不同结构UHMWPE纤维纬编针织复合材料弯曲性能

以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维为原料,在电脑横机上编织出较理想的UHMWPE纤维纬平针、罗纹、畦编针织结构织物.采用VARTM工艺、(0°,90°)3s铺层方式成功制备了六层纬平针、六层罗纹以及六层畦编UHMWPE纤维纬编针织复合材料板.对三种复合材料板的弯曲性能及其影响因素进行研究,比较并分析其弯曲应力-挠度变化曲线和破坏形式.结果表明:三种UHMWPE纤维纬编针织结构增强复合材料的弯曲应力-挠度曲线具有非线性特征,曲线均类似于抛物线;其中,纬平针织结构复合材料的弯曲强度最大,罗纹次之,畦编最小;承受弯曲破坏的主要是树脂基体,没有出现增强体断裂、撕开等现象,表明由高强聚乙烯纤维制成的增强体材料具有较强的韧性与较高的强力.     

UHMWPE纤维纬编针织复合材料的制备工艺研究

以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维为原料,实现其在电脑横机上的编织,将6层纬平针织物、6层罗纹织物以及6层畦编织物分别通过真空辅助树脂传递模塑成型技术(VARTM)复合成复合材料板。VARTM工艺的最大优点是模具简单、成本低、模具抽真空形成负压使纤维与树脂分布更均匀。综合考虑UHMWPE纤维特点及VARTM工艺的工艺条件,实验用树脂为粘度低、浸润性好的环氧树脂;为使制备的复合材料均衡对称,采用(0°,90°)3s铺层方式;成功制备出了比较理想的纬平针、罗纹和畦编UHMWPE纤维纬编针织增强复合材料,为后续UHMWPE纤维纬编针织复合材料力学性能的研究及其拓展领域的应用奠定了一定的理论和实验基础。     

不同层数的超高分子量聚乙烯纬平针织复合材料冲击损伤

研究了不同层数超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维/环氧树脂纬平针织复合材料的冲击性能,并讨论了其冲击损伤模式。复合材料板分别为4、6、8层纬平针织结构,采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺层合而成,以不同的冲击能量(10~55J)冲击复合材料板直至层合板被穿透,得到冲击能量与吸收能量关系图以及接触力-挠度曲线。分析了不同冲击能量下,复合材料中织物的损伤形式和破坏过程。研究结果表明:在3种针织结构复合材料中,8层纬平针织结构承受载荷的能力最强,6层纬平针织结构次之,4层纬平针织结构最差;随着冲击能量的增加,3种试样的冲击挠度均增大;基体开裂、纤维断裂是试样被渗透时有效的损伤模式,基体和纤维断裂是试样被穿孔时有效的损伤模式。     

苎麻纬编针织复合材料的研制

用RTM成型工艺对用苎麻和玻璃纤维设计、织造的米拉诺罗纹加衬纬和变化畦编加衬纬纬编针织物与树脂进行复合，并测试和分析了织物复合前后的拉伸性能。结果发现，纬编针织复合材料的拉伸性能主要取决于衬纬纱；变化畦编加衬纬复合材料的强度比米拉诺加衬纬的高；苎麻纤维织物的刚度影响复合材料的增强效果。     

织物增强相对复合材料冲击压缩性质的影响

分别采用材料试验机（MTS）和分离式霍普金斯压杆（SPHB）测试系统研究二维平纹层压复合材料（2DWCs）、三维正交复合材料（3DOWCs）和三维编织复合材料（3DBCs）在准静态和高应变率压缩载荷下的力学响应和破坏形态。通过应力-应变曲线研究三种织物结构增强树脂基复合材料的应变率效应、应变率敏感性和能量吸收性质。通过破坏形态研究三种织物增强树脂基复合材料的破坏机制。结果显示:三种复合材料都具有明显的应变率效应。面外压缩时,2DWCs的压缩刚度、强度及应变率敏感性都最高,而3DBCs最弱;但当应变率大于1 500 s-1后,3DBCs能量吸收能力最强,2DWCs能量吸收能力最弱;2DWCs增强相和3DOWCs增强相以剪切断裂形式为主,3DBCs增强相以"坍塌"压扁形式为主。面内压缩时,2DWCs的面内压缩刚度最大而面内能量吸收能力最弱,3DOWCs的面内压缩强度最高,3DBCs的断裂应变最大、面内能量吸收能力及应变率敏感性最高,2DWCs增强相以分层破坏为主,3DOWCs和3DBCs以端面膨胀破坏为主。      

UHMWPE交织双轴向纬编复合材料高应变率压缩性能研究

利用SHPB装置对UHMWPE交织双轴向纬编针织物/乙烯基酯树脂复合材料进行了高应变率压缩实验,研究了该材料的应变率效应和能量吸收.结果表明:等离子体处理后,复合材料的高应变率压缩性能有了较大的提高,放电功率100W是一个较为合适的处理条件.UHMWPE交织双轴向纬编复合材料呈现出一定的应变率敏感性:随着应变率的增加,最大应力、压缩模量、断裂应变能密度相应增大.由于交织双轴向纬编结构中的针织线圈及经纬纱交织作用,其具有较好的抗冲击性能.     

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。     

三维正交机织复合材料的动态压缩性能

本文作者利用分离式Hopkinson压杆装置对玻璃纤维三维正交机织复合材料进行了高应变率下面外、面内方向的压缩试验,并在万能试验机下进行了相应的准静态压缩。获得3 个高应变率及准静态下的应力-应变曲线,观察了试样的破坏形貌。结果表明：玻纤三维正交机织复合材料是应变率敏感材料,最大应力、压缩模量随着应变率的增大而增大。三维正交结构使复合材料体现出各向异性：面外的最大应力、失效应变比面内大;面内的压缩模量大于面外,且压缩模量对于应变率的变化比面外方向敏感;经纬向相比,纬向的最大应力大于经向。     

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.     

2.5D机织复合材料的渐进损伤与失效模拟

为了研究典型2.5D机织复合材料的压缩性能,开展了复合材料单胞结构的经向和纬向压缩实验,并通过对材料编织结构的细观表征,建立了细观尺度的单胞有限元模型来模拟压缩载荷下单胞内部的变形及渐进失效过程。结果表明,2.5D机织复合材料在受压时表现出明显的非线性力学响应,材料沿经向的压缩模量和强度均高于纬向;经向压缩时材料的主要破坏模式有经纱的横向开裂、纤维束间的界面分层破坏、纬纱的压溃及基体的开裂,纬向压缩时出现的主要破坏模式是纬纱的压溃、纬纱纤维束的断裂及基体开裂;通过对比试验与有限元结果,认为所建立的细观有限元模型能够准确预测材料单胞在压缩载荷下的应力-应变响应,并且能够模拟编织结构中的损伤起始和演化过程。      

2.5D机织复合材料压缩性能实验与数值模拟

为了研究2.5D机织复合材料的压缩损伤和失效机制,验证双尺度渐进损伤有限元数值模拟方法的有效性,对这类复合材料分别沿经纱方向和纬纱方向进行了准静态压缩实验,获得了其相应的应力-应变曲线,并测定了材料的初始弹性模量和极限强度。在此基础上,利用双尺度渐进损伤有限元数值方法模拟分析了材料的压缩应力-应变响应和损伤演化行为,取得了与实验吻合较好的模拟结果。结果表明:2.5D机织复合材料在纬向压缩下的主要失效模式是纬纱的轴向压溃与断裂,可获得相对较高的压缩强度;但在经向压缩下,经纱因弯曲会承受附加弯矩作用,从而对周围基体造成挤压,故在经纱轴向断裂之前容易出现经纱之间基体的压溃和纱线之间的分层开裂,使强度降低,不利于发挥纤维的承载优势。     

The effects of deforming knitted glass fabrics on the basic composite mechanical properties

The effects of deforming knitted fabrics on the tensile and compressive properties of their composites have been investigated for the weft-knit Milano rib fibre architecture. The properties have been studied for both the course and wale directions for composites with fabrics deformed in either of the two directions. It was found that any change in the mechanical properties of the deformed composites with respect to their undeformed counterpart is strongly related to the changes in the knit structure brought about by the induced deformation to the knitted fabric. Deformation in the knitted fabric also affects the tensile fracture mode whereby increased deformation, be it wale- or course-wise, transforms transverse fracture to shear fracture in either loading axis. On the contrary, the compressive fracture mode is insensitive to fabric deformation. Fractographic studies using stereo-optical and scanning electron microscopy have further revealed that tensile failure is caused by fibre breakages occurring at two locations of the knitted loops—one, at the leg components and, two, at fibre crossover points, whilst compression failure is controlled by Euler buckling of the looped fibres of the knitted composite. All these characteristics were revealed to be related to the microstructure of the knitted composite laminates.     

Tensile properties of multilayer-connected biaxial weft knitted fabric reinforced composites for carbon fibers

Multilayered-connected biaxial weft knitted (MBWK) fabric reinforced composites have excellent tensile properties. Three kinds of different fabrics reinforced composites are used in this paper, which are three-layer-connected biaxial weft knitted fabric, four-layer-connected biaxial weft knitted fabric and five-layer-connected biaxial weft knitted fabric. The tensile properties of MBWK fabrics reinforced composites are studied with 0° and 90° directional testing with different carbon fiber volume fractions. The results show that the carbon fiber volume fraction has significant effect on tensile strength of MBWK fabrics reinforced composites. The linear correlation between tensile strength and carbon fiber volume fraction is very well in the certain range, and failure analyses are also available by means of sample debris examination to identify the failure modes and the fracture surfaces.     

织物结构对复合材料力学性能影响的试验研究

为探讨不同结构形式织物对复合材料力学性能的影响及其损伤破坏机制之间的差异,通过宏观拉压试验,研究了经编及平纹碳纤维织物增强树脂基复合材料的拉伸及压缩力学性能,并利用声发射对试验过程进行实时监测,对破坏后的断口进行显微镜观察分析,分别给出了两种材料的拉伸和压缩破坏机制.研究结果表明:织物结构形式对复合材料的力学性能有较大影响,与经编织物复合材料相比,平纹织物复合材料的拉伸、压缩强度均较低,且其拉伸、压缩破坏试样的断口相对齐平,分层现象不明显;根据声发射监测结果可以判定两种复合材料损伤过程中的损伤类型,与经编织物相比,平纹织物复合材料拉/压过程中的声发射电压信号相对稳定且整体强度较低.     

Effects of biaxial deformation of the knitted glass preform on the in-plane mechanical properties of the composite

The effect of biaxially deforming a weft-knit Milano rib fabric on the overall composite tensile and compressive properties has been studied for a glass/vinyl-ester knitted composite. A range of combinations of wale and course stretch ratios was considered. It was found that the tensile modulus, strength and strain-to-failure were all affected to varying degrees by fabric deformation, whereas the compression properties of these structures, on the whole, appeared to be closer to isotropic and relatively insensitive to fabric deformation. This latter observation is believed to be due to the dominance of the matrix properties. Despite not detecting any gross changes in the knit structure, it is believed that some re-distribution and re-orientation of the fibres did occur during fabric deformation, which in turn altered the relative contents and/or directionality of the fibres in the composites. Consequently, the tensile properties were affected by the stretching of the knitted fabric. Post failure microscopy revealed that tensile fracture typically occurred in the vicinity of the highly stressed crossover points of the knit structure. A feature of the compressive failure was kinking of the highly bent yarns, particularly in resin rich regions having reduced lateral support for yarns.