An Experimental Investigation into the Damage Mechanisms in Notched CCF300/QY8911 and T300/QY8911 Composites Subjected to Hygrothermal Environment Condition

An experimental study was carried out to determine the notched tension characteristics of CCF300 fiber reinforced composite and T300 fiber reinforced composite subjected to normal and hygrothermal environment conditions. First, tests to failure with residual strength were carried out and the damage progressions were carefully investigated. Scanning electron microscope (SEM) was then employed for fractographic investigations. It was found that the CCF300/QY8911 composite specimens with poor interfacial adhesion between fiber and matrix exhibited higher residual strength, while the T300/QY8911 composite specimens with well adhesion had shorter ultimate strain. Damage progression mechanisms in the two material systems were very different. The major damage mechanism of CCF300/QY8911 composites was delamination generally occurring at lower stresses, which allowed higher levels of damage formation and resulted in higher ultimate strength. When changing to hygrothermal environment condition, greater damage was observed and off axis plies were extensively pulled out from the adjacent plies. On the other hand, all of the T300/QY8911 composite specimens failed due to fiber fracture with less damage, leading to a lower residual strength regardless of the environmental conditions. Further examinations showed that the failure mode of CCF300/QY8911 composite was much more sensitive to the hygrothermal environment, for the micro-failure mode had changed from matrix failure and fiber breakage to fiber/matrix splitting and fiber bundle pullout.     

湿热循环对CCF300/QY8911复合材料界面性能的影响

通过对CCF300/QY8911复合材料试样进行循环吸湿-脱湿处理,绘制吸湿和脱湿曲线并用Fick第二定律进行拟合,采用层间剪切强度(ILSS)表征不同湿热条件对纤维/树脂界面性能的影响,再通过SEM观察试样剖面和侧面的微观形貌.结果表明:CCF300/QY8911复合材料的吸湿和脱湿行为符合Fick第二定律,试样水浸(水温71℃)14天后达到饱和吸湿率;水对CCF300/QY8911复合材料纤维/树脂界面的破坏分为可逆和不可逆,脱湿处理会消除可逆破坏,使干态ILSS有所回复;湿热循环次数增加会进一步引起纤维/树脂界面产生不可逆破坏,使CCF300/QY8911复合材料ILSS降低,但吸湿是引     

碳/双马来酰亚胺层板加压冲击后的损伤研究

本文对预压碳/双马来酰亚胺层板进行了冲击试验.运用超声C扫描,金相技术和揭层法对冲击损伤进行了细致观察与描述,得到了较全面的细观损伤面貌.研究表明,分层是其主要损伤形式,并几乎分布在所有界面上.分层的形状不规则,但主方向均沿着界面下层纤维方向.分层面积与相邻两层的铺层方向间的夹角及铺层顺序有关.预加压对其内部分层分布有较大影响,最大的分层处于层板背面部分接近中面的界面上.     

T300/QY8911 π/4层压板机械连接干涉疲劳

本文对T300/QY8911π/4层压板机械连接干涉配合进行了静拉伸挤压和拉-拉疲劳试验。与滑配合比较,干涉使静挤压强度略有提高,但能使疲劳寿命增加数倍。文中用有限元方法计算了两种配合的孔边应力分布。并对疲劳损伤用X射线作了检测,初步分析了干涉配合的增寿原因。      

缝合复合材料单向板的拉压性能

缝合复合材料改善了层合复合材料易分层的缺陷,其力学性能研究具有重要意义。建立缝合复合材料单向板的三维有限元分析模型,考虑了缝合针脚造成的纤维面内和面外弯曲,分析了纤维弯曲对拉伸和压缩性能的影响。结果表明,模型能很好预测缝合单向板拉伸和压缩性能,同时考虑纤维面内和面外弯曲对预测更为有利,纤维面内和面外弯曲是影响强度的主要因素,纤维面内弯曲对模量影响较大,而纤维面外弯曲对模量的影响可以忽略不计。     

T300/QY8911层合板低速冲击试验及有限元模拟

对T300/QY8911复合材料层合板进行了低速冲击试验研究及数值仿真模拟。通过自由落体装置对层板进行冲击,并使用超声C扫描技术检测了层板冲击后的损伤状态,获得了不同能量下层板内部的损伤面积。建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤演化的3D有限元模型,模型包含了用于模拟分层损伤的界面元和用于模拟纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤裂等面内损伤形式的3D实体单元。该模型考虑了面内基体损伤对层间强度的影响。本文中的数值仿真结果和试验结果的对比验证了模型的合理性和有效性,文中还分析了影响低速冲击后层板内部分层面积的主要因素。     

湿热、紫外环境对T300/QY8911复合材料孔板静力性能的影响

采用试验方法研究了湿热、紫外环境对T300 碳纤维/QY8911双马树脂复合材料静力拉伸和压缩性能的影响。针对 T300/QY8911复合材料层板的中心开孔试件,进行了常温干态、湿热环境、紫外辐射以及湿热和紫外共同作用下的静力拉伸和压缩试验。吸湿试验的结果表明,T300/QY8911复合材料试件的平衡吸湿率在0.6%左右。静力试验的结果表明：孔板的拉伸强度受到环境的影响较小;湿热会降低由基体性能主导的压缩强度、刚度等复合材料性能,吸湿后75℃ 和105℃ 环境下试验件压缩强度分别下降6.8%和20.3%;而紫外使复合材料孔板的压缩强度有所升高,300 MJ/m2 以上的紫外辐射量使试验件的压缩强度提高了10%左右,显示其对复合材料的性能有着更为复杂的影响规律,并且可能与湿热的影响存在交互作用。     

A Graphical Method Predicting the Compressive Strength of Toughened Unidirectional Composite Laminates

The in-plane shear and compressive properties of unidirectional (UD) HTS40/977-2 carbon fibre-toughened resin (CF/TR) laminates are investigated. Scanning Electron microscopy (SEM) and optical microscopy are used to reveal the failure mechanisms developed during compression. It is found that damage initiates by fibre microbuckling (a fibre instability failure mode) which then is followed by yielding of the matrix to form a fibre kink band zone that leads to final fracture. Analytical models are briefly reviewed and a graphical method, based on the shear response of the composite system, is described in order to estimate the UD compressive strength. Predictions for the HTS40/977-2 system are compared to experimental measurements and to data of five other unidirectional carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composites that are currently used in aerospace and other structural applications. It is shown that the estimated values are in a good agreement with the measured results.     

循环湿热环境中CCF300/5405复合材料的吸湿脱湿行为

研究了CCF300碳纤维/5405双马树脂复合材料在71 ℃恒温水浸循环吸湿-脱湿行为。试样经过三次饱和吸湿-脱湿过程, 探讨不同循环次数CCF300/5405复合材料的吸湿率和水分扩散速率变化, 并采用SEM观察纤维/基体界面变化, 分析了造成循环湿热环境下复合材料体系吸湿-脱湿变化的原因。研究结果表明: CCF300/5405复合材料的吸湿行为基本满足Fick第二定律, 并且在水浸14天后达到饱和吸湿状态, 饱和吸湿率约为0.66%; 材料吸湿处理后, 纤维与基体间的界面遭到水分破坏, 产生大量空隙和裂纹, 使水分的扩散速率明显增加, 饱和吸湿率略有增大, 并且这种破坏不可逆。      

T300/QY8911十字叠层复合材料冲击损伤与破坏的实验研究

对T300碳纤维增强QY8911双马来酰亚胺树脂十字叠层复合材料的冲击损伤与破坏特性进行了实验研究。采用落锤(自由落体)冲击试验方法,测定了三类铺层结构板材的冲击破坏强度和冲击损伤能量门槛值;将冲击强度与破坏模式和静态三点弯曲情况做了对比。用宏、细观方法检测了冲击损伤特性。对低于门槛值的冲击动力学行为给出了分析模型。     

层间颗粒增韧HT3/QY8911的损伤阻抗和损伤容限

采用热塑性颗粒对双马基体复合材料层合板HT3/ Q Y8911 进行层间增韧, 制备未加入增韧颗粒的对比件和加入增韧颗粒的改性件。通过准静态压痕(QSI) 实验和冲击后压缩实验, 研究了层间增韧后HT3/ Q Y8911的损伤阻抗和损伤容限特性。结果和分析表明, 改性件在静压痕力下具有较高的分层起始载荷, 或在相同载荷水平下具有较小的损伤面积。提出从分层起始点载荷大小和载荷下降程度两方面来衡量试件对准静压痕力的响应。在相同的静压痕力或单位厚度冲击能量下, 层间增韧后的HT3/ Q Y8911 具有较深的凹坑, 表明塑性变形较大的层间区域以凹坑为代价换取了较小的损伤面积, 具有较高的损伤阻抗。在冲击后压缩面积相差不大的情况下, 层间增韧件的冲击后压缩强度和压缩破坏应变显著增加。      

国产炭纤维CCF300与T300炭纤维复合材料剪切载荷下的失效模式研究

对国产炭纤维与T300炭纤维复合材料层合板在常温干态、常温湿态、高温干态与高温湿态四种环境条件下进行了短梁剪切实验.采用宏观和微观相结合的方法,对其剪切性能、失效模式与损伤机理进行了对比研究.结果表明:界面性能是影响纤维树脂基复合材料剪切性能与失效模式最为重要的因素,而国产炭纤维复合材料在界面性能的控制上还有待改进.因此,国产炭纤维复合材料要进一步推广应用,还需进一步改善其界面性能,尤其是高温高湿条件下的界面性能.     

CCF300炭纤维的微观结构分析

利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、小角X射线散射(SAXS)和Raman光谱研究了不同性能的国产CCF300炭纤维的断面形貌、微晶结构和内部微孔参数.结果表明:三种炭纤维的断面均呈颗粒状特征.相对于CCF300 (B)和CCF300(C)炭纤维,CCF300 (A)炭纤维的石墨微晶堆砌更紧密,微孔含量更低,微孔沿纤维轴向取向角较小,且石墨微晶的有序度较高,因此后者具有更高的拉伸强度和模量.强度相当的CCF300 (B)和CCF300 (C)炭纤维,CCF300(B)模量稍高的原因在于前者的平均微孔尺寸较小,取向角也较小,且其石墨堆砌厚度和有序度(即石墨化程度)略大于后者.     

CCF300/5228A复合材料层合板“离位”增韧研究

环氧树脂5228A固化诱导5228A/PAEK共混体系相分离,随着PAEK含量增加,固化机理由成核-生长机理向旋节线分相转化,在微观相形貌上表现为海岛-双连续-相反转结构形式的转变,富PAEK热塑相在脆断作用载荷下的塑性变形以及部分富5228A热固微球结构的撕裂,预示着两相之间构建的良好界面;通过PAEK膜对CCF300/5228A复合材料“离位”增韧,重新构建了其特定的周期性微结构;动态热机械分析结果表明,“离位”增韧后复材的玻璃化转变温度略有降低,但基本不会影响原5228A基体树脂的应用温度范围;冲击试验结果表明,无论是损伤阻抗还是冲击后剩余压缩强度(CAI)均获得大幅度提高.     

多向混杂纤维复合材料压缩及弯曲行为EI

本文采用工程上常用的铺层角，保持铺层角度序列不变，通过改变混杂结构对多向混杂复合材料的压缩、弯曲力学行为进行了实验分析研究。发现了多向混杂复合材料的弯曲混杂效应，提出了多向混杂纤维复合材料的弯曲混杂数的概念，为混杂纤维复合材料准确地进行选材和材料设计，为混杂复合材料更广泛运用提供了理论基础。     

吸湿对印制电路板层压板热膨胀系数的影响

水分对印制电路板的可靠性有重要影响.电路板中的水分子可以改变电路基板的热性能及热力学性能,从而影响电路板及元器件的正常功能.研究了吸湿对两种无卤PCB及两种含卤PCB层压板热膨胀系数的影响,评价了IPC-TM-650 2.4.24测试方法中预处理方法对吸湿样品的适用性.结果表明,PCB层压板中的水分对PCB层压板的热膨胀曲线有明显影响,但传统的热膨胀系数计算方法并不能显示这种影响,对此作了详细分析并提出了改进建议.同时,IPC测试方法中的预处理可以降低湿度对样品热膨胀曲线的影响,但不能完全消除.     

国产CCF300/双马树脂层合板高温拉伸与压缩性能试验研究

对碳纤维(CCF300)/双马树脂(GW-300)复合材料层合板进行了200 ℃和300 ℃高温环境下的拉伸和压缩性能试验, 研究其在不同温度环境下基本力学性能的变化。研究结果表明, 由基体控制试件在高温下的拉伸强度和模量比由纤维控制试件降低的比例大; 随着温度的升高, 厚试件的压缩强度比薄试件的压缩强度提高幅度明显; 高温下, 拉伸性能保持率较高, 而压缩性能保持率较低; 300 ℃下基体控制试件和纤维控制试件的拉伸强度保持率分别达70%以上和90%以上, 而厚试件和薄试件的压缩强度保持率都只略高于30%。      

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     

An Experimental Study of the Influence of in-Plane Fiber Waviness on Unidirectional Laminates Tensile Properties

As one of the most common process induced defects of automated fiber placement, in-plane fiber waviness and its influences on mechanical properties of fiber reinforced composite lack experimental studies. In this paper, a new approach to prepare the test specimen with in-plane fiber waviness is proposed in consideration of the mismatch between the current test standard and actual fiber trajectory. Based on the generation mechanism of in-plane fiber waviness during automated fiber placement, the magnitude of in-plane fiber waviness is characterized by axial compressive strain of prepreg tow. The elastic constants and tensile strength of unidirectional laminates with in-plane fiber waviness are calculated by off-axis and maximum stress theory. Experimental results show that the tensile properties infade dramatically with increasing magnitude of the waviness, in good agreement with theoretical analyses. When prepreg tow compressive strain reaches 1.2%, the longitudinal tensile modulus and strength of unidirectional laminate decreased by 25.5% and 57.7%, respectively.