铺层混杂对复合材料层压板侵彻性能的影响

本文利用MTS和冲击侵彻测试装置，研究了由芳香族聚酰胺纤维、高强聚乙烯醇纤维制成的织物通过不同铺层方式与酚醛/PVB树脂复合的层压板的准静态和冲击侵彻性能。结果表明，芳香族聚酰胺织物层的加入能显著提高高强维纶织物树脂复合材料层压板的准静态侵彻刚度。随着芳纶混杂体积分数的提高，铺层混杂复合材料层压板的准静态侵彻阻力、穿孔能量（或单位面密度穿孔能量）将随之增加。从防护装具性能/重量比和性能/价格比的角度考虑，在芳香族聚酰胺与高强聚乙烯醇织物铺层混杂复合材料层压板中，高强聚乙烯醇纤维混杂体积分数可以确定为20%左右。     

真空导入模塑工艺中织物预成型体的可压缩性

采用真空加载方法研究了循环加载、织物形态、纤维种类、织物层数、铺层方式和混杂方式等参数对真空导入模塑工艺(VIMP)中纤维织物预成型体压缩行为的影响。结果表明: 预成型体纤维体积分数随着压缩循环加载次数的增加而逐渐增大, 但增幅呈现逐渐减小的趋势; 在相同的压缩载荷下, 预成型体的纤维体积分数随着织物层数的增加而增大, 但增幅很小, 对于VIMP制备复合材料构件基本可以忽略; 纤维预成型体在压缩载荷下的响应方式与织物形态、纤维种类、铺层方式和混杂方式等因素密切相关, 单向铺层比正交铺层更容易压缩而获得较高的纤维体积分数, 夹芯混杂比层间混杂方式更容易压缩。      

面向3D打印的连续碳纤维上浆工艺及其对复合材料性能的影响

对连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTPCs)进行3D打印能够实现无模具快速制造,扩展增材制造的实际应用。为进一步提高3D打印连续碳纤维增强复合材料制件的性能,采用热塑性上浆剂对干碳纤维进行上浆处理,以尼龙6(PA6)为基体打印连续碳纤维增强复合材料,对比了上浆前后碳纤维表面性质及复合材料力学和界面性能。结果表明,上浆后碳纤维表面极性官能团增加,纤维与树脂浸润性改善;纤维表面粗糙度增加,纤维与树脂的机械结合力增强;上浆后碳纤维增强PA6复合材料较原始碳纤维增强PA6复合材料层间剪切强度提高42. 2%,层间结合增强,弯曲强度提高了82%,弯曲模量提高2. 46倍; 3D打印的上浆后碳纤维增强PA6复合材料试样断面上有明显纤维拔出现象,界面性能显著改善。     

光纤布拉格光栅监测复合材料固化

复合材料层合板在固化成型过程中形成的残余应变和应力是影响材料质量的重要因素,它与预浸料铺层在固化工艺过程中产生的应变密切相关。在研究和测试了光纤布拉格光栅应变和温度传感器传感特性的基础上,将二者埋入复合材料预浸料铺层,在热压釜成型工艺过程中监测了材料内部的温度和应变发展历程,由此获得对称正交层合板的宏观残余应变。监测结果表明,单向和对称正交层合板在固化结束后都将产生收缩,对称正交层合板铺层内的残余应变平行于纤维方向为压应变,垂直于纤维方向为拉应变。光纤光栅传感器为复合材料固化监测及层合板残余应力分析提供了一种新的工具,为实现复合材料从制造到服役的全寿命、一体化监测提供了可能。      

玻璃/苎麻纤维混杂复合材料力学性能研究

混杂纤维增强复合材料由于可以综合利用各种纤维的优点,极大的提高了复合材料的性能,拓展了复合材料的适用范围。本文采用玻璃纤维和苎麻纤维混杂酚醛树脂制备复合材料,研究了复合材料混杂比和铺层顺序对混杂纤维复合材料力学性能的影响。从结果可以看出,玻璃纤维和苎麻纤维的不同比例对混杂复合材料的力学性能有着显著的影响,而采用玻璃纤维作为芯层的时候可以获得较好的拉伸性能,采用苎麻纤维作为芯层的时候可以获得较好的弯曲和剪切性能。     

苎麻纤维布和玻璃纤维布混杂铺层复合材料的力学性能

利用真空吸注成型(vacuum resin absorbable molding,VRAM)工艺制备苎麻纤维布与玻璃纤维布混杂铺层的环氧树脂基复合材料。测定复合材料的损耗因子、储能模量的温度谱和力学性能;利用单悬臂梁共振实验测量复合材料的共振频率和自由振动衰减曲线并计算出了阻尼因子。用有限元软件对其共振频率和自由振动衰减实验进行仿真分析。结果表明:通过苎麻纤维布/玻璃纤维布的混杂铺层,能够实现材料阻尼性能和力学性能的可控调节,充分发挥复合材料可设计性强的优势。其中RGR铺层的复合材料的损耗因子比纯玻璃纤维板提高了1.4倍,而拉伸强度比纯苎麻纤维板提高了3倍多;自由振动的有限元模拟曲线和实验曲线基本吻合,表明可以通过模拟软件实现复合材料的虚拟振动测试,从而为材料性能预测和设计提供方便。     

混杂比对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料弯曲性能的影响

将玄武岩纤维置于混杂铺层的压缩侧,研究了碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料的弯曲性能及混杂比对其弯曲性能的影响。通过对试样进行三点弯曲试验得到了材料的弯曲性能,并通过扫描电子显微镜观察材料的失效模式。与纯碳纤维增强环氧树脂基复合材料相比,当混杂比为16.7%和33.3%时,混杂复合材料的弯曲强度明显提升,弯曲强度分别提高12.4%和15.2%,但是其弯曲模量随着混杂比的提升而降低。混杂后的材料及玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的失效位移都高于碳纤维增强环氧树脂基复合材料,断裂韧性明显提升。从侧面观察可以发现不同铺层在压缩侧、拉伸侧和中间层有不同的失效形式。      

基于多尺度数值模型的复合材料各向异性热膨胀系数预测

依据复合材料内部纤维在基体内的排布规律及层合板铺层特性,基于多尺度方法,建立单层板和层合板代表性体积单元(RVE)模型,施加相应的边界条件,预测单层板的热膨胀系数和工程常数,进而预测复合材料层合板各向异性的等效热膨胀系数。通过与实验数据对比发现,基于正六边形单层板RVE模型预测的热膨胀系数,相比理论预测值,整体更接近实验值,其中预测的单向T300/5208碳纤维增强环氧树脂基复合材料、P75/934碳纤维增强环氧树脂基复合材料和C6000/Pi碳纤维增强环氧树脂基复合材料的横向热膨胀系数与实验结果的误差分别只有3%、1%和2%;采用单层板RVE预测的单向ECR/Derakane 510C玻璃纤维增强乙烯基酯树脂基复合材料的工程常数与实验值最大相差7.5%;层合板RVE模型预测的正交AS4/8552碳纤维增强环氧树脂基复合材料厚度方向的热膨胀系数与实验结果误差可以忽略,只有0.08%。最后以大型复合结构常用的正交铺层结构为研究对象,基于给出的单层板和层合板RVE模型预测了不同铺层复合材料烟道层合板的等效热膨胀系数,环向铺层比例对厚度方向的热膨胀系数影响较小。      

纤维复合材料粘弹性动态性能的细观力学分析

建立了纤维增强复合材料粘弹性动态性能的细观力学模型.首先建立了树脂基体相各向同性的粘弹性模型,模型参数由纯树脂基体材料的蠕变试验获取,在此基础上分别建立了针对单向和正交铺层复合材料的横观各相同性、正交各相异性的细观粘弹性模型.对单向、正交铺层复合材料进行了静态和动态试验,分别通过试验和上述理论模型得到了其阻尼比、动态储存模量、损耗模量和损耗因子,理论预测与试验结果吻合.     

熔融沉积纤维增强复合材料的研究进展

熔融沉积增材制造属于热塑性聚合物材料3D打印成型技术之一,具有原料广泛、制造成本低、个性化可定制等特点.随着制备工艺和技术的优化,近年来成型质量不断提高.同时,这种基于分层打印、逐层堆积的材料成型方式导致其力学强度偏低.发展适用于熔融沉积技术的纤维增强热塑性聚合物复合材料,利用纤维具有高比强度、高比模量的特性,可显著提高熔融沉积热塑性聚合物成型件的抗拉强度和拉伸模量等力学性能.然而,在熔融沉积纤维增强复合材料成型过程中,伴随着材料的流动与纤维取向、丝/层间结合、热量传导和残余应力等一系列复杂现象,明晰上述现象及其内在的关联性,是促进该技术应用和发展的关键.因此,近年来国内外研究者们主要从选择合适的纤维和优化制备工艺等方面不断尝试,并取得了丰硕的成果.用于熔融沉积纤维增强复合材料的纤维主要以短纤维和连续纤维两大类材料为主.短纤维复合材料发展较早、制备工艺相对简单;连续纤维复合材料成型件的力学性能相对较高.近年来,国内外研究者基于纤维增强复合材料的制备工艺、材料性能、成型机理等关键要素,聚焦于纤维含量、沉积角度、打印速度、喷嘴温度、层厚和化学助剂添加等工艺参数变化对成型件力学性能影响的相关研究,拟充分发挥纤维增强材料的技术优势,为制备较高力学性能和较好质量打印成型件提供可能.本文主要介绍了近年来国内外研究者在熔融沉积纤维增强复合材料方面的研究进展.从熔融沉积增材制造成型原理、纤维增强复合材料技术研究现状出发,介绍了短纤维和连续纤维增强复合材料的力学性能,以及工艺参数对增强复合材料力学性能的影响.最后,归纳了该技术仍存在的亟待解决的基础科学问题和关键技术问题,以及未来可能的研究方向.     

碳纤维增强聚苯硫醚复合材料激光加热原位成型过程中的温度场

连续纤维增强热塑性复合材料（Thermoplastic Composite,TPC）自动铺放（Automated Fiber Placement,AFP）可以实现铺层原位成型,因此在制造大型结构件、降低加工成本及提升生产效率方面潜力巨大。原位成型过程中铺层温度场分布对复合材料构件成型质量具有较大影响,且激光加热过程中又涉及激光能量场与预浸料吸收光能后产生的温度场之间相互耦联,机理复杂,因此结合传热模型,通过有限元模拟仿真研究激光辅助加热自动铺放成型连续碳纤维增强聚苯硫醚（CF/PPS）复合材料过程中铺层经历的温度历程。同时构建铺层温度场测量系统,对铺层经历的温度历程进行实时采集和存储。研究结果表明,铺放过程中黏合区域前方存在激光辐照阴影区,使压辊下方黏合区域的温度急剧下降;随着铺放速度的增加,黏合区域峰值温度逐渐降低,且成型速度越快,铺层间黏合区域峰值温度差越小,而热电偶测量结果与仿真结果相差越大;随着激光输出功率的增大,铺层峰值温度逐渐升高;为提高原位成型效率,当激光输出功率选择最大6kW时,最大铺放速度为0.75 m/s。通过对比,试验结果中的峰值温度与仿真模拟结果变化趋势相近,证明了有限元仿真模型的正确性。      

界面脱粘对正交铺设SiC/CAS复合材料基体开裂的影响

采用细观力学方法研究了正交铺设SiC/CAS复合材料在单轴拉伸载荷作用下界面脱粘对基体开裂的影响。采用断裂力学界面脱粘准则确定了0°铺层纤维/基体界面脱粘长度, 结合能量平衡法得到了主裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式3)和次裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式5)的临界开裂应力, 讨论了纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能对基体开裂应力的影响。结果表明, 模式3和模式5的基体开裂应力随纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能的增加而增加。将这一结果与Chiang考虑界面脱粘对单向纤维增强陶瓷基复合材料初始基体开裂影响的试验研究结果进行对比表明, 该变化趋势与单向SiC增强玻璃陶瓷基复合材料的试验研究结果一致。     

苎麻纤维增强原位阴离子聚合尼龙6复合材料的制备及性能研究

以己内酰胺为单体,经热处理的苎麻纤维(RF)为增强材料,采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)成功制备了苎麻纤维增强原位阴离子聚合尼龙6(APA6)复合材料.主要研究了热处理前后苎麻纤维表面官能团、结晶性能、力学性能和微观形貌的变化,并对复合材料的冲击断面、力学性能和热性能进行了考察.研究表明:当热处理温度为280℃时,苎麻纤维表面的羟基数量显著减少,结晶度略有降低,拉伸强度和模量有所下降,但苎麻纤维的形貌未有明显变化.RF/APA6复合材料中苎麻纤维与树脂的界面结合良好,与APA6相比,复合材料的拉伸强度略有提高,拉伸模量和弯曲性能得到明显提升,同时热稳定性显著提高.     

聚酰亚胺纤维纬编织物增强橡胶基复合材料冲击性能

针对固体火箭发动机绝热层复合材料在冲击作用下因增强织物和橡胶基体变形不协调导致的破坏问题,基于罗纹纬编结构,设计制备了两种纤维细度、三种线圈长度和两种铺层结构的聚酰亚胺纤维纬编织物增强丁腈橡胶(NBR)复合材料,测试并分析了增强结构对复合材料低速冲击性能的影响。结果表明：选用大丝束纤维、长线圈及正交铺层的复合材料具有更高的冲击峰值载荷和吸能。采用轮廓仪和显微镜观测冲击损伤形貌,在20.1 J冲击能量下试样均未被穿透,基体沿纤维方向产生裂纹并沿厚度方向产生塑性变形是复合材料主要的损伤模式。     

UHMWPE防弹复合材料正交试验设计与分析EI北大核心CSCD

铺层结构和成型工艺是影响超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight Polyethylene,UHMWPE)纤维复合材料弹道防护性能的重要因素。为评估各因素对UHMWPE纤维复合材料防弹性能的影响程度,基于正交试验设计建立了铺层角度以及包括温度、压强、时间三个热压成型工艺条件下的4因素3水平正交表并进行了9组弹道极限试验。通过对试验结果进行极差和方差分析表明,各试验因素对弹道防护影响程度由大到小依次为铺层角度、成型时间、成型压强和成型温度。此外,研究发现:[(0°/90°)_(2)]_(2n)和[(-45°/45°)_(2)]_(2n)铺层复合材料弹道冲击吸能体现为多破坏模式协同耗能,而[(0°/90°)_(2)/(-45°/45°)_(2)]n准各向铺层复合材料的弹道冲击吸能体现为单一破坏模式耗能;综合考虑防弹性能和成本确定的最优组合为成型温度120℃、压强25 MPa、时间20 min,铺层角度[(0°/90°)_(2)]_(2n)。     

苎麻纤维增强原位阴离子聚合尼龙6复合材料的制备及性能研究

以己内酰胺为单体,经热处理的苎麻纤维(RF)为增强材料,采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)成功制备了苎麻纤维增强原位阴离子聚合尼龙6(APA6)复合材料。主要研究了热处理前后苎麻纤维表面官能团、结晶性能、力学性能和微观形貌的变化,并对复合材料的冲击断面、力学性能和热性能进行了考察。研究表明:当热处理温度为280℃时,苎麻纤维表面的羟基数量显著减少,结晶度略有降低,拉伸强度和模量有所下降,但苎麻纤维的形貌未有明显变化。RF/APA6复合材料中苎麻纤维与树脂的界面结合良好,与APA6相比,复合材料的拉伸强度略有提高,拉伸模量和弯曲性能得到明显提升,同时热稳定性显著提高。     

芳纶Ⅲ纤维拉伸性能的实验研究

测试了芳纶Ⅲ纤维的拉伸性能等,并与F-12和Kevlar-49纤维进行了对比.对由芳纶Ⅲ纤维与环氧树脂基体复合成型的单向纤维增强环形试样,测试了其拉伸强度、弹性模量和层间剪切强度,结果表明:芳纶Ⅲ纤维单向纤维复合材料的拉伸强度和弹性模量与F-12纤维相当,分别比Kevlar-49纤维要高出约25.7%和24.7%;但早期的芳纶Ⅲ纤维与环氧树脂基体的界面结合性较差,层间剪切强度仅为32.0～35.2MPa.     

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。     

3D打印聚合物纳米复合材料的研究进展

相对于传统制造方法如挤出成型、模压成型等,3D打印技术不仅能够快速成型结构复杂且精细的产品,而且还可以根据不同功能、性能需求选择不同材料进行快速制造.凭借这一优势,3D打印越来越受到人们的重视,越来越多的3D打印产品被应用到人们的生活、学习和工作中.在众多3D打印材料中,聚合物材料(如热固性和热塑性聚合物等)的占比大、应用广,大到房屋内饰、小到微/纳米电子设备都可以通过3D打印聚合物材料来实现.然而,相比于传统方法制造的聚合物材料,3D打印聚合物材料强度低、打印层之间界面结合差,所以目前3D打印聚合物材料主要用于模型和非结构材料.为提高3D打印聚合物材料的强度,纳米材料(如纤维素纳米晶)常被用作增强体与聚合物材料混合打印,以此制备高强、多功能的3D打印纳米复合材料.纤维素纳米晶来源广泛、价格低廉、可再生、强度高,是一种十分理想的天然纳米增强材料.因此,近年来纤维素纳米晶在3D打印聚合物纳米复合材料中的应用受到广泛关注.除研究纳米材料对3D打印聚合物材料性能的影响外,研究者们还从纳米材料改性和新型纳米材料的研发等方面不断进行尝试,在提高3D打印聚合物纳米复合材料强度的同时赋予其更多的功能性,并取得了丰硕的成果.此外,借助光固化3D打印和聚合物熔融沉积成型两项基本原理相近、成型机理不同的3D打印技术,研究者们从打印纳米复合材料的结构、性能及功能出发,分别研究不同打印技术实现材料"结构-性能-功能"的可能性和可行性,为3D打印聚合物纳米复合材料的拓展应用提供了可靠依据.本文在简述3D打印技术的基础上,重点阐述常用于热固性和热塑性聚合物3D打印技术的基本原理和特点;着重分析两项不同3D打印技术在聚合物纳米复合材料领域的应用情况,总结3D打印聚合物纳米复合材料的性能特征和应用范围,以期为3D打印纳米复合材料的广泛应用奠定基础.     

基于轻量化目标的发射箱纤维增强材料铺层设计

目的以某型发射箱复合材料箱体为对象,探讨复合材料箱体的纤维增强材料铺层设计方法。方法以箱体质量为控制为目标,运用复合材料层合板力学理论结合有限元分析方法进行纤维增强材料铺层计算。结果将纤维的体积分数控制在43.6%,箱体玻璃纤维布铺层总数量为10层,可实现箱体的质量控制目标为(23±1)kg。结论获得的纤维增强材料铺层方式可有效保证箱体的质量一致性和尺寸控制要求。