取向碳纳米管/玻璃纤维增强树脂基单向层合板的制备及其力学性能

针对纤维增强树脂基单向复合材料横向刚强度低的问题,通过碳纳米管(CNTs)在单向复合材料横向方位取向控制技术研究,建立了一种CNTs在树脂基复合材料中电场取向装置,制备了取向CNTs/环氧树脂(EP)复合材料及取向CNTs/玻璃纤维(GF)增强环氧树脂基单向层合板,并对不同电场强度、CNTs含量对其力学性能的影响进行了试验分析。结果表明,施加300V/cm的取向电场时,添加0.2wt%多壁碳纳米管(MWNTs)/EP储能模量较未添加MWNTs时提高了68.42%,较随机方位分布MWNTs/EP提高了1.36%;取向MWNTs/GF增强单向层合板横向弯曲强度及模量比未添加MWNTs时分别提高了72.2%和92.1%,比随机方位分布MWNTs增强时分别提高了58.29%和61.43%;施加439V/cm的取向电场时,添加0.2wt%取向MWNTs/GF增强单向层合板横向弯曲强度及模量比未添加MWNTs时分别提高了64.7%和63%,比随机方位分布MWNTs增强时分别提高了51.42%和36.90%,取向CNTs/GF增强树脂基单向层合板横向刚强度均得到了大幅提高。     

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。     

孔隙微观特征对碳纤维/环氧树脂复合材料横向拉伸强度的影响

通过有限元方法研究了相同孔隙率下孔隙的分布、尺寸和形状等微观特征对碳纤维增强环氧树脂复合材料单向板横向拉伸强度的影响。首先使用Matlab对复合材料微观图像进行处理,提取孔隙的半径分布。然后通过C++编写多种孔隙随机分布算法,包括可以生成不同分布孔隙、不同尺寸孔隙以及不同形状孔隙的随机分布算法。最后通过Python参数化生成代表性体积单元（RVE）,用有限元方法研究相同孔隙率下孔隙的分布、尺寸和形状对碳纤维/环氧树脂复合材料单向板横向拉伸强度的影响。研究结果显示,孔隙率相同时,碳纤维/环氧树脂复合材料的孔隙形状对横向弹性模量的影响较大,孔隙尺寸和形状对横向拉伸强度有较大的影响。     

复合材料力学性能的统计分布规律

本文对大量的复合材料基本力学性能实测数据进行了统计分析,根据“逐步随机破坏”理论对单向板的强度分布规律进行了计算机模拟计算,提出了关于复合材料力学性能分布规律的新观点,并从统计分布的物理背景出发对所得结论进行了解释。     

基于纤维束增强树脂基复合材料测试的单向层合板层间剪切性能的预估方法

纤维束增强树脂基复合材料（FBC）及其单向层合板在标准Iosipescu剪切实验中表现出非常相似的破坏特征,然而测量得到的剪切强度却有明显差异。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了3种FBC和单向层合板,对FBC剪切强度和单向层合板层间剪切强度进行了测量与分析。应用界面单元方法分析了纤维束与基体之间的界面应力场,发现FBC剪切试件中纤维束/基体界面附近的应力状态为拉剪耦合,而单向层合板中界面处于纯剪切应力状态,这一差异导致FBC剪切实验测量的强度低于单向层合板的剪切强度。本文基于Yamada-Sun强度理论建立了FBC剪切强度与单向层合板剪切强度之间的关系模型,应用该模型预测的单向层合板剪切强度与实测强度之间达到良好的一致性,相对偏差为10%左右。根据本文提出的方法,通过制样较简单的FBC试验能够预测和评估相应单向层合板的层间剪切性能。     

FRC/钢燕尾槽单向连接结构强度特性及损伤机理

针对纤维增强复合材料(FRC)与钢结构的紧密坚固连接要求,提出并设计了FRC/钢结构燕尾槽单向嵌入式胶接连接结构形式.初步设计的连接结构试件单向面内抗剪极限强度试验测试结果显示:由于层间剪力引起的自由端效应影响,FRC/钢燕尾槽连接结构的初始损伤将最先出现在自由端部,导致连接结构紧密性连接要求不能得到满足,而槽体连接区内纤维的层间分层和拐角区树脂基体的挤压损伤以及上下层间界面剥离构成了燕尾槽单向连接结构抗剪承载时的典型损伤及破坏模式.为此,提出了自由端部增强改进结构形式.采用有限元数值方法(Abaqus/Standard)对改进前、后两种连接结构界面应力分布特性进行分析,改进结构试验研究结果表明:改进后单向燕尾槽连接结构层间界面应力分布更趋合理,自由端部分层初始损伤得到有效抑制,燕尾槽单向连接结构能在有效保证水密性要求的前提下,使抗剪极限强度提高约61%.     

单向复合材料横向裂纹黏弹性损伤演化模型

建立一个考虑基体黏弹性的纤维增强聚合物单向复合材料在产生横向裂纹时的损伤演化模型,有效地预测了单向复合材料横向拉伸行为。假设呈现威布尔分布的缺陷会在变形的驱动下演化为损伤,并以此为基础建立了单向复合材料横向损伤演化模型。通过此模型,时间-温度叠加原理（TTSP）得到了更具有物理基础的解释。最后,通过具体例子阐述了此模型的应用,并通过试验对模型预测结果进行了验证。本模型有效地预测了单向复合材料横向拉伸行为。由于单向复合材料横向性能存在脆性,此模型还无法准确预测失效和强度。      

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。     

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。     

层间混杂叠层复合材料的最终拉伸破坏(II)强度的统计分析

采用随机临界核理论, 结合由剪滞模型得出的应力集中分析结果, 对具有层间界面破坏的单向层间混杂叠层复合材料的最终拉伸破坏提出了一种细观统计理论; 导出了计及界面剪切强度效应的强度分布函数和破坏准则; 得到了最终拉伸强度与界面剪切强度的关系。结果表明, 混杂复合材料的最终拉伸强度与界面剪切强度及混杂比存在某种优化匹配关系, 而破坏应变则与现有的实验结果较为接近。     

单向碳/碳复合材料拉-拉疲劳寿命及剩余强度预测模型

基于预测单向复合材料纵向拉伸强度的随机核模型,引入纤维单丝剩余强度二参数Weibull模型及纤维单丝与基体界面剩余强度模型,研究建立了单向复合材料纵向拉-拉疲劳寿命及剩余强度的预测模型。对经过一定次数拉-拉疲劳载荷循环后的纤维束抽取其纤维单丝进行剩余强度拉伸试验,建立了纤维单丝剩余强度的二参数Weibull模型,测试单向碳/碳（C/C）复合材料的纤维与基体界面强度。通过单向C/C复合材料算例分析表明,92.5%、90.6%和87.5%应力水平下对数预测寿命与对数试验寿命比值分别为0.79、1.00和1.11,表明所建立的寿命预测模型用于预测单向C/C复合材料疲劳寿命是可行的;纵向拉伸剩余强度预测值与试验值误差在10%以内,吻合较好,表明所提出的剩余强度预测模型具有较高的精度。     

A statistical model for the time dependent failure of unidirectional composite materials under local elastic load-sharing among fibers

In this paper we develop a statistical model for the time dependent failure of a unidirectional composite material under tensile loads. We consider probability distributions for lifetime in both stress-rupture and cyclic-fatigue and for strength under a linearly increasing load. We begin with a probability model for the failure of fibers which has its roots in the statistical kinetics of molecular failure, and we relate the parameters of our model to certain thermal activation quantities. At the micromechanical level we assume localized, elastic, load-sharing among failed and non-failed fiber elements in a cross section of the composite. As in earlier static versions we model the composite as a chain-of-short-bundles. Using asymptotic techniques we obtain accurate approximations to the probability distributions for composite lifetime with parameters that depend on certain fiber kinetic and variability parameters, fiber load-sharing constants, and on a “critical crack size” parameter that emerges as crucial.     

碳/碳复合材料疲劳损伤失效试验研究

对单向碳/碳复合材料纵向拉-拉疲劳特性及面内剪切拉-拉疲劳特性进行了试验研究;对三维四向编织碳/碳复合材料的纵向拉-拉疲劳特性及纤维束-基体界面剩余强度进行了试验研究。使用最小二乘法拟合得到了单向碳/碳复合材料纵向及面内剪切拉-拉疲劳加载下的剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型,建立了纤维束-基体界面剩余强度模型。结果显示:单向碳/碳复合材料在87.5%应力水平的疲劳载荷下刚度退化最大只有8.8%左右,在70.0%应力水平的疲劳载荷下,面内剪切刚度退化最大可达30%左右;三维四向编织碳/碳复合材料疲劳加载后强度及刚度均得到了提高;随着疲劳循环加载数的增加,三维四向编织碳/碳复合材料中纤维束-基体界面强度逐渐减弱。     

中等应变率下单向玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的剪切本构关系

采用真空辅助成型工艺制备单向玻璃纤维增强环氧树脂基的[±45°]_8s复合材料试样,通过专用试验设备开展恒定应变率下的面内剪切性能研究,应变率范围为3×10^-4~128.4 s^-1。以Khan-Huang本构关系模型表达形式为基础,考虑应变率效应,建立了一种单向玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料在中等应变率下的剪切本构模型,通过最小二乘法和遗传算法获得了最优本构参数。结果表明,单向玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的剪切性能具有应变率敏感性,剪切强度随着应变率的提高逐渐增大,在128.4s^-1时极限强度提高了35.5%。建立的本构关系模型能够准确反映剪切性能与应变率的关系,可用于中等应变率条件下的剪切性能预测。     

Modeling Loading/Unloading Hysteresis Behavior of Unidirectional C/SiC Ceramic Matrix Composites

The loading/unloading tensile behavior of unidirectional C/SiC ceramic matrix composites at room temperature has been investigated. The loading/unloading stress–strain curve exhibits obvious hysteresis behavior. An approach to model the hysteresis loops of ceramic matrix composites including the effect of fiber failure during tensile loading has been developed. By adopting a shear-lag model which includes the matrix shear deformation in the bonded region and friction in the debonded region, the matrix cracking space and interface debonded length are obtained by matrix statistical cracking model and fracture mechanics interface debonded criterion. The two-parameter Weibull model is used to describe the fiber strength distribution. The stress carried by the intact and fracture fibers on the matrix crack plane during unloading and subsequent reloading is determined by the Global Load Sharing criterion. Based on the damage mechanisms of fiber sliding relative to matrix during unloading and subsequent reloading, the unloading interface reverse slip length and reloading interface new slip length are obtained by the fracture mechanics approach. The hysteresis loops of unidirectional C/SiC ceramic matrix composites corresponding to different stress have been predicted.     

纤维含量及排列方向对单向纤维复合材料介电性能的影响

本文着重研究了纤维含量和排列方向对环氧/单向玻璃纤维复合层板介电性能的影响.结果表明,纤维与施加电场方向的改变,将导致复合层板电击穿强度发生变化,其夹角越大层板承受电击穿强度越高.纤维含量增加,其单向纤维复合层板的介电性能下降.本文对单向纤维复合层板建立了亚微观介电模型,且在此基础上,对其电击穿强度,介电常数与纤维方向和纤维含量的关系进行了理论预测,其理论值与实验值有较好的吻合性.     

Statistical modelling of compression and fatigue damage of unidirectional fiber reinforced composites

A statistical computational model of strength and damage of unidirectional carbon fiber reinforced composites under compressive and cyclic compressive loading is presented in this paper. The model is developed on the basis of the Budiansky–Fleck fiber kinking condition, continuum damage mechanics concept and the Monte-Carlo method. The effects of fiber misalignment variability, fiber clustering, load sharing rules on the damage in composite are studied numerically. It is demonstrated that the clustering of fibers has a negative effect of the damage resistance of a composite. Further, the static compressive loading model is generalized for the case of cyclic compressive loading, with and without microdegradation of the matrix, and with and without random variations of loading. It was observed that the random variations of loading shorten the lifetime of the composite: the larger the variability of applied load, the shorter the lifetime.     

碳纤维/环氧单向复合材料的统计强度和破坏准则

本文运用了纤维损伤的随机临界核理论及混合法则 ,对碳纤维 /环氧单向复合材料受纵向拉伸时的统计强度及破坏准则作了理论分析与实验研究     

A unified fatigue life model based on energy method

A new unified fatigue life model based on the energy method is developed for unidirectional polymer composite laminates subjected to constant amplitude, tension–tension or compression–compression fatigue loading. This new fatigue model is based on static failure criterion presented by Sandhu and substantially is normalized to static strength in fiber, matrix and shear directions. The proposed model is capable of predicting fatigue life of unidirectional composite laminates over the range of positive stress ratios in various fiber orientation angles. By using this new model all data points obtained from various stress ratios and fiber orientation angles are collapsed into a single curve.

The new fatigue model is verified by applying it to different experimental data provided by other researchers. The obtained results by the new fatigue model are in good agreements with the experimental data of carbon/epoxy and E-glass/epoxy of unidirectional plies.