三维正交机织复合材料厚向压缩性能试验研究

采用方柱形试样对UHMWPE/乙烯基酯三维正交机织复合材料进行了压缩试验。研究了该类材料的厚向压缩强度和压缩模量与z向增强纤维细度的关系,并讨论了材料的压缩破坏失效模式。结果表明:z向增强纤维细度的增加导致材料厚向压缩性能的下降。降低z向增强纤维束的细度,有利于提高材料厚向抗压性能。三维正交机织复合材料的压缩破坏具有塑性特征。三维正交机织复合材料主要的破坏模式是z向纤维在试样表面的应力集中、纤维束的剥离和剪切破坏。     

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.     

三维机织复合材料力学性能的各向异性

通过一系列的实验、分析, 客观地评价了4 种不同结构碳/ 环氧3D 层-层正交角联锁机织复合材料沿0°、30°、45°、60°、90°方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量。实验结果表明: 三维机织角联锁复合材料属正交各向异性材料, 各个方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量曲线呈枫叶形, 具有明显的双主轴特性; 4 种不同结构复合材料的各向异性力学性能有差异, 经向力学性能以带衬经的角联锁结构为最佳, 而纬向力学性能以纬密大的角联锁结构为最佳; 三维机织角联锁复合材料具有很强的性能可设计性, 正确选择纤维原料、纤维细度、三维预制件的组织结构和各个纱线组分的排列密度, 即可达到预期的性能指标要求。      

三维正交机织复合材料的单胞模型及应用

根据三维正交机织复合材料的结构特点,在假设纤维束横截面为矩形的基础上建立一种单胞模型,该模型由3组互相正交的纤维与基体组成。首先利用这一模型,推导出纤维体积分数与纤维粗度、机织密度等织物参数的关系式,通过测量单胞单元的单层厚度得到纤维体积分数,计算值和实验值较为吻合。然后在假定纤维和基体均为线弹性材料的基础上,利用材料力学方法推导出了3 个正交方向的杨氏模量表达式,该表达式简单明了,给出了三维正交机织复合材料杨氏模量与纤维和基体的杨氏模量以及纤维体积分数间的关系,算例的计算结果与实验值有良好的一致性,这说明所建立的单胞模型具有合理性。     

三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料动态力学性能的实验和理论研究

通过实验系统研究了三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料厚度方向和面内方向的动、静态压缩力学性能。结果表明,动、静态压缩载荷作用下该材料响应表现出明显的各向异性、非线性和应变率敏感性。针对三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料高速变形过程中不同形式的内部缺陷和微损伤的演化,提出了一个依赖应变、应变率的宏观损伤量,建立了一种含损伤的非线性黏弹性本构模型。采用数据处理方法拟合了其本构方程材料参数,在加载过程中,模型计算值与实验结果吻合较好。     

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。     

三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料高温老化后低速冲击性质

研究了三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料在180℃高温环境下老化不同时间后的低速冲击力学性能,测试得到了不同老化时间的试样在低速冲击过程中的载荷-位移曲线。研究发现:随着老化时间增加,三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料能承受的最大载荷下降,位移逐渐增加,载荷-位移曲线斜率逐渐下降;随着冲击能量增加,老化条件相同的三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样最大承受载荷增大,位移和曲线斜率增加。对高温老化后三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样进行SEM观察,发现纤维与树脂基体脱粘有裂纹产生,且裂纹数目和面积随着老化时间延长而增加。      

三维正交机织复合材料低周弯曲疲劳力学性能有限元模拟

为了深入理解三维正交机织复合材料（3DOWC）疲劳性能,改进材料抗疲劳设计,结合三维正交机织复合材料试样经纱方向准静态三点弯曲及60%应力水平下的三点弯曲疲劳实验与ABAQUS有限元软件,构建了全尺寸三维实体模型,研究了三维正交机织复合材料在低周循环载荷下的弯曲疲劳性能,经分析得到循环加载下模型应力分布情况和疲劳损伤形态。结果表明：经纱为材料最重要的承载部件,中间加载区域为材料应力集中区,损伤主要位于应力集中区的Z纱通道处的经纱上,随着循环增加,逐渐在中心加载区域的上部和下部形成三角形损伤区域,该研究在复合材料设计与优化中具有指导意义。     

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.     

Impact Damage of 3D Orthogonal Woven Composite Circular Plates

The damages of 3D orthogonal woven composite circular plate under quasi-static indentation and transverse impact were tested with Materials Test System (MTS) and modified split Hopkinson bar (SHPB) apparatus. The load vs. displacement curves during quasi-static penetration and impact were obtained to study the energy absorption of the composite plate. The fluctuation of the impact stress waves has been unveiled. Differences of the load-displacement curves between the quasi-static and impact loading are discussed. This work also aims at establishing a unit-cell model to analyze the damage of composites. A user material subroutine which named VUMAT for characterizing the constitutive relationship of the 3-D orthogonal woven composite and the damage evolution is incorporated with a finite element code ABAQUS/Explicit to simulate the impact damage process of the composite plates. From the comparison of the load-displacement curves and energy absorption curves of the composite plate between experimental and FEM simulation, it is shown that the unit-cell model of the 3D woven composite and the VUMAT combined with the ABAQUS/Explicit can calculate the impact responses of the circular plate precisely. Furthermore, the model can also be extended to simulate the impact behavior of the 3D woven composite structures.     

Modeling the response,strength and degradation of 3D woven composites subjected to high rate loading

Experimental results which were obtained using a split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus to determine rate dependent effects, and reported by the authors in [1] are used as the basis to perform dynamic simulations of 3D woven composites (3DWCs) using representative unit cells (RUCs). The input material properties for the RUC simulations were determined from the concentric cylinder model (CCM) in conjunction with the geometry of the textile architecture, mechanical properties of pure epoxy samples and fiber mechanical properties. The RUC model incorporates rate dependent plasticity. Additionally, linear-eigen perturbations that correspond to buckling modes are used to seed imperfections in the RUC model to capture buckling and subsequent failure that was observed in experiments. The RUC model results showed good agreement with experiment and correctly captured the observed modes of failure while pointing to transitions in failure modes.     

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。     

树脂含量及分布对三维中空复合材料性能的影响

三维中空复合材料是一种新型的结构、功能材料,具有优异的可设计性。研究了树脂含量及分布对三维中空复合材料性能的影响,重点分析了树脂分布引起的复合材料各向异性。结果表明:随树脂含量增加,复合材料下面层与上面层质量比、平压强度和弯曲强度明显增加;树脂质量含量从42.87%增加至51.19%、57.40%和66.92%时,其平压强度分别增加65%、352%和568%;随复合材料下面层与上面层质量比增加,其反向弯曲强度提高幅度更大,树脂质量含量为66.92%的三维中空复合材料反向弯曲强度(39.21MPa)为正向弯曲强度(16.67MPa)的2.35倍。研究结果为该材料的结构优化设计奠定了基础。     

三维机织陶瓷基复合材料的面内剪切性能及损伤研究

采用IOSIPESCU纯剪切试件, 考虑纤维的编织结构和失效机理, 研究了三维机织碳/碳化硅(C/SiC)复合材料在面内剪切载荷作用下的力学性能和损伤过程. 材料具有明显的非线性应力-应变行为和残余变形等特性. 材料主要的损伤机制为基体微裂纹开裂, 界面脱粘和纤维断裂, 其中界面裂纹是材料应力-应变等力学行为的主要影响因素. 基于连续介质损伤力学分析方法, 提出了简单的损伤演化模型并对损伤演化过程进行了描述.     

Shock response of 3D woven composites: An experimental investigation

A modified shock tube was used to determine the effect of shock wave loading on 3D woven composite panels. The shock wave, which produces a short duration steeply rising pressure pulse when impacting the panel, was used to load the panels. The out of plane deformation response was measured using a full field Digital Image Correlation (DIC) technique. The results allow for measurements of full field displacements and strains in the samples. Three distinct textile composite architectures, corresponding to different amounts of Z-fiber (fiber tows that bind the different textile layers together) were investigated. Two separate shock intensities were used. Matrix micro-cracking was observed to be the mechanism by which failure is initiated, and this micro-cracking was found to occur closest to the center of the panel where the outer-surface straining is highest. Fiber tow failure was absent in the shock strengths studied in the present work. The results suggest that the 6% Z-fiber architecture provided the largest panel stiffness and the least amount of damage. This result suggests that this may be the optimal architecture and density for orthogonally woven Z-fiber reinforced composites, however due to the complex nature of the problem the same architecture with a different tow (and fiber) volume fraction may yield different results.     

3D纤维增强复合材料的结构对力学性能的影响

研究了树脂基镀镍碳纤维3D复合材料的不同结构,包括三维五向、正交三向结构对3D复合材料拉伸性能和冲击性能的影响。进行了两种试件力学性能的测定,结果表明,三维五向3D复合材料和正交三向3D复合材料都能达到高的力学性能,在纤维体积含量相近的情况下,三维五向3D复合材料的拉伸强度和冲击强度较正交三向3D复合材料高,拉伸强度可达920 MPa、冲击强度达150 KJ/m2。通过对编织结构的设计,可以设计3D复合材料的性能。