正交-准正交复合三维机织复合材料力学性能

为弥补单一结构三维机织复合材料在性能方面的不足,研究正交-准正交复合三维机织复合材料的力学性能。以高强涤纶长丝为原料,分别织造四层正交和准正交三维机织结构作为预制件,依据均衡对称准则设计4种复合结构,选用双酚A环氧乙烯基脂为基体,制备正交、准正交及复合三维机织复合材料,并对制得的复合材料进行经向拉伸和弯曲性能测试。结果表明:准正交三维机织复合材料的经向拉伸和弯曲性能均优于正交三维机织复合材料;在复合三维机织复合材料中,复合顺序对复合材料性能的影响大于复合比例;正交结构位于材料表层时复合材料可以获得更优异的力学性能。     

三维机织复合材料力学性能的研究进展

三维机织复合材料因其优异的力学性能广泛应用于航空、航天等诸多领域,因此准确预报其力学性能十分必要。文章主要综述了近几年来国内外学者对三维机织复合材料力学性能的研究进展,其中包括试验研究和理论研究。综合分析认为：三维机织复合材料力学性能在压缩、拉伸、剪切等方面的试验研究已经取得了一些成果,但多物理场耦合力学行为需要进一步深入研究;细观尺度建模应考虑纱线挤压、扭结等缺陷;机织复合材料的本构模型、强度准则及组成的宏观结构的研究需要加强,文章为三维机织复合材料力学性能的研究提供了参考。     

三维机织正交结构复合材料的参数化设计

为给三维机织正交结构复合材料的力学模拟分析提供一种模型,通过观察3层机织正交结构复合材料预制件的细观几何结构,分析其最小重复单元中纱线间的几何位置关系,探讨细观结构中的几何参数与宏观设计参数的关系。在此基础上,利用Pro/Engineer软件对复合材料预制件进行参数化设计,建立三维机织正交结构预制件的通用几何模型。通过对比制得的三维机织复合材料的实际结构与模型结构以及纤维体积分数,验证了该模型的合理性。     

三维正交机织物织造及复合材料成型工艺研究

详细阐述三维正交机织物的结构特征、织造原理及织造工艺,以三维正交机织物为增强体、环氧树脂为基体,采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺成型,制成复合材料,并分析其内部结构。结果表明:由普通织机改造的多综眼多剑杆织机可以织造三维正交机织物,成型后复合材料内的纱线形状和位置未发生明显变化,树脂较好地渗透到织物内部,复合材料具有较高的纤维体积分数。研究结果为进一步研究三维正交机织复合材料的力学性能及应用奠定了基础。     

三维正交机织复合材料拉伸性能研究

阐述了三维正交机织复合材料沿不同方向的拉伸力学性能。复合材料以三维正交机织玻璃纤维织物为增强体,以环氧树脂为基体,基于真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺成型并制备试样。测试了试样的拉伸性能,结果表明:该三维正交机织复合材料90°(纬向)的拉伸性能优于0°(经向),但断口处存在严重的纤维抽拔和界面脱粘现象;增强体结构中经纱和纬纱含量对拉伸性能影响较大,面内某一纱线含量高,则该方向拉伸性能就强。同时,Z纱有效地改善了普通层合板复合材料拉伸分层失效的缺陷,但玻璃纤维与树脂基体界面结合性能较差。     

三维机织吸波复合材料的研究进展

探讨三维机织吸波复合材料的研究进展。介绍了吸波复合材料的分类。分析了层板型吸波复合材料的结构和性能特点。对泡沫型吸波复合材料和蜂窝型吸波材料的结构、应用领域和性能特点进行了总结。指出:蜂窝型三维机织复合材料具有良好的力学性能,且可以在普通织机上制备。认为:在力学性能稳定的基础上,制备具有良好吸波性能的蜂窝型三维机织复合材料是一个重要的研究方向。     

捆绑组织对三维正交机织复合材料拉伸性能的影响

以高强涤纶纱为原料,借助自主改造的二维小样机织造三种捆绑组织(平纹、斜纹和缎纹)的三维正交机织物,再采用真空辅助树脂传递模型工艺制作三维正交机织复合材料。重点研究三种不同的捆绑组织对三维正交机织复合材料拉伸性能的影响。结果表明:三维正交机织复合材料沿经向拉伸时断裂表面较平整,沿纬向拉伸时断裂处形状不规则;捆绑组织为缎纹的三维正交机织复合材料的拉伸性能整体最好,捆绑组织为平纹的三维正交机织复合材料拉伸性能整体最差;三种捆绑组织的三维正交机织复合材料纬向拉伸断裂强度大于经向拉伸断裂强度。     

三维机织热塑复合材料的弯曲性能测试与分析

对三维机织热塑复合材料的弯曲性能进行了测试和分析。研究结果表明,三维机织热塑复合材料预型件的结构(纱线的直径、三维机织物的结构)、预型件的预拉伸工艺(经纱和接结经的伸直程度)、复合成型工艺(成型压力)都对复合材料的弯曲性能有一定的影响。     

组合式三维机织复合材料的制备及其抗高速冲击性能

为研发轻质柔软的高效防护装备,以超高分子量聚乙烯（UHMWPE)纤维为原料,以正交与准正交结构单元为基础,设计了8种组合式的三维机织结构,试制UHMWPE组合式机织复合材料。研究采用弹道侵彻试验及刚柔性试验测试了复合材料的抗高速冲击性能及柔软性,探讨了影响材料防弹性能及服用性能的主要因素。研究表明：正交结构单元能够有效抵抗剪切作用,适合作为冲击面。在高速冲击下,冲击面为正交结构单元的机织复合材料单位面积吸收能量值比冲击面为准正交结构单元的机织复合材料高出了35.7 %;但准正交结构单元对于抗拉伸作用具有优势,且准正交结构织物抗弯刚度值仅为组合式结构织物最大值的52 %,具有较好的柔软性。     

基于气缸的三维机织增强体织造系统设计

为在经纱方向引入贯穿织物厚度的接结纱从而提升机织增强复合材料层间性能,以三维正交无卷曲机织增强体为对象,设计了一种窄幅三维机织织造系统。采用气缸作为开口、引纬和打纬的主要驱动部件,实现多重综框的独立开口运动与管状多剑杆机构的多层梭口同时引纬运动,并在可编程控制器上实现各机构协调运作,使经纬纱垂直平铺,接结纱与纬纱交织并贯穿织物起到层间约束作用。通过显微镜观察三维机织增强复合材料各个切面(分别沿经纱、纬纱和接结纱),并测量纱线卷曲度、横截面积、组织单元尺寸等关键几何参数。测量结果表明,这种三维机织系统可实现三维正交无卷曲机织增强体的织造。     

2.5维机织复合材料的几何结构模型与验证

为验证2.5维机织复合材料结构与其力学性能的关系,基于对材料断面显微照片的观察和分析,假定纤维束截面为为跑道形,建立了2.5维机织复合材料的单元结构模型。借助模型推导出纱线在几种典型结构（浅交弯联、浅交直联、深角联）的单元体结构内的纱线长度、接结经的取向角和纤维体积分数,并对材料进行拉伸、压缩性能预测。制作了满足要求的2.5维机织复合材料实验件并对其进行力学性能测试,通过试验值和预测值的对比,验证几何模型的正确性。     

三维机织增强复合材料弹道冲击边缘部分有限元分析

利用有限元软件ABAQUS建立基于三维机织增强复合材料的单胞模型,探讨子弹在三维机织增强复合材料中应力波的传播发生过程,对比分析子弹冲击后边缘部分的实验结果和模拟计算的结果,并对三维机织增强复合材料的最终破坏模式与常用的层合板进行了比较。结果表明：子弹在三维机织复合材料中的应力峰值随入射速度的增大而增大,并来回发生反射,弹头从三维机织增强复合材料下表面射出后其增强纱线的断裂较入射上表面粗糙,分层现象在三维机织增强复合材料内部没有发生,而实际观察的破坏孔洞与采用有限元软件模拟后的图形基本吻合。     

三维机织复合材料的结构与材料力学性能的关系

介绍了开发三维机织增强复合材料的目的 ,主要阐述了复合材料的预型件结构及其与力学性能 (纵向拉伸弹性模量 )之间的关系     

织造三维机织预型件新型纱线的研制

对织造三维机织预型件的新型纱线进行了开发，并研制了两种纱线。对其加工原理进行了阐述，而且设计和选定了纱线的工艺参数，为日后三维机织热塑复合材料的生产加工开辟了一条新的途径。     

三维机织复合材料的结构与材料力学性能的关系

介绍了开发三维机织增强复合材料的目的，主要阐述了复合材料的预型件结构及其与力学性能(纵向拉伸弹性模量)之间的关系。     

层-层正交角联锁机织物及其复合材料的结构及其层切破坏机制研究

采用无损高分辨率X射线成像(显微X-CT)技术对层-层正交角联锁机织物以及复合材料内部结构进行分析,并研究了层间剪切强度与结构之间的关系;通过三维重构展现了机织物的层-层正交角联锁的微观结构,观察到机织物内部的单丝扭转、挤压现象;依据机织复合材料中孔隙和高密度杂质在三维空间的分布,计算了其相应的占比。结果表明：层间剪切实验后的机织复合材料虽然宏观形貌保持了良好的完整性,但内部存在孔隙变形、分层、纤维弯曲、片层断裂等现象;层-层正交角联锁机织结构有效提高了复合材料的层间力学性能,内部的缺陷对复合材料的力学性能有较大的影响;无损高分辨X射线成像技术是研究纤维增强复合材料内部复杂结构特性的有利手段。     

二维与三维机织复合材料力学性能的实验研究

对超厚三维正交机织复合材料及二维要织层合板人别进行了拉伸和压缩实验,研究比较了两种复合材料刚度和强度特性的差异研究发现无论是三维机织材料的拉压还是二维层合板的拉压应力应变曲线都近似为直线,而且具有脆性破坏的特点;三维复合材料的拉压强度要高于二维层合板.这主要是由于材料不同的增强相结构及纤维含量造成;不同的破坏模式对材料强度影响很大.     

交叉T型三维机织物一次成型结构设计

为进一步改进三维结构纺织产品的成型性、适用性、稳定性,对T型+柱体内置纱线的立体混合造型结构设计方法进行研究。充分运用3-D织物组织结构设计方法,采用纬向正交结构,确立一次成型织造加工的纬纱路径,设计出交叉T型三维机织物。研究结果表明:通过合理的纬纱路径设计,与纵向多层排列经纱交织,可以达到特殊造型三维机织物一次成型的结构要求。该研究对基于正交组织结构复杂造型复合织物预制件的设计方法具有一定的参考价值。     

新型三维纺织复合材料预制件织造方法的探讨

简要叙述了三维机织与编织的织造方法,纯三维机织织物强度低,纤维体积含量较小;而纯编织织物虽然轴向力学性能优良,但层间剪切强度及横向的力学性能较差。为克服这两者的缺点而探索一种新的织造方法,即机织与编织结合的方法,对这种新方法做了初步的实验研究,以期推动纺织复合材料这门学科不断向前发展。     

三维机织热塑复合材料空隙率的测定及研究

对三维机织热塑复合材料的空隙率进行了测定。通过对试制材料空隙率的测试和分析，探讨了影响空隙率大小的因素及其与材料拉伸力学性能之间的关系。结果表明：三维机织热塑复合材料织物结构中接结经的取向角、材料中织物的预拉伸工艺及复合材料复合成型时的成型压力都对材料的空隙率有一定的影响，同时，空隙率也影响到了材料的力学性能。