基于纳米压痕法的民机复合材料胶接维修界面微区力学性能研究

胶接维修是民机碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)结构的重要维修方式,而胶接界面微观结构及微区力学性能几乎决定了胶接维修效果及耐久性。以共固化胶接维修试样为基础,以维修试样的界面微区为研究对象,采用扫描电镜(SEM)对界面微区形貌进行分析;采用纳米压痕仪对界面微区的微观力学性能进行测试,主要表征界面微区不同位置的微观硬度、模量及加载-卸载曲线。研究结果表明,胶接维修界面存在过渡区域,其宽度约为2μm;维修母体与补片中纤维的微观力学性能并无太大差异;但由于固化成型工艺不同(母体为热压罐工艺,补片及胶膜为真空袋工艺),母体树脂的硬度与弹性模量略高于补片树脂。     

复合材料RTM十字型接头疲劳性能对比实验研究

测试了复合材料RTM十字型接头疲劳性能,分析对比RTM、缝纫RTM和共胶接3种不同成型工艺十字接头的疲劳强度,结果表明:RTM成型十字接头具有良好的疲劳性能,缝纫RTM接头仅为前者的1/4,而先固化后胶接接头最低.研究还发现,复合材料疲劳寿命对成型工艺非常敏感,导致试验结果存在严重分散性.RTM和缝纫RTM的接头破坏都是从根部富树脂区的尖端率先产生裂纹,然后裂纹沿着富树脂区和玻璃布的界面向下扩展,直至接头的整体破坏;先固化后胶接接头则表现为中间层板和T接头的胶层拉伸破坏.     

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接头弯曲性能

为了研究Z-pin对单搭接头弯曲性能的影响,制备了不同参数Z-pin增强单搭接头试样,研究了Z-pin单搭接头在三点弯曲载荷下连接性能.结果表明:Z-pin(直径0.5mm)体积分数从0％～1.5％时,弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而增加,体积分数在1.5％～3.0％范围内时,试样的弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而下降,Z-pin体积分数为1.5％时达到最大值1303.2N;Z-pin直径为0.3～0.7mm时(体积分数1.5％),峰值载荷随着直径的增加而增加,0.7mm增强接头的弯曲载荷比0.3mm增强接头高出27.9％.Z-pin植入角度对单搭接头弯曲性能影响不大.另外,随着搭接长度的增加,单搭接头的弯曲性能提高.     

用四点弯曲试验确定焊接接头的薄弱区

通过全厚度的四点弯曲试验确定了 14MnNbq钢焊接接头的薄弱区 ,该方法简单直观 ,其结果得到了冲击试验的验证     

三维机织复合材料预制体经密与弯曲性能的有限元分析

借助绘图软件PRO/E构建出不同经密的三维浅交弯联机织复合材料结构模型。使用有限元分析软件ANSYS对构建出的复合材料三维模型在位移为1mm的弯曲载荷作用下复合材料的弯曲力学性能进行模拟,并分别对纤维、树脂的应力、应变分布进行模拟,分析其弯曲破坏机理。并通过定性实验,得到了与模拟结果相同的结论,验证了模拟结果的准确性。结果表明:在1mm的弯曲载荷作用下经密为4根/cm的复合材料弯曲性能优于经密为3根/cm的复合材料;复合材料与弯曲试样接触的位置更容易发生破坏;该复合材料模型在1mm的弯曲载荷作用下破坏模式主要为树脂的破碎、纤维与树脂间的脱粘。     

高温热曝露对3D-C/SiC复合材料弯曲性能的影响

3D-C/SiC复合材料试样在空气介质中600℃、900℃和1300℃热曝露不同时间后,采用三点弯曲法测试了以室温弯曲弹性模量表征的损伤变化规律,并进行了SEM和EDS分析.结果表明:3D-C/SiC在热曝露15 h后,损伤变化可分为急剧上升(阶段Ⅰ)和平稳上升(阶段Ⅱ)两个阶段.阶段Ⅰ归因于炭纤维和炭层界面在空气中的直接氧化,阶段Ⅱ由复合材料内部氧的扩散所致.在复合材料制备过程的冷却阶段,因基体和炭纤维热膨胀系数不同所产生的基体微裂纹提供了氧化反应的表面与氧扩散的途径.在同一热曝露时间下,损伤随温度的上升而减少的原由可能是由于高温下裂纹收缩导致氧化表面减少,并降低氧向复合材料内扩散所致.     

孔洞型碳纤维三轴机织物/环氧树脂复合材料的弯曲和拉伸性能

以T300碳纤维为增强纤维材料,环氧树脂为树脂基体,采用树脂膜熔渗(Resin film infusion,RFI)工艺制备碳纤维三轴机织物/环氧树脂(Triaxial woven fabric/epoxy resin,TWF/EP)复合材料。通过三点弯曲试验和拉伸试验研究了复合材料试样的面内弯曲性能和面内拉伸性能,采用3D轮廓仪观察拉伸试验后试样的损伤形貌,并分析其损伤机制。研究结果表明：TWF/EP复合材料的弯曲弹性模量表现为准各向同性,复合材料的孔洞率、碳纤维束规格与弯曲弹性模量呈现显著正相关性,与拉伸模量呈现负相关性。在拉伸载荷作用下,TWF/EP复合材料的主要失效模式包括纤维束断裂、纤维束拔出和交错失效,拉伸断裂机制主要为纯剪切破坏、扭转剪切破坏、拉剪耦合破坏。此外,在渐进损伤过程中,应变集中区发生在纱线交织点处。     

不同针织结构经编碳纤维复合材料弯曲性能

通过对3种不同针织方式碳纤维经编织物结构的分析和弯曲性能测试, 研究了织物针织方式对NCFs复合材料力学性能的影响。采用链式缝编的 织物与经平缝编的 织物相比, 束缚效果更好, 经编线引起的纤维变形区的宽度较小, 因此 织物增强的复合材料中的富树脂区和空洞相对较少, 弯曲强度和模量均高于 复合材料。单向经编织物也采用经平缝编, 纤维取向与双轴向织物相比更准确, 由于缝编引起的纤维变形和损伤较少, 复合材料的弯曲性能高于两种双轴向经编材料。      

不同结构UHMWPE纤维纬编针织复合材料弯曲性能

以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维为原料,在电脑横机上编织出较理想的UHMWPE纤维纬平针、罗纹、畦编针织结构织物.采用VARTM工艺、(0°,90°)3s铺层方式成功制备了六层纬平针、六层罗纹以及六层畦编UHMWPE纤维纬编针织复合材料板.对三种复合材料板的弯曲性能及其影响因素进行研究,比较并分析其弯曲应力-挠度变化曲线和破坏形式.结果表明:三种UHMWPE纤维纬编针织结构增强复合材料的弯曲应力-挠度曲线具有非线性特征,曲线均类似于抛物线;其中,纬平针织结构复合材料的弯曲强度最大,罗纹次之,畦编最小;承受弯曲破坏的主要是树脂基体,没有出现增强体断裂、撕开等现象,表明由高强聚乙烯纤维制成的增强体材料具有较强的韧性与较高的强力.     

铝合金表面特性对其胶接性能影响的研究进展

不同的表面处理方法会导致铝合金表面的表面理化特性发生改变,从而对铝合金板材与胶黏剂的界面结合强度以及胶接接头的耐腐蚀性能有很大的影响。本文从铝合金表面粗糙度、微观织构、表面氧化层和涂层化学特性等方面入手,对铝合金胶接接头的界面强度和耐腐蚀性能影响的研究现状进行了综述。探讨了铝合金胶接研究发展趋势,并认为铝合金表面理化特性的参数化表征以及表面特性与胶接性能的关系模型建立等方面是今后研究的重要方向。     

3238A/EW250F复合材料的弯曲疲劳性能

运用三点弯曲加载方式对3238A/EW250F复合材料的弯曲疲劳性能进行了研究。结果表明:该复合材料弯曲疲劳寿命的分散性较小,所有试验点的疲劳寿命都满足90%置信度的中值寿命;所有试样均在有效部位发生破坏,且试样表面出现分层后,还有较长的一段寿命期;试验测得0°方向铺层3238A/EW250F复合材料的条件疲劳极限以动应力表示为σr=73.2 MPa。     

碳纤维表面处理对2D碳/碳复合材料弯曲性能的影响

为改善纤维与基体的界面结合状态及提高碳/碳复合材料性能,采用1700℃惰性气体保护、2200℃惰性气体保护、400℃空气氧化三种表面处理方法对碳纤维进行了表面处理.结果表明,经过2200℃处理后的纤维表面比较粗糙,有很多沟槽,制备的碳/碳复合材料中纤维与基体结合紧密,弯曲强度比未经表面处理的纤维制备的碳/碳复合材料弯曲强度提高75%;经过400℃处理后的纤维表面凹坑、凸起较纤维未处理前增多,制备的碳/碳复合材料中纤维与基体结合强度适中,其弯曲强度比未经表面处理的纤维制备的碳/碳复合材料弯曲强度提高43%;而经过1700℃处理的纤维表面比较光滑,纤维与基体结合弱,弯曲强度比未经表面处理的纤维制备的碳/碳复合材料的弯曲强度低.     

玻璃纤维织物复合材料弯曲疲劳行为的试验研究

通过对平面编织玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的弯曲疲劳试验, 对其疲劳机理作了深 入研究, 从细观的角度对其疲劳损伤的产生、发展的行为及其形态特点作了详细的阐述。给出了典 型的刚度弱化模式, 并对其作了分析。      

沥青基炭／炭复合材料的弯曲断裂特征

以1KPAN基高强度炭纤维为增强体、以调制中温煤沥青为基体前躯体,采用压力浸渍－炭化工艺制备出了不同密度二维沥青基炭／炭复合材料。经过对复合材料试样进行的弯曲试验表明,其弯曲断裂特征与材料密度具有密切的联系。根据弯曲强度－位移曲线,高密度复合材料表现为脆性断裂,而低密度复合材料表现为韧性断裂。从弯曲断面的SEM图片来看,脆性断裂时的断面比较平整,韧性断裂时断面上有大量炭纤维拔出。炭／炭复合材料的断裂破坏过程实质上就是基体裂纹在材料内的扩展过程,其扩展的途径与界面结合状况有关。裂纹沿界面的扩展将引起基体与纤维的脱粘,脱粘又导致纤维与基体之间的相对滑动,这种相对滑动将吸收相当一部分能量,从而可以延缓材料的断裂过程,起到韧化作用。     

折线型截面复合材料层合梁弯曲性能预测与分析

基于各向异性复合材料层合板弹性理论,研究空间折线型复合材料层合梁弯曲性能计算方法。首先推导了考虑铺层设计的翼缘板和腹板在局部坐标系下的刚度矩阵和本构关系,然后通过平行移轴原理建立折线型复合材料层合梁的整体抗弯刚度理论计算公式,在此基础上求出结构在竖向荷载作用下的挠度值。有限元与理论值对比表明本文的理论计算公式有较好的精度。此外,还分析了翼缘与腹板水平夹角及纤维纵横向铺层比对层合梁挠度的影响。结果表明:结构的挠度随夹角的增大而减小,且夹角越大理论值与有限元值越接近,而纤维纵横向铺层比的变化对结构挠度影响几乎可以忽略。该弯曲预测方法可用于计算Z型、槽型、工字型等空间折线型截面复合材料层合梁刚度和位移。     

碳纤维／铜—5%锡基复合材料的弯曲性能

测定了具有不同碳纤维的短碳纤维增强铜-5％锡基复合材料的弯曲强度值,实验表明:随碳纤维体积含量的增大,弯曲强度上升,并近似符合σ=94.5-421V_f+1557V_f~2(MPa)拟合式。与粉末治金铁基摩擦材料的弯曲性能对比表明:复合材料的弯曲性能较好。对碳/铜复合材料的弯曲断口作了扫描电镜观察,断口呈“部分拔出型”。最后,结合弯曲强度实验结果及断口观察,初步分析了该复合材料的断裂过程。     

高延性水泥基复合材料弯曲性能的率效应

探究了不同加载速率(0.1、1、10和50 mm/min)、不同PVA纤维掺量(体积分数1.5%、1.75%、2%)以及混杂使用PVA纤维与碳酸钙晶须对高延性水泥基复合材料(High Ductility Cementitious Composites, HDCC)弯曲性能的影响。试验结果表明：随着加载速率的提高,HDCC的抗弯强度呈上升趋势,但试件的能量吸收能力下降,弯曲韧性降低。PVA纤维对HDCC的抗弯性能起控制作用,在相同加载速率下,HDCC的抗弯性能随PVA掺量的降低而劣化。相比于单掺1.75%或1.5%PVA纤维,混杂使用碳酸钙晶须提高了HDCC在不同加载速率下的抗弯强度、弯曲韧性和能量吸收能力。而相比于单掺2%PVA纤维,在不同加载速率下混杂使用1.75%PVA纤维和1%碳酸钙晶须并没有引起HDCC弯曲性能明显的劣化,但降低了HDCC成本,提高了性价比。     

玻璃纤维增强树脂基复合材料夹芯板-钢板连接接头的弯曲性能

以PVC泡沫或Balsa轻木为芯材的玻璃纤维增强树脂基复合材料（GRP）夹芯板目前广泛应用于船舶与海洋工程结构中。论文设计不同参数的GRP夹芯板-钢板混合接头模型,进行四点弯曲加载下的静力及疲劳试验研究,同时运用ABAQUS软件结合MSC.fatigue软件对接头的静态及疲劳弯曲失效进行数值模拟,分析了接头的弯曲强度、刚度和失效模式,并研究了接头填充区材料及长度、钢板嵌入填充区长度等参数对接头弯曲性能的影响。结果表明：弯曲载荷作用下接头破坏发生在连接结合部,失效模式则因填充区的不同设计而不同;对提高接头的弯曲性能较为明显的设计参数包括将钢板延伸到接头填充区或者选择Balsa轻木替代PVC泡沫芯材;对于受到疲劳弯曲载荷的接头模型,在较大疲劳载荷水平下,所有试件在未达到10⁶次循环时均发生了疲劳破坏;而在相对较小的疲劳载荷水平下,经过10⁶次循环后所有试件全部完好,并且接头的剩余强度与疲劳试验前的静强度相近,表明小载荷水平下接头的疲劳次数对其承载能力无影响。     

大电流MAG焊接接头弯曲性能研究

采用无氦多元气体保护大电流MAG焊接技术焊接了A5 72接头 ,对接头进行了弯曲性能试验 ,用光学显微镜、扫描电镜和EDAX分析了接头侧弯脆性断口。结果表明 ,弯曲试验时产生的脆断与焊缝金属中有非金属夹杂物、焊缝金属中C、Ti含量较高以及焊缝金属中有马氏体组织等因素密切相关。在弯曲时 ,焊缝金属中存在的非金属夹杂物形成裂源 ,在小线能量焊接时焊道间热影响区组织中存在的大量粗大马氏体组织 ,使焊缝金属在裂纹萌生区和开始扩展阶段为解理断裂。在大电流MAG焊时 ,适当增大线能量以利于非金属夹杂物的逸出并避免马氏体的形成 ,降低焊缝金属中的C、Ti含量 ,从而改善接头韧性。