织物结构对玄武岩织物/环氧树脂复合材料力学性能的影响

采用三种不同结构玄武岩织物(单向/平纹/2.5维),通过树脂传递模塑成型工艺(RTM)制备了玄武岩织物增强环氧树脂复合材料。通过拉伸和弯曲试验,研究了织物结构对复合材料力学性能的影响,探讨了不同织物结构玄武岩织物增强环氧树脂复合材料的损伤破坏机制。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,单向玄武岩织物复合材料的拉伸性能最好,试样的拉伸断口相对齐平,分层现象不明显;2.5维玄武岩织物复合材料弯曲性能最好,且纬向弯曲性能优于经向。2.5维织物增强复合材料的结构整体性较好,受到拉伸和弯曲载荷不会产生分层破坏。根据扫描电子显微镜(SEM)断面分析可以判定,玄武岩织物/环氧树脂复合材料拉伸和弯曲加载过程中的损伤类型主要为织物中纤维的断裂及纤维-树脂的界面脱粘。     

增强体结构对复合材料工艺及其性能的影响

为了分析增强体结构对复合材料力学性能和复合工艺的影响,分别以单向玄武岩织物和平纹玄武岩织物为增强体,制备玄武岩增强复合材料。并采用正交试验方法,讨论复合工艺参数对玄武岩增强复合材料拉伸强度和弯曲强度的影响,及其对两种复合材料的力学性能差异。结果表明:平纹玄武岩复合材料拉伸性能优于单向玄武岩复合材料,而单向玄武岩复合材料具有较强的抗弯性能;增强纤维含量对复合材料的拉伸性能影响较大,对单向玄武岩复合材料弯曲性能影响较小;复合成型温度对单向玄武岩复合材料力学性能影响较大,且成型温度升高有利于复合材料力学性能改善;成型压力增大有利于复合材料力学性能的增强;适当延长冷却时间有利于复合材料力学性能的提高。     

玄武岩纤维-碳纤维混杂平纹织物增强环氧树脂基复合材料的制备与力学性能

对以平纹织物为增强体的混杂纤维复合材料（HFRP）的刚度和强度进行研究。设计热压工艺并制备7组具有不同混杂比的玄武岩纤维-碳纤维（玄-碳）混杂增强环氧树脂基复合材料试样进行拉伸试验。基于平纹织物的结构特征,对传统混合定律加以修正,提出以平纹织物为增强体的HFRP刚度估算模型。基于HFRP层合板的破坏机制,提出材料仅发生一次破坏的临界混杂比,并分成三个混杂比范围给出强度估算模型。最终以体现分散度的混杂效应系数对估算结果加以修正。结果表明：计算值与试验值近似,预估模型计算所得临界混杂比与试样拉伸试验时的应力-应变曲线分析结果相符,模型可为今后的实际应用提供理论依据。本文提出的预估方法可以反应混杂比和分散度对平纹织物为增强体的HFRP强度和刚度的影响,扩展了混合定律的应用范围。     

织物形式对苎麻纤维渗透率及其复合材料力学性能的影响

采用树脂传递模塑工艺(RTM)研究了三种典型苎麻纤维织物结构(平纹、斜纹和缎纹)对树脂流动性的影响,并研究了三种苎麻纤维织物结构对其增强酚醛树脂复合材料的拉伸性能和层间剪切性能的影响.结果表明,苎麻纤维织物树脂渗透率主要受纤维屈曲和流道面积的影响.斜纹和缎纹苎麻织物的纤维屈曲较小且流道面积较大,其织物的树脂渗透率较大,同时,较小的纤维屈曲使其增强的复合材料拉伸性能也较优.然而,不同织物形式对苎麻纤维织物/树脂复合材料的层间性能影响不大.     

织物形式对苎麻纤维渗透率及其复合材料力学性能的影响

采用树脂传递模塑工艺(RTM)研究了三种典型苎麻纤维织物结构(平纹、 斜纹和缎纹)对树脂流动性的影响, 并研究了三种苎麻纤维织物结构对其增强酚醛树脂复合材料的拉伸性能和层间剪切性能的影响。结果表明, 苎麻纤维织物树脂渗透率主要受纤维屈曲和流道面积的影响。斜纹和缎纹苎麻织物的纤维屈曲较小且流道面积较大, 其织物的树脂渗透率较大, 同时, 较小的纤维屈曲使其增强的复合材料拉伸性能也较优。然而, 不同织物形式对苎麻纤维织物/树脂复合材料的层间性能影响不大。     

织布形状对玄武岩纤维布/不饱和聚酯树脂复合材料力学性能的影响

对玄武岩纤维布增强不饱和聚酯复合材料的基本力学性能进行了初步研究,针对纤维织布方式不同,制备了3种不同的复合板,即平纹复合板、斜纹复合板和平纹/斜纹复合板。结果表明,在相同层数17层和19层的条件下,斜纹复合板的拉伸、弯曲和无缺口冲击强度明显高于平纹和平纹/斜纹复合板。平纹/斜纹复合板强度较差,分散性大,而平纹复合板分散性小,物理力学性能稳定。     

用均匀化方法预报平纹织物的渗透率

建立了平纹织物的细观结构模型,采用均匀化方法预报了其渗透率,与文献中的实验结果比较验证了本文中方法的合理性,同时还对平纹织物纤维预制体细观结构进行了参数研究。对3种平纹玻璃布预制体进行了渗透率测量,与理论预报进行了比较,表明本文中所建立的方法预报的渗透率与实验结果在同一数量级。     

碳纤维复合材料超声振动辅助RTM工艺的浸润特性

研究了织物类型、纤维体积分数和超声振动对树脂在碳纤维织物中流动特性的影响规律,设计了超声振动辅助RTM工艺过程中单向渗透率测量装置,开展了16组渗透率测试实验,并结合COMSOL软件仿真分析了织物中的树脂流动特性。研究表明,在相同纤维体积分数水平下,斜纹编织物的纤维束间隙通道比平纹织物的更宽,2/2斜纹编织织物渗透率比平纹织物提高了约21.5%。纤维体积分数与织物渗透率呈负相关,其函数关系与半经验公式Kozeny-Carman(KC)方程吻合较好。树脂流动过程中加入超声振动,其超声空化效应、加速度效应和微射流效应作用于纤维丝束表面,提高了织物渗透率约58.2%。有限元仿真模拟了椭圆形和近矩形纤维束截面设计的织物模型的流动过程,结果发现近矩形纤维束截面高流速区域范围更广,流体向纤维布夹层浸渍的速度分量更大。超声作用于织物纤维可能带动纤维丝束蠕动,使纤维束截面趋于近矩形状,从而提高了树脂对纤维织物的浸润性。上述研究结果对优化碳纤维复合材料成型工艺和成型性能具有一定的指导意义。      

平面三向织物复合材料增强体顶压性能有限元分析

借助绘图软件PRO/E构建用于研究顶压性能的平面三向织物、平纹织物和冲头的结构模型,并利用有限元软件ANSYS对其力学性能进行模拟分析。分别表征平面三向织物和平纹织物的形态变化、应力及应变分布情况,并研究平面三向织物相对平纹织物性能优势及织物的顶压破坏形式。结果表明:在同样载荷作用下同样面密度的平纹织物的形态位移变化是平面三向织物的2倍,平面三向织物抵抗顶压的能力好于平纹织物;在同样载荷作用下同样面密度平纹织物的最小顶压应力和应变均大于平面三向织物,表明平面三向织物分散载荷效果好于平纹织物。     

超高分子量聚乙烯纤维平纹织物-单向布混合堆叠板的防弹机制

柔性防弹衣具有隐蔽性好、穿着舒适的优点,而采用平纹与单向（UD）布杂化结构具有更好的防护效果。本文采用三层超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维平纹织物（A）和两层Dyneema^?SB51 UD布（B）组成AAABB和BBAAA两种混合靶板,通过弹道实验比较两种排列方式的防弹性能差异。结果表明,将平纹织物在前UD布在后能大幅提升整块板的防弹性能,能量吸收比后者高约20%。进一步采用有限元模拟来阐明其防弹机制,模拟结果表明将平纹织物放在面层不易被切断,使得平纹织物层发生更大的形变,也使后面的UD布发生大面积形变,吸收大量能量。而UD布放在前面层易产生的切力破坏,失去对后面层的作用。而平纹织物在后层容易发生滑移,且形变纵深过大,不利于防弹保护。该研究结果阐明了平纹织物和UD布不同顺序堆叠时的防弹机制,为进一步优化设计该类柔性防弹衣提供了坚实的理论基础。     

压边力对非平衡平纹机织物预制体成型作用规律

为研究压边力对非平衡玻璃纤维平纹机织物预制体铺覆成型的作用规律,针对非平衡平纹机织物在成型过程中的大变形特征,基于非正交材料本构,建立织物面内材料变形本构模型;同时考虑面外弯曲刚度,结合壳单元,建立织物的膜(面内变形)-壳(面外变形)双层模型;利用商业有限元软件ABAQUS,结合实验方法,研究织物在不同压边力条件下的成型规律。结果表明,实验组中预制体的纤维剪切角随压边力的增加而增大;摩擦系数设置对有限元模型的模拟结果有重要影响,随着摩擦系数增大,预制体的纤维剪切角随之增大,摩擦系数为0.20时的模拟结果与实验结果最接近;考虑织物弯曲刚度的膜-壳双层单元模型的模拟结果与实验结果基本一致,而单层膜单元模型的模拟结果精度相对较低。     

二维平纹机织复合材料弹性性能预测的域分解方法

为了预测二维平纹机织复合材料的弹性性能, 提出了基于有限元重合网格法的域分解方法。域分解方法与传统代表体元法的有限元建模不同, 前者不再建立精细的纤维与基体模型, 而是分别建立二维平纹机织复合材料单胞的整体域与纤维域, 整体域是真实基体体积与纤维体积的叠加, 两区域网格独立剖分, 互不影响。采用MSC. Nastran中的多节点约束在纤维节点与基体节点之间建立位移协调来模拟纤维和基体单元的位移函数关系, 实现了纤维域和基体域的耦合计算。研究表明, 域分解方法大大简化了机织复合材料细观力学建模的复杂性, 降低了建模时间, 采用域分解方法预测的二维平纹机织复合材料弹性常数与试验值吻合较好, 充分说明了该预测模型与方法的正确性。研究了不同纤维体积分数下, 域分解方法预测二维平纹机织复合材料的弹性常数的变化趋势, 结果表明, 随纤维体积分数增加, 模量呈上升趋势, 泊松比呈降低趋势。     

3D混杂梯度结构碳/碳复合材料微观结构和性能研究

采用Z-PIN与粘胶基碳纤维毡、粘胶基碳纤维平纹织物、聚丙烯氰基碳纤维平纹织物制备了3D混杂梯度纤维预制体,多相碳素基体经丙烯等温化学气相渗透(ISO-CVI)和煤焦油沥青高压浸渍碳化(HPIC)复合工艺制备,分析研究了多相碳素基体的组织特征、Z向增强体对粘胶基碳纤维织物碳/碳复合材料(RCC)和聚丙烯氰基碳纤维织物碳/碳复合材料(ACC)层间性能的影响以及失效模式.碳基体的微观组织结构为各向同性层、光滑层和粗糙层多相复合体,粘胶基碳纤维表面和聚丙烯氰基碳纤维表面沉积碳的微观组织存在差异性.采用高密度Z-PIN增强体可提高层间性能40%～60%.失效模式为层间和纤维束内裂纹扩展,基体组织和纤维类型对层间性能的影响很小.     

PVA及玄武岩纤维对水泥基复合材料力学性能的影响

在水泥基复合材料中掺入适量纤维可显著改善其物理力学性能,但有机-无机混杂纤维对水泥材料性能的影响目前研究不多。进行了单掺PVA纤维、单掺玄武岩纤维以及复掺两种纤维的水泥基复合材料力学性能实验。结果表明,单掺1.6%(体积分数)的短PVA纤维时,水泥基复合材料的抗折强度降低7%、抗压强度提升31%、折压比降低24%;单掺0.3%(体积分数)的短玄武岩纤维时,水泥基复合材料的抗折强度降低8%、抗压强度提升15.7%、折压比降低20%;掺0.3%(体积分数)短玄武岩纤维和0.5%(体积分数)短PVA纤维时,水泥基复合材料的抗折强度几乎无影响,抗压强度显著提升,折压比相对减少,其综合性能最优。     

平纹织物三维细观几何模型和织物防弹实验的有限元模拟EI北大核心CSCD

建立了平纹织物的三维细观几何模型,利用LS-DYNA有限元软件模拟了弹丸冲击的条件下,单层芳纶织物的响应过程。模型的几何形状参考了平纹织物的截面显微镜照片,使建立的模型更加准确,更接近平纹织物真实的结构。纱线模型选用正交各向异性材料,材料参数和失效条件均参考真实的Kevlar织物,并考虑纱线和纱线之间以及纱线和弹丸之间的摩擦。模拟中,通过设定弹丸的撞击速率Vs,得到剩余速率Vr,并由此计算单层织物的弹道极限速率V50。结果表明:织物的变形过程和失效形式在模拟中得到细致的显现,模拟所得结果V50和织物的失效形式与实验结果的一致程度较好。     

纤维束波动效应对平纹编织复合材料损伤行为的影响

平纹编织复合材料中纤维束波动效应会引起随动材料主方向变化及面外剪切应力集中,为了研究其对平纹编织复合材料力学性能及损伤行为的影响,提出改进的像素法细观有限元单胞模型。模型根据纤维束波动曲线定义了材料主方向的变化,采用Hashin准则模拟纤维束的损伤起始,并引入剪切修正因子考虑面外剪切应力对面内拉伸损伤的影响。模型可以预测平纹编织复合材料的面内拉伸强度和损伤演化过程,结果表明:纤维束材料主方向波动会引起平纹编织复合材料面内拉伸强度下降;面外剪切应力集中是导致复合材料最终失效的主要原因,且随着剪切修正因子增大,复合材料面内拉伸强度显著降低;纤维束材料主方向波动和面外剪切应力集中均对平纹编织复合材料的损伤行为和破坏机理产生了影响,需要在数值分析中对其进行准确描述。      

玄武岩纤维复合材料静、动态力学性能和抗弹性能研究进展

以玄武岩纤维为增强体、树脂为基体制得的玄武岩纤维复合材料具有优异的力学性能、良好的环境适应性和低廉的价格,其在车辆、船舶、航空航天等高新科技领域拥有替代现有玻璃纤维复合材料的潜力.近20年来,玄武岩纤维复合材料的力学性能受到了研究人员的大量关注.玄武岩纤维增强树脂基复合材料中,环氧树脂基复合材料力学性能较为突出,相关研究最受关注.在准静态力学性能研究中,与玻璃纤维复合材料对比发现,玄武岩纤维复合材料在拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、抗低速冲击性能、疲劳性能、耐磨性等方面都更为优异,与碳纤维混杂组成复合材料时也表现出更强的性能,并且通过纤维化学改性和基体纳米颗粒改性可进一步提升玄武岩纤维复合材料的力学性能.国内玄武岩纤维复合材料动态力学性能的研究集中于水泥、沥青、混凝土等材料与玄武岩纤维组成的复合材料,对高性能树脂基复合材料的关注较少.国外研究人员对玄武岩纤维增强树脂基复合材料动态拉伸性能进行了全面研究,发现玄武岩纤维复合材料的动态拉伸模量、强度、应变等都随应变率增加而增大,增大幅度在20％ ～60％;与玻璃纤维复合材料相比,玄武岩纤维复合材料在动态拉伸条件下显示出更高的弹性模量、更大的拉伸强度和更高的拉伸应变.现阶段玄武岩纤维复合材料动态拉伸性能研究的应变率主要集中在100/s左右的较低范围,对动态压缩性能的研究也极为缺失,这难以支撑玄武岩纤维复合材料在涉及高速冲击服役环境中的应用.玄武岩纤维复合材料抗弹性能与S-玻璃纤维复合材料相当,因为玄武岩纤维复合材料具有较为全面的力学性能与环境适应性,所以与其他纤维混杂组成复合材料时可以弥补其他纤维的固有缺点.玄武岩纤维复合材料抗弹性能的变化受基体、纤维等因素的影响,并反映在不同的失效机制上,但在高速动态冲击过程中难以捕获材料本身微观结构的变化,其失效机制只能通过断口形貌进行推测,因此在抗弹性能研究中,仿真模拟技术对玄武岩纤维复合材料冲击变形过程和失效机制的解析研究亟需得到关注.本文归纳了玄武岩纤维增强树脂基复合材料的准静态、动态力学性能及抗弹性能研究现状,分析了现阶段玄武岩纤维复合材料力学性能研究中的不足并提出了建议,以期为高性能、绿色玄武岩纤维复合材料的研究发展提供参考.     

平纹织物三维细观几何模型和织物防弹实验的有限元模拟

建立了平纹织物的三维细观几何模型,利用LS-DYNA有限元软件模拟了弹丸冲击的条件下,单层芳纶织物的响应过程。模型的几何形状参考了平纹织物的截面显微镜照片,使建立的模型更加准确,更接近平纹织物真实的结构。纱线模型选用正交各向异性材料,材料参数和失效条件均参考真实的Kevlar织物,并考虑纱线和纱线之间以及纱线和弹丸之间的摩擦。模拟中,通过设定弹丸的撞击速率Vs,得到剩余速率Vr,并由此计算单层织物的弹道极限速率V50。结果表明:织物的变形过程和失效形式在模拟中得到细致的显现,模拟所得结果V50和织物的失效形式与实验结果的一致程度较好。     

玄武岩织物增强碱激发矿渣粉煤灰水泥砂浆的耐久性研究

玄武岩织物可以增强碱激发胶凝材料的力学性能和体积稳定性,但目前关于其长期性能和耐久性的研究相对较少.基于加速老化试验、三点弯曲试验以及扫描电镜(SEM)比较了有无环氧涂层的玄武岩织物在碱激发矿渣粉煤灰水泥砂浆试件中的耐久性,并与硅酸盐水泥砂浆试件的测试结果进行了对比.结果表明:相较于硅酸盐水泥砂浆试件,织物增强碱激发水泥砂浆试件经加速老化后性能劣化更为显著,老化24 d后碱激发水泥砂浆试件和硅酸盐水泥砂浆试件的强度保留率分别为68. 94%和81. 69% .环氧涂层能提高试件的弯曲强度,并且延缓老化初期弯曲强度的下降速率,但延缓效果随龄期延长逐渐削弱,至18 d已基本失效.相对于抗弯强度,老化腐蚀对极限弯曲应变的降低作用更为明显.硅酸盐水泥砂浆基体中的玄武岩纤维多为局部点蚀,而碱激发水泥砂浆基体中的玄武岩纤维多呈整体麻面.环氧涂层能有效延缓玄武岩织物在碱激发胶凝材料中的性能劣化,但在加速老化过程中会逐渐降解导致失效,因此需要研究更为有效的表面处理方式以提升其耐久性.     

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.