三维机织夹芯复合材料的制备与压缩性能研究

以玻璃纤维为原料,采用2个系统经纱(一个为上下表层经纱,另一个为夹芯层经纱)、1个系统纬纱,在SU111型全自动剑杆织机上制织经向截面为“口”字形的新型三维夹芯织物.以环氧树脂E-44与9055型固化剂为基体体系,采用手糊成型工艺将上述机织物复合制成三维机织夹芯复合材料.研究三维机织夹芯复合材料的压缩性能,分析材料结构与压缩性能之间的关系,并与“8”字形中空复合材料进行比较.结果表明,芯材间距为5mm的“8”字形中空复合材料的压缩强度高于芯材间距为25 mm的三维机织夹芯复合材料,但是后者的弹性模量高于前者.实验结果对该类结构材料的优化设计与力学性能研究具有极其重要的指导价值.     

基于多尺度分析的平纹机织复合材料贴补结构抗冲击性能研究EI北大核心CSCD

由于平纹机织复合材料修补结构对冲击荷载下产生的响应具有多尺度的影响,采用多尺度方法建立数值分析模型,对平纹机织和单向铺层复合材料修补结构冲击响应间的差异进行研究;同时,对不同冲击能量下平纹机织复合材料修补结构的损伤演化和补片形状对结构抗冲击性能的影响也开展了研究。通过建立纤维束微观和代表性单元(representative volume element,RVE)细观模型,预测细观材料性能,进一步采用局部均匀化方法得到平纹机织复材的宏观交叉层合板等效模型(Equivalent cross-ply laminate,ECPL),完成修补结构多尺度抗冲击损伤性能分析模型构建;利用连续损伤力学模型和三维Hashin准则对冲击过程中修补结构损伤演化进行分析,并通过落锤冲击试验力和能量曲线验证了数值模型的准确性。数值和试验结果表明:平纹机织修补结构较单向层合板修补结构具有更好的抗冲击性能;其冲击损伤主要沿着0/90方向分布,随着冲击能量的提高,主要承力部位由补片转移到母板;当冲击能量达到12 J时,胶层开始出现失效脱落现象;圆形补片修补的平纹机织结构具有更好的抗冲击性能。     

高速列车及其用复合材料的发展

介绍了国内外高速列车及其用复合材料的发展,分析了列车高速化带来的问题以及实现列车高速化的主要途径,阐述了夹芯结构复合材料的性能特点及取代传统层合板结构复合材料的趋势,并提出了将三维整体复合材料夹芯结构用于制造高速列车车体结构件,从而弥补传统泡沫夹芯结构制造大尺寸构件刚度不足的缺点。     

三维机织结构的几何模型

根据三维机织结构中纱线系统的组成和相应纱线的几何形态,建立了具有普适意义的几何模型,获得了组成三维机织结构各纱线系统在一个结构单元内的纱线长度和取向角,进而计算出纤维体积分数。随后,选择了基于11种不同接结组织的三维机织复合材料试样,测试了试样的纤维体积分数,所得的测试结果与模型输出的预测值有很好的一致性。利用所建立的模型还定量讨论了接结组织对纤维体积分数和取向角的影响。结果表明:分层接结可以提供比正交接结高的纤维体积分数;而正交接结中接结经具有较大的取向,有利于增强三维机织复合材料在厚度方向上的力学性能。     

高空低温环境对无人机复合材料及夹芯结构性能的影响

针对高空长航时无人机UAV面临的-82℃低温环境,开展低温温度对T700/LT-03A复合材料及夹芯结构的性能影响研究。研究结果表明,低温下复合材料及夹芯结构强度均随温度降低而升高,T700/LT-03A复合材料-82℃时的拉伸强度为2 500 MPa、层间剪切强度为115 MPa、冲击损伤强度CAI保持在150 MPa。其原因是低温下碳纤维的横向收缩比树脂基体小,界面摩擦力得到增强,从而获得高的界面粘接强度。-70℃低温循环后泡沫和蜂窝夹芯结构强度剪切数据分别为2.6 MPa、2.2MPa。低温试验结果表明T700/LT-03A复合材料及夹芯结构在低温下保持了较好的整体承载能力。     

格栅-蜂窝混式芯体夹芯结构的低速冲击性能

针对传统复合材料夹芯结构抗冲击性能差的缺陷,提出一种格栅-蜂窝混式芯体,并对其低速冲击性能进行了研究。采用半球头式落锤冲击实验平台对碳纤维铝蜂窝夹芯结构的低速冲击响应进行研究;其次基于蜂窝非线性本构与完美界面假设,建立了碳纤维铝蜂窝夹芯板低速冲击仿真模型,实验与仿真结果吻合良好;最后对不同冲击位置和冲击角度下格栅-蜂窝混式芯体夹芯板的破坏模态及力学响应进行研究。结果表明:不同冲击位置及不同角度冲击下结构损伤模态及吸能模式存在巨大差异;格栅-蜂窝混式芯体可以显著提高结构的抗低速冲击性能,对于冲击损伤具有良好的限制作用。     

2.5D机织复合材料冲击后剩余强度研究

本文主要对2.5D机织复合材料冲击后的剩余拉伸强度进行研究。采用落锤法预制冲击损伤,并进行剩余拉伸试验。用了基于层合板理论的软化夹杂法对冲击后试样进行刚度衰减的模拟,用有限元软件根据点应力破坏准则计算得到剩余强度,并与剩余拉伸试验结果进行比较,验证了模型的有效性。为便于对比,对平面机织斜纹布铺设的层合板进行了同种计算和实验,得到了在相同冲击能量下2.5D机织复合材料剩余拉伸强度衰减比例小于层合材料的结论,证明2.5D机织复合材料由于Z方向经纱的存在因而具有良好的抗冲击性。     

三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在两种测量方法下的热响应机制对比

采用瞬态热线法和闪光法分别测量了多种结构参数的三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数。通过对3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料的有限元模拟可以看出,3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料内经纱、纬纱和Z向纱的导热作用在不同的受热形式下会发生变化。采用瞬态热线法测量时,2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数低于2.5D经向增强结构,同时高于3D正交结构,而采用闪光法测量时,2.5D经向增强和3D正交碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数均小于2.5D机织结构。这是由于在使用不同的测量方法时,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料内部相同的纱线系统在导热过程中所起的作用并不相同。随着纤维体积含量的提高,瞬态热线法和闪光法测得的2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数都在不断提高。由于经纱的屈曲,采用闪光法测量时,导热性能提升更加明显。研究结果表明,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在不同受热形式下具有不同的热响应机制。     

三维连体织物格栅夹芯材料力学特性实验研究

以三维连体织物格栅夹芯材料为研究对象, 研究其在平压、 剪切载荷作用下的力学特性与破坏模式, 并考察格栅分布密度、 厚度和泡沫填充等对力学性能的影响, 揭示纤维芯柱间的协同作用。结果表明: 三维连体织物格栅复合材料及其夹芯材料平压及剪切性能随芯柱纬向间距的增大而减小; 三维连体织物格栅夹芯材料芯柱之间的协同作用随着芯柱纬向间距的增大而逐渐增大; 大厚度三维连体织物格栅复合材料平压破坏模式主要为芯柱失稳, 最终芯柱断裂破坏, 剪切破坏模式为芯柱受剪根部断裂。     

缝合对泡沫夹芯复合材料低速冲击性能的影响EI北大核心CSCD

为了研究缝合对泡沫夹芯复合材料抗低速冲击的影响,以未缝合、全厚度缝合和冲击面纤维面板三类缝合碳纤维泡沫夹芯复合材料板为研究对象,采用落锤冲击试验机对泡沫夹芯复合材料板进行10J能量的冲击试验。然后使用水浸超声波扫描成像系统对冲击后的复合材料板进行损伤检测,得出泡沫夹芯复合材料板内部不同深度层的损伤情况。采用ABAQUS有限元软件对上述三类泡沫夹芯复合材料板进行有限元模拟,得出了低速冲击响应过程及面板的损伤情况,并进行了实验与数值模拟结果对比分析。研究结果表明,缝合会使得各铺层的损伤趋向均匀化,能够大幅提高层合板的整体性使各铺层之间的衔接更加紧密。在较小冲击能量下,全厚度缝合与冲击面纤维面板缝合都能够抑制分层的破坏,并且抑制分层的效果相差不大,且靠近冲击面的层与层之间更加容易产生分层的破坏。