性模量,孔隙率对横向拉伸强度的影响较大。      

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.     

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%。     

热残余应力对考虑微观孔隙碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能的影响

为研究由于材料固化产生的热残余应力对碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能预测结果的影响,发展了一种基于摄动算法的纤维和孔洞随机分布代表性体积单元（RVE）生成方法,建立更加接近真实材料微观结构的RVE模型。通过施加周期性边界条件,并赋予组分（纤维、基体和界面）材料本构关系,进而实现温度和机械荷载下模型的热残余应力和损伤失效分析。从结果中发现,材料固化过程会在纤维之间产生残余压应力,在模型孔隙周围产生沿加载方向的残余拉应力。所建立不含孔隙RVE模型的失效均是由于界面脱黏引起,材料固化在纤维之间产生的残余压应力会增加模型的预测强度。含有孔隙的RVE模型失效起始于孔隙周围的基体中,而材料固化在模型孔隙周围产生的热残余拉应力对含孔隙RVE模型预测的失效强度有降低作用。对于具有不同孔隙尺寸的RVE模型,模型的失效强度随着孔隙尺寸的增加而不断降低,但是热残余应力减弱了孔隙尺寸对模型预测结果的降低作用。对于具有不同长宽比椭圆形孔隙的RVE模型,热残余应力增加了孔隙长宽比对模型强度的降低作用。      

孔隙对碳/环氧层压板层间剪切强度影响的神经网络预测(英文)

采用一种新的方法研究了孔隙(孔隙率、孔隙形状和尺寸)对复合材料层压板[(±45)4/(0,90)/(±45)2]S,[(±45)/(0,90)2/(±45)]S和[(±45)/04/(0,90)/02]S的层间剪切强度影响的非线性关系。建立了了一个四层前馈型BP网络神经网络。采用真空袋和热压罐技术制备了含不同孔隙率的复合材料层压板。神经网络的算法为Levenberg-Marquardt算法。研究结果表明:Levenberg-Marquardt算法的预测能力较高,即,92%的B(决定系数)值大于0.9。而且,神经网络的结构会影响不同孔隙率的环氧树脂基复合材料的层间剪切强度的预测结果。     

碳纤维复合材料 (CFRP) 孔隙的形态特征

对碳纤维复合材料内孔隙的微观形态进行了观察和图像分析,并对孔隙的形态特征进行了统计分析。结果表明,在碳纤维复合材料中孔隙大多发生在层间,而且会沿层间发展,孔隙的面积和长度都会随孔隙率的增加而增加。孔隙率越大孔隙的宽长比越小,形状越细;而孔隙率越小孔隙的宽长比则越大,形状更加接近圆形,而且分布比较分散。      

基于纤维束/环氧树脂复合材料试验的单向层合板横向拉伸强度预测方法

实验研究表明,纤维束/环氧树脂复合材料试件的横向拉伸强度与工程上常用的单向层合板横向拉伸强度在趋势上具有很好的相关性,但是数值上存在一定差距。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了三种纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板,并分别测量了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度,以及环氧基体的拉伸强度。在实验基础上,应用Griffith断裂强度理论建立了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度的关系模型,通过两种复合材料实验的结果拟合了该模型中的参数。利用第三种复合材料实验进行校验,发现该模型预测的单向层合板横向拉伸强度与实测强度之间达到很好的一致性,相对偏差为9%。采用本文提出的方法,可以用较为简单的纤维束/环氧树脂复合材料和环氧基体拉伸试验预测单向层合板的横向拉伸强度。     

高强度、高模量碳纤维复合材料拉伸性能测试方法的研究

利用INSTRON-6025电子万能试验机，对高强度、高模量碳纤维复合材料单向板进行了拉伸性能测试。结果表明，不同试样尺寸、不同铺层层数和试验加载方式、试样装卡对高强度、高模量碳纤维复合材料单向板拉伸性能测试结果有影响；试样尺寸的改变、铺层层数的不同对拉伸强度性能有影响。     

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。      

微波固化碳纤维/环氧树脂复合材料NOL环及其力学性能

采用微波固化技术,对碳纤维/环氧树脂复合材料NOL环进行了固化试验研究。综合运用红外光谱、微观CT扫描系统、力学拉伸试验机和扫描电子显微镜等试验方法分析材料的固化行为、微观形态及力学性能,并与传统热固化试样进行了对比。研究结果表明,微波固化方式与传统热固化方式的固化机理不同,微波固化可显著缩短固化周期;微波固化过程中未引入新的化学反应,且2种固化方式所获得的固化产物化学结构相同;CT扫描分析揭示出微波功率的大小对碳纤维复合材料孔隙率有着重要的影响;在相同固化温度条件下,微波固化复合材料NOL环的拉伸强度和层间剪切强度均低于热固化复合材料,这主要归因于微波固化复合材料具有较大的孔隙率;扫描电镜分析表明微波固化复合材料树脂和纤维的粘接情况要稍好于热固化复合材料。     

碳纤维-玻璃纤维层内混杂单向增强环氧树脂复合材料拉伸性能

采用不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维层内经向混编单轴向织物制备了混杂纤维增强环氧树脂复合材料, 研究了不同混杂结构和不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能的变化及破坏形式。0°拉伸结果表明:同种混杂织物的不同混杂结构中, 碳纤维相对集中的完全对齐结构强度最高, 不同混杂比织物的完全对齐结构强度相当;碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的模量遵循混合定律。90°拉伸结果表明:纤维与树脂间的界面结合强度为碳纤维/树脂>玻璃纤维/树脂, 碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的强度、模量与材料厚度方向上界面的不同形式(单一或交替界面、碳纤维或玻璃纤维的分布位置等)有关, 与碳纤维的含量基本无关。      

含孔隙复合材料超声衰减分析的细观有限元模型

基于DIGIMAT/FE建立含孔隙复合材料细观模型,模型涵盖纤维、树脂和孔隙三相,有效反映了复合材料真实的微结构和细观材料属性,结合通用的ABAQUS/EXPLICIT对细观模型施加超声波激励。通过提取超声波在材料内传播云图,建立了单向连续纤维增强复合材料超声衰减和孔隙率的关系。以T800/环氧树脂复合材料体系为例,研究孔隙尺寸对超声衰减系数模拟结果的影响,并将数值模拟结果与解析模型得到的经验关系进行对比,验证了模型的有效性。该方法能够有效地指导实验过程,为降低复合材料孔隙率、提高其性能提供理论依据。     

单向连续碳纤维-玻璃纤维层间混杂增强环氧树脂基复合材料的力学性能

为了研究连续单向纤维的层间混杂方式对复合材料力学性能及破坏方式的影响,采用碳纤维-玻璃纤维体积比为1∶1,以拉-挤成型法制备了具有不同层间混杂结构的连续单向纤维增强环氧树脂基复合材料,并研究了不同层间混杂结构的连续单向碳纤维-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能及破坏形式。结果表明：具有层间混杂结构的复合材料抗拉强度处于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料之间,复合材料的拉伸断裂方式为劈裂;具有层间混杂结构的复合材料的层间剪切强度均优于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的剪切断裂方式为层间断裂。     

基于内聚力模型的形状记忆合金短纤维增强树脂基复合材料的模拟分析

通过单纤维拔出实验和单轴拉伸实验, 测定了形状记忆合金(SMA)增强树脂基复合材料的界面脱粘剪切强度和单向随机分布SMA短纤维增强复合材料的拉伸强度。根据蒙特卡罗法和边界条件控制方程, 编写了适于软件调用的单向随机分布短纤维增强复合材料的APDL语言生成程序, 建立数值模拟模型。基于指数型内聚力模型, 对SMA纤维与环氧树脂基体界面分离(即界面脱粘)过程进行了有限元模拟。结果表明: 相同纤维体积分数下, 随着纤维长细比的减小, 复合材料整体弹性模量逐渐降低; 温度驱使SMA纤维弹性模量发生变化, 可以有效提高复合材料整体弹性模量。     

Strength of unidirectional glass/epoxy composite with silica nanoparticle-enhanced matrix

A technique was developed to improve the strength of unidirectional composites by enhancing the matrix properties through nanoparticles infusion. A commercially available standard DGEBA epoxy with silica nanoparticles (Nanopox F 400) was used as the matrix to make fiber composites. The silica nanoparticles in Nanopox were grown in situ via a sol–gel process resulting in a concentration of 40 wt% which was later diluted to 15 wt% particle loading. TEM images showed very uniform dispersion of silica nanoparticles with a size distribution of about 20 nm. Compression test revealed a substantial improvement (40%) in elastic modulus of the modified epoxy. A modified vacuum assisted resin transfer molding process was used to fabricate unidirectional E-glass fiber reinforced silica/epoxy nanocomposites. Inclusion of silica nanoparticles dramatically increased the longitudinal compressive strength and moderately increased the longitudinal and transverse tensile strengths. A microbuckling model was used to verify the compression testing results.     

双随机分布细观分析模型与复合材料性能预报

发展了一种细观力学有限元分析方法——拟真实的参数化双随机分布模型, 该模型综合考虑了纤维增强树脂基复合材料的真实微结构特点和纤维单丝综合力学性能测试结果的离散性特征, 模拟了复合材料中纤维排列和强度分布的随机性。借助移动窗口法研究了该参数化双随机分布模型的可靠性, 确定了其代表性体积单元的尺寸。基于能量法原理推导了单向复合材料的弹性模量预测公式, 结合能量法和渐进失效分析方法, 利用该细观力学有限元方法分别预测了单向纤维增强树脂基复合材料T300/5228的弹性模量和强度性能。数值模拟结果和大部分试验结果吻合良好, 表明发展的细观力学有限元方法能够较好地预测复合材料的力学性能。      

Evaluation of the transverse flexure test method for composite materials

A preliminary evaluation of the transverse flexure test method was conducted, using unsized AU4 and AS4, and epoxy-sized AS4, carbon fiber/EPON 828 epoxy matrix composite materials. The transverse flexure test yielded significantly higher values of the transverse tensile strength of these unidirectional composites than did the standard transverse tensile test. Furthermore, the transverse flexure test was more sensitive to variations in fiber surface treatment and sizing, indicating its potential as a test for characterization of the tensile strength of the fiber-matrix interfacial bond.