纺织复合材料纤维预制体力学性能测试方法研究进展

纺织复合材料具有质量轻、强度高，可设计性强等诸多优势，在航空航天领域得到广泛应用。纺织预制体的纤维结构对复合材料的最终力学性能有着决定性影响。然而，预制体的纤维结构在织造过程中不可避免地会发生宏观尺寸和微细观结构的变形，甚至产生褶皱缺陷。纺织预制体作为一种柔性骨架，其变形机制十分复杂。采用试验测试来表征预制体的力学变形特性是最直接、最有效的方法，也是建立理论和数值分析模型的基础。本文对纺织复合材料预制体的拉伸、压缩、弯曲、剪切和成型试验等测试方法进行了综述，讨论了不同测试方法的优缺点及适用条件，对后续的研究工作进行了展望。本研究将为预制体力学测试技术的改进、测试标准的建立和成型过程中的准确控形提供理论指导，对纺织复合材料的结构设计和工程应用起到推动作用。     

上浆量对碳纤维的立体织造损伤及其复合材料拉伸性能的影响

结合立体织造技术和树脂传递模塑(RTM)工艺制备了不同上浆量国产碳纤维的2.5D经向增强复合材料。使用毛羽测试法、复丝拉伸法及SEM分析了不同上浆量预制织物中经纱、衬经纱和纬纱的织造损伤情况。结果表明:碳纤维织造损伤率随着上浆量的增加而减小;2.5D经向增强复合材料中纱线的损伤率大小依次为纬纱、经纱、衬经纱。复合材料拉伸性能测试结果表明:当国产碳纤维上浆量为2.01%时,2.5D经向增强复合材料的性能最佳。     

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。     

三维纺织物的纺织与固化工艺研究

三维编织复合材料具有优良的力学性能，已引起了广泛的关注。本文主要介绍了三维编织复合材料预制件的编织、固化工艺以及三维编织复合材料的优良性能。     

纤维增强树脂基复合材料防弹性能影响因素及破坏机制

以超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维、S-玻璃纤维、芳纶1414纤维和杂环芳纶纤维增强聚烯烃(Polyolefin,PO)和水性聚氨酯(Waterborne Polyurethane,WPU)树脂,采用热压工艺制备正交单向无纬(UD)结构复合材料装甲板;通过装甲板弹道极限速度测试,研究了纤维增强树脂基复合材料装甲板防弹性能的影响因素;通过体视显微镜观察装甲板侵彻破坏形貌,分析了纤维增强树脂基复合材料的破坏机制。结果表明:UHMWPE纤维增强PO树脂基复合材料的防弹性能与UHMWPE纤维的强度和模量呈正相关,但纤维模量对复合材料防弹性能的影响随着纤维模量的增大而逐渐变弱;在WPU树脂体系下,四种纤维的防弹性能由高到低依次是UHMWPE纤维、杂环芳纶纤维、芳纶1414纤维、S-玻璃纤维;纤维增强树脂基复合材料装甲板中纤维破坏方式有迎弹面纤维被剪切冲塞、中部被纤维拉伸变形后剪切、背弹面纤维被拉伸断裂,中部纤维拉伸变形是消耗子弹动能的主要方式。     

三维编织物的缝合连接技术研究

缝合连接三维编织技术有效地解决了制作复杂形状异型件时存在的局限性。它把三维编织工艺和缝合工艺结合起来,从而满足了工程设计和整体性的要求。本文主要探讨了缝合连接形式、缝合连接工艺参数以及它们对缝合连接强度的影响,并且对缝合连接的基本破坏模式进行了分析。本文为缝合连接三维编织复合材料的结构设计、工程应用和力学性能研究提供了基础依据,同时提出了当前研究中应解决的问题以及缝合连接三维编织复合材料的主要研究方向。     

环氧改性水性聚氨酯上浆剂对碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面性能的影响

使用自行合成的环氧改性水性聚氨酯(EWPU)上浆剂对碳纤维进行表面处理,主要研究了EWPU上浆剂对碳纤维表面及碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面性能的影响。采用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和静态接触角等表征方法对比研究了二次上浆处理前碳纤维(CF)和处理后碳纤维(MCF)的表面形貌、表面化学元素组成和浸润性的变化,并通过单纤维破碎实验和短梁剪切法,研究了EWPU上浆剂对碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面力学性能的影响。结果表明,经EWPU上浆处理后碳纤维表面O/C值增加了39.13%,表面活性官能团的含量增加了14.97%,碳纤维与树脂的初始和稳态接触角分别减小了19.41%和20.59%,碳纤维/氰酸酯树脂复合材料的单丝界面剪切强度和层间剪切强度分别增加了13.42%和14.29%。     

“龟裂”纳米纤维片/玻纤织物复合预制体的层间渗流特性

结合静电纺丝技术和高温煅烧方法制备了“龟裂”TiO₂纳米纤维/玻纤织物复合预制体,使用光学显微镜对TiO₂纳米纤维片的制备工艺进行了优选,采用径向法测量了含有不同厚度TiO₂纳米纤维片复合预制体的渗透率,重点分析了层间“龟裂”纳米纤维片对玻纤织物预制体渗流模式的影响。结果表明,纺丝溶胶液用量为1.0~4.0 mL时可在玻纤织物表面制备出成型良好且附着力强的“龟裂”纳米纤维片;与空白玻纤预制体相比,复合预制体的主渗透率增加了2~3个数量级;复合预制体表现出的各向异性程度随溶胶液用量的增加呈增大的趋势,宏微观流动存在同步性,且随注入时间的延长,同步性更加显著。     

含孔三维编织复合材料制件应变场的研究

采用云纹干涉法和数字散斑相关法对编孔和钻孔的三维编织复合材料制件进行孔边纵向应变场的测试.结果证实,编孔复合材料制件更适合于作为含孔结构的复合材料连接件.     

亚麻/聚丙烯复合材料的制备及拉伸、顶破性能

以亚麻纤维作为增强纤维,以聚丙烯纤维作为树脂基体,通过模压成型工艺方法,制备了绿色环保型亚麻/聚丙烯复合材料,主要研究了纤维长度、模压温度及保温时间对复合材料拉伸性能及顶破性能的影响.结果表明:模压温度对复合材料性能的影响最显著;当纤维长度为5 mm、模压温度为180℃、保温时间为40 min时,复合材料的拉伸性能最优;在纤维长度为5 mm、模压温度为170℃、保温时间为40 min时,复合材料的耐顶破性能最优.