复合材料用玄武岩纤维耐酸碱性实验研究

考察了国产BF-CSH-01玄武岩纤维的耐酸碱性能, 对其在80℃ 2mol/L盐酸和氢氧化钠溶液中腐蚀不同周期后的质量变化、 单丝强度、 丝束拉伸性能及复合材料弯曲性能进行了实验研究, 并与前期研究的国产BF-CMD-01玄武岩纤维的耐酸碱性进行了对比。结果表明, BF-CSH-01玄武岩纤维耐酸性能优于其耐碱性能, 与BF-CMD-01纤维耐酸碱性相反。BF-CSH-01纤维酸碱腐蚀过程中的质量和强度下降规律存在较大差异: 在酸性介质中, 纤维强度及质量均缓慢降低, 而在碱性介质中, 纤维质量损失很少时强度即有大幅下降。 BF-CSH-01丝束拉伸强度和复合材料弯曲强度受酸碱腐蚀影响较大, 与单丝强度的变化规律一致, 而模量下降较小。      

2D-SiCf/SiC复合材料抗拉强度统计分布规律

2D-SiC_f/SiC复合材料是航空航天领域热端构件的关键材料。材料抗拉强度的统计分布规律在构件的设计与分析中发挥着重要作用。本文测试了化学气相渗透方法制备的2D-SiC_f/SiC的室温和1 200℃的抗拉强度,并使用扫描电子显微镜进行了断口形貌分析。采用Weibull分布、正态分布和对数正态分布等三种模型分析了测试结果,并根据Anderson-Darling检验方法进行了检验。结果表明,Weibull分布对2D-SiC_f/SiC抗拉强度拟合优于正态分布和对数正态分布。根据Weibull模数大小,1 200℃抗拉强度的分散性大于室温抗拉强度的分散性。利用二参数Weibull分布精确预测了2D-SiC_f/SiC室温和1 200℃抗拉强度。分析表明2D-SiC_f/SiC抗拉强度的分散性主要来源于纤维/基体界面结合强度和纤维强度的分散性。      

经编用钼丝纤维强力的概率分布分析

钼丝是用于制造空间可展开网状天线反射体的关键材料之一,具有高强度、低伸长、低热膨胀系数等特性。对钼丝纤维分别在3种不同拉伸隔距下进行强力测试与统计分析,发现钼丝纤维强力符合二参数和三参数的Weibull分布规律,并且更适合采用三参数Weibull分布来描述;随着拉伸隔距的增加,钼丝纤维的强度下降,强度分散性减小,表现出...     

经编用钼丝纤维强力的概率分布分析

钼丝是用于制造空间可展开网状天线反射体的关键材料之一,具有高强度、低伸长、低热膨胀系数等特性。对钼丝纤维分别在3种不同拉伸隔距下进行强力测试与统计分析,发现钼丝纤维强力符合二参数和三参数的Weibull分布规律,并且更适合采用三参数Weibull分布来描述;随着拉伸隔距的增加,钼丝纤维的强度下降,强度分散性减小,表现出明显的尺寸效应。     

石英纤维及其 Mini复合材料强度及分布规律

针对国产石英纤维强度，本工作采用液相浸渍法（硅溶胶、石英浆料和氮化硅浆料）制得Mini复合材料，利用两参数Weibull分布，对其强度及分布进行了研究，采用Kolmogrov非参数检验对其分布进行了检验．同时研究了热处理对纤维束强度分布的影响．结果表明，可用两参数Weibull分布表征纤维束及其Mini复合材料强度分布．热处理使纤维强度急剧下降，且强度分散性变大；相同处理温度下，由硅溶胶制得的Mini复合材料强度较高，分散性较小；而石英或氮化硅浆料制备的Mini复合材料强度较低．     

剑麻/聚丙烯复合材料的冲击性能及其预测

采用注塑工艺制备剑麻纤维增强聚丙烯复合材料,研究纤维含量、长度及其分布、不同基体树脂和相容剂类型等对复合材料冲击性能的影响。分析单纤维强度的分散性,采用修正的Weibull分布模型估算临界纤维强度,并对复合材料的冲击强度进行预测。结果表明：剑麻/聚丙烯的冲击强度随纤维含量增加而升高,树脂基体的性质对冲击强度具有显著的作用;界面层为刚性层的相容剂MAPP对冲击强度具有负作用,而界面层为柔性层的相容剂PP-g-GMA对冲击强度具有提高作用;同等含量下,使用PP-g-GMA后复合材料的冲击强度比使用MAPP提高21.7%。通过KH550硅烷溶液处理后的纤维与PP-g-GMA反应,在界面处引入更加柔性的界面层,使冲击强度比引入MAPP提高50.7%。将纤维取向因子引入冲击强度模型后,预测值与实测值符合较好。     

Weibull分布理论在硼纤维及B/Al复合材料中的应用

本文采用单一Weibull统计分布函数来描述硼纤维拉伸强度的分散性,发现具有不同断裂机制的缺陷所引发的断裂其拉伸强度分布分别符合Weibull分布,并具有各自独特的形态和参数;对热压复合前后的硼纤维的拉伸强度分布特征进行分析比较,结果表明热压复合过程对纤维的性能及拉伸强度分布特征有一定的影响,这主要是因为热压改变了纤维内部缺陷的类型和分布.本文还就以上研究结论在硼纤维的生产及其产品的性能表征方法、B/Al复合材料性能的非破坏性评估方法上的应用进行了讨论.     

在碳化硅基复合材料中碳纤维的就位强度

在对用断裂镜面法(fracture mirror method)评估纤维就位强度(in-situ strength)的方法进行了评述之后,对此方法进行了修正,即采用纤维束试验确定镜面常数, 将标距长度定义为两倍纤维拔出长度与两倍失效长度之和,采用分级平均统计分析方法确定纤维就位强度的Weibull参数和平均强度。采用修正的断裂镜面法,对聚合物先驱体转化法制备的M40JB纤维增强的碳化硅基复合材料中M40JB纤维的就位强度进行了分析,得到了M40JB纤维的Weibull参数和平均强度,并与未修正的断裂镜面法得到的结果进行了比较。      

Kevlar49单丝和单束的随机破坏及有限元模拟

为研究不同尺度下Kevlar49单丝(微观)和单束(细观)的拉伸力学性能,首先,分别采用MTI微型拉伸试验机和MTS微机控制电子万能试验机对纤维丝和纤维束进行了单向拉伸试验,发现纤维丝和纤维束的力学性能与试样的标距及结构尺度存在很大相关性,试样的拉伸强度会随着其标距的增加和结构尺度从纤维丝增大到纤维束而降低;随后,按照Weibull分布对试验数据进行统计分析,量化了不同标距下纤维丝和纤维束拉伸强度的随机变化程度;接着,考虑到纤维丝的拉伸强度符合Weibull分布随机破坏,利用ANSYS中的用户自定义子程序(USERMAT)建立了纤维丝本构模型;最后,采用纤维丝本构模型模拟纤维束的拉伸破坏行为,并讨论了关键参数对纤维束拉伸破坏行为的影响。结果表明:纤维束的模拟结果与试验结果吻合程度较好,所建模型可以较准确地预测纤维束的拉伸性能。      

用Weibull 方法评价化学介质对PBO 纤维统计强度的影响

以Weibull 统计模型和最弱连接理论为基础, 研究了经6 种化学介质处理的5 cm 长PBO 单纤维的统计强度及强度分布, 并与未经处理的PBO 纤维比较。用SEM 对纤维表面进行了观察, 分析了其强度变化的原因。结果表明, 酸性介质对PBO 纤维强度及强度分散性影响较大, 且盐酸和硫酸对纤维的破坏有不同的机理。      

蜂窝夹层结构真空袋共固化工艺过程实验研究

针对蜂窝夹层板的共固化工艺 , 以玻纤/环氧 648复合材料为面板 , 以 Nomex蜂窝为夹芯材料 , 采用真空袋法研究了树脂流动对胶瘤面积和面板孔隙缺陷的影响 , 并通过平拉强度的测试考察了胶接强度与胶瘤面积之间的关系。结果表明: 胶瘤面积随加压时机的推迟先增大后减小 , 并且下面板/芯材胶瘤面积要大于上面板/芯材胶瘤面积 ; 在树脂黏度变化的不同阶段 , 面板中的孔隙消除机制不同 , 并与密封袋内抽气通路的分布有关。力学测试结果发现 , 胶瘤面积的增大有利于平拉强度的提高 , 但当胶接强度超过蜂窝抗拉强度时 , 平拉强度的测试方法存在局限性。      

玄武岩纤维混凝土的动态力学性能

采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆 (SHPB) 试验装置研究了不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土在不同应变率下的冲击压缩力学性能 , 并对试验的有效性进行了分析。结果表明: 玄武岩纤维混凝土的动态强度增长因子与平均应变率的对数近似呈线性关系 , 强度与变形能力随平均应变率的提高而线性增加 , 体现了很强的应变率相关性 ; 纤维体积掺量为 0. 1 %的玄武岩纤维混凝土较素混凝土的动态抗压强度提高了 26 % , 变形能力提高了 14 %; 纤维体积掺量分别为 0. 2 %、 0. 3 %的玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度比素混凝土高出 25 %左右 , 而变形能力较素混凝土无明显优势 ; 在玄武岩纤维混凝土的 SHPB试验中 , 试件破坏时刻为 123. 3～239.μ45 s , 近似恒应变率加载时间比例约为 62 % , 且应变率曲线的波动范围控制在 23 %左右 , 能够较好地满足应力均匀分布及恒应变率加载要求 , 表明 SHPB试验结果可靠。      

复合材料变厚层板热压成型缺陷类型与成因实验研究

采用热压机工艺与热压罐工艺两种成型方法制备了玻璃纤维/环氧 648 变厚度层板 , 研究了两种工艺下缺陷的形成机制及铺层方式和变厚梯度对缺陷程度和分布的影响。结果表明 : 纤维分布不均、 富树脂、 分层是主要缺陷类型 , 其中纤维分布不均由树脂二维流动引起 , 并与纤维不连续区、 纤维层渗透特性以及外压的均匀性有关; 富树脂主要是纤维的不连续性造成的 ; 而分层缺陷与纤维分布和热膨胀各向异性紧密相关。研究结果对变厚度复合材料层板的缺陷消除和成型质量控制有重要的指导意义。      

Study of strength and its reliability of SiC fiber bundle by experimental and Monte-Carlo simulation approach

Tensile tests and Monte-Carlo simulation on the strength and its reliability of the SiC_CVD (formed by chemical vapor deposition) fiber bundle were performed. The experimental and simulation results were compared and analyzed by fiber bundle strength theories. The experimental results showed that the strength of the SiC_CVD fiber bundle was decreased as the number of fibers in the bundle was increased; while in the process, Weibull shape parameter of the bundle strength was increased. The experimental results were in good agreement with the Monte-Carlo simulation. In addition, Monte-Carlo simulation was used to clarify the detailed relationship between the strength of the SiC_CVD bundle and the number of fibers in the bundle and the simulation results were compared with that of Coleman theory. The comparison revealed that the strength of the SiC_CVD bundle converged to the value of Coleman theory as the number of fibers in the bundle increased; at the same time, the rate of convergence was increased as Weibull shape parameter was increased. Furthermore, the relationship between the strength of the SiC_CVD fiber bundle and Weibull shape parameter of the SiC_CVD fiber strength was also examined. It was found that the strength of the SiC_CVD fiber bundle increased as Weibull shape parameter was increased although the number of fibers in the bundle was countable. Finally, the breaking-down process and the number of broken-fibers in the bundle depended on the number of fibers the bundle and Weibull shape parameter of the SiC_CVD fiber strength.     

L 形复合材料层板热压工艺密实变形过程的数值模拟

基于 Biot 固结原理和达西定律 , 建立了二维树脂流动与纤维密实模型 , 采用有限元方法实现了 L 形层板热压成型过程树脂压力分布、 层板变形的预测。通过对 AS4 炭纤维/环氧 350126 等厚层板厚度变化的模拟结果与实验数据的对比分析 , 证明了数学模型和有限元程序的可靠性。以阳模成型 90° 铺层 S22玻璃纤维/环氧 648L 形层板为例 , 对工艺过程层板厚度变化进行了分析。模拟结果表明 : 剪切模量对拐角以及拐角与平板过渡区域的变形影响较大 ; 平板长度对拐角区域变形影响较明显 , 对平板区的变形影响较小。采用热压罐制备了 90° 铺层S22玻璃纤维/环氧 648阳模成型 L 形层板 , 实验数据表明 , 固化后层板呈现拐角区厚、 平板区薄的厚度不均现象 , 并且平板长度对拐角区厚度变化影响较显著 , 这与数值预测结果具有较好的一致性。     

石墨/ 高铝水泥模压复合材料双极板的特性

采用高铝水泥作为粘结剂, 石墨作为导电填料, 通过室温模压的方法制备了导电复合材料, 拟用于制作质子交换膜燃料电池的双极板。对石墨/ 高铝水泥复合材料双极板的电性能和力学性能的影响因数进行了分析和评价, 并测量了该复合材料双极板的含水量、凝胶毛细孔尺寸分布和氢气渗透性。实验结果表明: 含有60 wt %石墨的石墨/ 高铝水泥模压复合材料双极板的电导率和力学强度基本上可以同时满足质子交换膜燃料电池的使用要求; 并且该复合材料双极板含有凝胶毛细孔, 约具有7 wt %的含水量, 具有自增湿功能; 此外, 氢气渗透率也较低。      

Combined effects of fiber/matrix interface and water absorption on the tribological behaviors of water-lubricated polytetrafluoroethylene-based composites reinforced with carbon and basalt fibers

Tribological behaviors of two PTFE-based composites reinforced with carbon fibers and basalt fibers sliding against stainless steel under water lubrication were investigated and compared with those of pure PTFE. Results showed that carbon fibers were well bonded with PTFE matrix by dendritic PTFE nano-ribbons in a Boston ivy-like manner, but the basalt fibers were poorly bonded with the matrix. Due to the great accelerating effect of poor fiber/matrix interfacial adhesion on water absorption, BF/PTFE with the highest crystallinity unexpectedly showed the highest water absorption, resulting in serious matrix plasticization and degradation of fiber/matrix interfacial adhesion. As a result, as the reinforcement failure of basalt fibers occurred, BF/PTFE exhibited the highest wear rate. Instead, because good fiber/matrix interfacial adhesion was favor of the resistance to water intrusion, CF/PTFE composite was not dominated by remarkable matrix plasticization and fiber/matrix interface degradation, and showed the lowest wear rate.     

Influence of thermal treatment on tensile failure of basalt fibers

In this contribution selected ultimate tensile properties of basalt fibers are presented. Properties are investigated after tempering to the 50, 100, 200, 300 °C. Scanning electron microscopy identifies structural changes of fibers. The distribution of stress at break is described by the Weibull type model. It was postulated that fracture occurs due to nonhomogeneities in fiber volume (probably near the small crystallites of minerals). The analysis of fibrous fragment evolved during abrasion of basalt weave is presented. Despite of fact that basalt particle are too thick to be respirable the handling of basalt fibers must be carried out with care.     

A family of weakest link models for fiber strength distribution

It is well known that the most widely used distribution function for fiber tensile strength, the two-parameter Weibull distribution, does not always adequately describe the experimentally observed fiber strength scatter and the strength dependence on fiber length. To remedy this discrepancy, modifications of the Weibull distribution have been proposed that, while providing a good empirical fit to the strength data, sometimes lack the theoretical appeal of the weakest link models. We derive a family of weakest link models based on the assumption of a two-stage failure process incorporating explicitly the probabilities of flaw initiation and the fiber fracture due to the largest flaw (i.e. the weakest link). The model is verified against a sample of E-glass fiber strength data at different gauge lengths and shown to provide a reasonably good fit to the test results.