三维编织复合材料面内刚度和强度性能研究

以修正的经典层合板理论为基础, 分析三维编织复合材料的力学性能。在单胞的长度方向积分和平均, 预测编织结构复合材料的有效弹性模量; 采用蔡-胡多项式失效准则, 得到三维编织复合材料的强度性能。另外, 进行编织结构复合材料的力学性能实验, 探讨纺织工艺参数, 如纤维编织角、横向编织角、轴向纱数与编织纱数之比、纤维体积含量等对力学性能的影响, 理论预报和试验结果进行对比, 发现该力学模型能较好地预报三维编织复合材料的刚度和强度性能。      

三维正交机织复合材料的拉伸力学性能及介电性能研究

三维纺织复合材料的发展越来越广泛,其轻质,抗分层等优点是层合板式复合材料无法比拟的.本工作对自行设计并制作的五种玻璃纤维芳纶纤维混合增强的环氧树脂复合材料的拉伸力学性能和介电性能进行了研究.结果表明纯芳纶结构的三维复合材料有着最高的比强度和比模量;而在玻璃纤维含量较多的结构材料里介电性能呈现集中且稳定的趋势.在不同的应用中,可以将不同纤维混合作为增强体以发挥各种纤维的优势和特点,满足不同的设计和实际需要.     

纤维织构对Cf/SiC复合材料结构和性能的影响

以先驱体浸渍裂解工艺制备了Cf/Sic复合材料,在相同工艺条件下,研究了四种纤维织构:2.5D,三维四向,三维五向,三维六向对复合材料结构和性能的影响.研究结果表明,2.5D纤维织构的复合材料,其力学性能优于其它三种织构的复合材料,2.5D织构的复合材料弯曲强度达到了406.25MPa,三维四向织构复合材料弯曲强度只有128.80MPa,三维五向织构复合材料159.74MPa,三维六向织构复合材料150.42MPa,并结合纺织学的结构理论对这种影响进行了剖析.     

接头局部增强的复合材料层合板螺栓连接试验与数值模拟

采用真空辅助成型工艺（VARI）制备了四种局部增强的复合材料层合板螺栓连接试件，通过试验及数值模拟对其力学性能进行了研究。数值研究中将复合材料层合板连接件的拉伸作为一个准静态问题，运用ABAQUS的显示分析算法及所编写用户材料子程序VUMAT对连接件进行了三维渐进失效模拟，同时在有限元模型中采用内聚力单元模拟了层合板与所设增强层的界面分层失效。数值计算结果与试验结果取得了较好的一致，验证了本文中数值方法的有效性。研究结果表明，不同的局部增强方案对复合材料螺栓连接性能的影响较大，设置[0/90/0/90]_S铺层的内置纤维增强层能显著提高层合板的螺栓连接性能。     

碳纤维增强树脂基复合材料组分疲劳强度表征

对微观力学失效（Micro-mechanics of failure,MMF）理论的应用做了扩展,将其用于分析连续纤维增强树脂基（FRP）复合材料的三维复杂结构的疲劳强度。基于MMF理论,建立了连续FRP复合材料层合板疲劳强度表征方法。分别对碳纤维/树脂（UTS50/E51）复合材料单向层合板进行静载和疲劳试验,得到层合板的基本力学性能和宏观强度指标;对UTS50/E51层合板组分疲劳强度进行了表征,得到了纤维和树脂的拉伸、压缩MMF疲劳特征参量S-lgN曲线,为MMF方法应用于连续纤维增强复合材料层合板结构的疲劳强度分析提供了判断依据。使用建立的方法对UTS50/E51多向层合板的拉伸疲劳强度进行了分析,并将预测结果与试验结果进行对比。     

三维编织复合材料理论研究进展

有关三维编织复合材料的理论分析研究归纳为:基于细观结构几何模型的物理性能研究和力学性能研究两部分.纤维体积分数是物理性能研究的最主要参数,力学分析以复合材料的弹性性能为主.合理的几何模型决定了力学性能分析与试验结果的一致性.建立在代表性体积单元尺度的几何模型应用最为广泛,得到了力学性能的试验验证.三维编织复合材料的力学性能的数值仿真主要以有限元方法为主,然而仅仅依赖于对其弹性性能的研究结果还远远不能满足三维编织复合材料作为关键结构部件的使用要求,建立完善的断裂准则是编织复合材料大量使用的理论依据.特殊形状的一次性编织复合材料的力学性能研究有待进一步深入.     

碳纤维三维编织复合材料的结构对拉伸和弯曲性能的影响

研究了碳纤维四步法三维四向、三维五向编织结构复合材料的拉伸和弯曲性能,以及结构参数-编织角的变化对其拉伸和弯曲性能的影响,并与层合复合材料作了对比性研究.结果表明,三维编织复合材料具有良好的力学性能,其拉伸强度可达810MPa、拉伸模量可达95.6GPa,弯曲强度可达829.03MPa、弯曲模量可达67.5GPa.同时,编织角和编织结构对复合材料性能有较大的影响.随着编织角的增大,复合材料的拉伸、弯曲强度和模量均减小;三维五向结构的拉伸、弯曲强度和模量均高于四向结构;在纤维体积含量相近的情况下,通过对编织角的设计,可以设计三维编织复合材料的性能.     

三维织造层间增强的纤维棒复合材料细观结构模型及力学性能有限元模拟

针对复合材料层间增强的需求,提出了一种三维织造层间增强的纤维棒复合材料几何结构,建立了0°/90°、45°/135°及0°/90°/45°/135°3种织造方案下的复合材料单胞有限元模型,该模型能较为真实地反映织造物内纤维束与纤维棒的交织特征。通过施加周期性位移边界条件,利用该模型采用有限元方法得到了3种织造方案下复合材料的等效弹性性能参数,讨论了复合材料弹性性能与织造方案和纱线填充因子的关系,分析了在单向拉伸载荷下3种织造方案单胞的细观应力场分布,制作了实体模型,进行了相关实验。结果表明:单胞有限元模型的模拟结果与实验结果吻合较好,织造复合材料各弹性常数对纱线填充因子变化的敏感度不同,不同织造方案的复合材料具有不同的力学性能特征,其主要影响因素为纤维束在复合材料内部的排列方式。给出了3种织造模型单胞的应力场分布,为三维织造层间增强的纤维棒复合材料的结构优化提供了依据。     

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.     

立体多向编织结构对复合材料性能的影响

本文采用1×1,1×2和1×3三种不同的编织结构对轴向增强和非增强三维多向编织复合材料的性能进行了研究。对编织复合材料的拉伸强度、刚度和弯曲强度、刚度进行了实验分析。结果表明;三维编织复合材料具有良好的性能。编织结构对复合材料性能有较大的影响。纤维表面编织角和纤维体积比是影响复合材料性能的重要结构参数。通过轴向加入非编织增强纤维,使编织复合材料的拉伸强度和模量,弯曲强度和模量有了较大改善。      

复合材料三维编织结构的单元体模型

复合材料三维编织结构技术是国外八十年代发展起来的高新纺织技术。三维编织结构复合材料是一种新型结构形式的复合材料,它具有优良的抗冲击损伤性能、力学性能和耐烧蚀性能。本文讨论了三维编织结构的单元体模型,推导出有关参数之间的数学关系。     

Optimum design of weaving structure of 3-D woven fabric composites by using genetic algorithms

This paper discusses the optimum design method of the weaving structure of three-dimensional (3-D) reinforced composites. We propose the design method which combines the genetic algorithms (GA) and the finite element analysis. GA is one of the optimization techniques for the combinatorial optimization problem. In the finite element analysis, we used the original structure model which can express the fiber arrangement state in the 3-D composites faithfully. In this study, the original weaving structure model is constructed by combining the basic structure which has the fiber bundle and the cubic grid of resin. From analysis results, in the small design region, we can obtain the optimum weaving structure. Moreover, we proposed a new genetic operation, to design the weaving structure at the larger design region. These operations aim to prevent the failure of the partial weaving structure in the analytical model as much as possible. From the analysis results, the optimum weaving structure is obtained at the large design region, similar to above results. Consequently, it seems that the proposed method enables the design of the optimum weaving structure in the 3-D composites.     

三维编织复合材料弹道侵彻准细观层次有限元计算

三维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性,因而具有更高的冲击损伤容限。用钢芯弹对三维编织复合材料作弹道贯穿测试,得到弹体的入射速度和剩余速度,并考察侵彻破坏模式。目前对三维编织复合材料弹道侵彻性能计算主要建立在连续介质假设上,从真实细观结构计算三维编织复合材料弹道冲击性能尚有一定难度,用三维结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,就其中的一块倾斜单向板作弹道侵彻有限元计算,由弹体动能损失得到贯穿整个复合材料靶体后弹体的剩余速度。有限元计算及与弹道测试结果的比较证明在准细观层次上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。      

碳纤维/铜纤维混编酚醛树脂基摩擦材料的制备及其弯曲性能

以碳纤维和铜纤维为原料制备了三维四层深交联机织物,并将酚醛树脂和其他填料组成树脂体系,然后将二者进行复合成型,制成三维深交联摩擦材料。通过改变织物纬向的铜纤维含量及位置获得四种深交联机织摩擦材料,探究不同位置和含量的铜纤维对摩擦材料纬向弯曲性能的影响。结果表明:摩擦材料的弯曲性能随着铜纤维含量的增加而减小;当铜纤维处在摩擦材料预制体中间层时,会降低复合材料的弯曲性能。材料的破坏模式具体表现为树脂基体的碎裂,以及纤维的抽拔及断裂。     

Effect of Structure on the Mechanical Behaviors of Three-Dimensional Spacer Fabric Composites

Three-dimensional (3-D) spacer fabric composite is a newly developed sandwich structure, the reinforcement of which is integrally woven by advanced textile technique. Two facesheets of 3-D spacer fabric are connected by continuous fibers, named pile in the core, providing excellent properties like outstanding integrity, debonding resistance, light weight, good designability and so on. Usually the 3-D spacer fabric composite without extra reinforcement is a kind of core material. In comparison with the facesheet reinforced spacer fabric composite, here the composite without additional weaves is called mono-spacer fabric composite. In this paper, two kinds of mono-spacer fabric composites with integrated hollow cores have been developed, one with 8-shaped piles and the other with corrugated piles. The mechanical characteristics and the damage modes of these mono-spacer fabric composites under different load conditions have been investigated. Besides, effects of pile height, pile distribution density and pile structure on the composites mechanical performances were analyzed. It is shown that the mechanical performances of mono-spacer fabric composites can be widely adapted to the respective requirements through the choice of the structural factors.     

PROCESSING OF METAL AND CERAMIC MATRIX COMPOSITES WITH THREE-DIMENSIONAL BRAIDED REINFORCEMENT

This paper summarizes some of the pioneering work done in developing the processing techniques to consolidate metal and ceramic matrix composites with 3-D braided fiber architecture. The 3-D braided fiber architecture features a fully integrated structure with multidirectional reinforcement and allows for the braiding of complex shapes. For metal matrix composite, a 3-D braided AI₂O₃ fibers preform reinforced Al-Li matrix composite has been successfully fabricated by liquid vacuum infiltration methods. For ceramic matrix composites, chemical vapor infiltration technique has been used to densify a 3-D braided Nicalon fibers preform with SiC matrix composite. A significant improvement in composite performance can be achieved through the architecture of 3-D integrated reinforcement geometry. The future needs and directions for developing viable methods for fabricating strong, tough high temperature composites with 3-D reinforcements is also discussed.     

吸湿后三维编织复合材料剪切性能研究

本文对三维四向编织复合材料和长碳纤维复合材料吸湿后的剪切性能进行了研究。从试验角度得到了吸湿对复合材料的剪切性能的影响规律。并对试件断口进行了扫描电镜观察，从微观角度对复合材料的破坏机制进行了分析。     

Multi-scale modeling, stress and failure analyses of 3-D woven composites

The very complex, multi-level hierarchical construction of textile composites and their structural components commonly manifests via significant property variation even at the macro-level. The concept of a “meso-volume” (introduced by this author in early 1990s) is consistently applied in this work to 3-D stress/strain and failure analyses of 3-D woven composites at several levels of structural hierarchy. The meso-volume is defined as homogeneous, anisotropic block of composite material with effective elastic properties determined through volumetrically averaged 3-D stress and strain fields computed at a lower (“finer”) level of structural hierarchy and application of generalized Hooke’s law to the averaged fields. The meso-volume can represent a relatively large, homogenized section of a composite structural component, a lamina in laminated composite structure, a homogenized assembly of several textile composite unit cells, a single homogenized unit cell, a resin-impregnated yarn, a single carbon fiber, even a carbon nanotube assembly. When composed together, distinct meso-volumes constitute a 3-D Mosaic model at the respective hierarchy level. A multi-scale methodology presented in this paper first illustrates 3-D stress/strain analysis of the Mosaic unidirectional composite, computation of its effective elastic properties and their further use in 3-D stress/strain analysis of the Mosaic model of 3-D woven composite Unit Cell. The obtained 3-D stress/strain fields are then volumetrically averaged within the Unit Cell, and its effective elastic properties are computed. The predicted effective elastic properties of 3-D woven composite are compared with experimental data and show very good agreement. Further, those effective elastic properties are used in 3-D simulations of three-point bending tests of 3-D woven composite; theoretical predictions for central deflection show excellent agreement with experimental data. Finally, a 3-D progressive failure analysis of generic 3-D Mosaic structure is developed using ultimate strain criterion and illustrated on the 3-D woven composite Unit Cell. The predicted strength values are compared to experimental results. The presented comparisons of theoretical and experimental results validate the adequacy and accuracy of the developed material models, mathematical algorithms, and computational tools.     

短纤维交错排布复合材料沿轴等效模量的理论预测

该文针对高性能短纤维交错排布复合材料的刚度预测发展了三维"拉伸-剪切链"模型,并通过了有限元(FEM)计算验证,能够合理地预测短纤维交错排布复合材料的等效模量。验证结果显示,对于纤维长细比的变化、纤维体积含量的变化、纤维和基体间弹性模量比的变化,三维"拉伸-剪切链"模型都可以给出合理的预测,为短纤维交错排布复合材料的刚度设计提供了理论指导和参考依据。研究还显示,同样纤维体积含量和长细比下短纤维交错排布复合材料的等效模量远大于短纤维对齐排布的等效模量,说明了短纤维交错排布结构的优越性。     

三维四向复合材料微观模型的研究现状及展望

三雏四向复合材料是一种新结构形式的复合材料,具有优良的力学性能、抗冲击损伤性能及耐烧蚀性能,受到各国学者的重视.在讨论目前较为成功的"米"字型、"六面体截面"交织型、"双扭线"型等单胞微观模型的基础上,提出了"贝塞尔"单胞模型.该模型较好地模拟了三维四向复合材料纤维的走向与微观结构,为下一步深入研究打下了基础.