聚酰亚胺纤维/双马树脂复合材料抗高速冲击性能

采用热压罐成型工艺制备聚酰亚胺纤维/双马树脂复合材料,并采用空气炮冲击实验研究聚酰亚胺纤维体积分数和环境温度对复合材料层板抗高速冲击性能的影响。结果表明:与等面重下TC4钛合金相比,S35聚酰亚胺纤维复合材料抗高速冲击性能更优,且具有优异的高温抗高冲击性能。聚酰亚胺纤维体积分数越高,复合材料层板抗高冲击性能越高,其中,73%体积分数的聚酰亚胺纤维复合材料层板室温弹道吸能可达227.0J,比等面重下TC4钛合金高240%。冲击速率较低时,复合材料弹击面出现周围含纤维分层开裂的圆形凹坑,背弹面出现沿纤维方向的分层开裂;冲击速率较高时,复合材料层板弹击面出现周围含纤维分层开裂的圆形通孔,背弹面出现沿纤维方向大面积纤维分层开裂。     

碳纤维/双马树脂复合材料抗高速冲击性能

采用热压罐成型工艺制备碳纤维/双马树脂复合材料,并采用空气炮冲击装置、超声水浸C扫描探伤装置和万能材料试验机等测试手段,研究碳纤维类型和碳纤维体积分数对复合材料层板抗高速冲击性能的影响.结果表明:与CCF300碳纤维、CCF700碳纤维和CCF800H碳纤维相比,TZ1000G碳纤维复合材料抗高速冲击性能最优;碳纤维体积分数越高,复合材料层板抗高冲击性能越高;碳纤维复合材料的破坏模式与冲击速率有关,冲击速率较低时,复合材料层板弹击面出现周围含纤维分层开裂的圆形凹坑,背弹面出现沿纤维方向的分层开裂;冲击速率较高时,复合材料层板弹击面出现周围含纤维分层开裂的圆形通孔,背弹面出现撕裂断口.     

纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟

推导了复合材料应变率相关三维本构关系, 并将其用于复合材料层板高速冲击损伤的数值模拟。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度退化, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料层板高速冲击的破坏过程及层板的损伤特性。数值分析结果表明, 剩余速度预报结果与实验结果吻合较好, 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂, 减小弹体直径、 增大铺层角度和层板厚度能够有效降低层板损伤面积。      

不同形状弹体高速冲击下复合材料层板损伤分析

根据纤维增强复合材料宏细观结构,基于纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设,推导了单向复合材料粘弹性损伤本构关系。在此基础上,结合Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别,通过界面单元模拟层间分层损伤,采用非线性有限元方法,建立了复合材料层板高速冲击损伤有限元分析模型。利用该模型,深入研究了不同形状弹体高速冲击下复合材料层板的弹道性能和损伤特性,探讨了相关参数对冲击损伤的影响规律,获得了一些有价值的结论。     

碳纤维/环氧树脂复合材料高速冲击性能

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料,通过空气炮冲击实验研究树脂韧性和碳纤维类型对复合材料抗高速冲击性能的影响,并对高速冲击后的试样进行压缩性能测试,研究高速冲击损伤对复合材料剩余压缩性能的影响。结果表明:树脂的韧性可以降低复合材料遭受高速冲击时的内部损伤程度,大幅提高复合材料的抗高速冲击性能和冲击后剩余压缩性能;T700S碳纤维增强复合材料抗高速冲击性能优于T800H碳纤维增强复合材料;复合材料的破坏模式与冲击速率有关,冲击速率较低时,复合材料弹击面出现圆形凹坑,背弹面出现鼓包;冲击速率较高时,复合材料弹击面出现圆形通孔,背弹面出现沿纤维方向撕裂断口。     

缝合复合材料层板低速冲击损伤数值模拟

建立了缝合复合材料层板在低速冲击载荷下的渐进损伤分析模型。模型中采用空间杆单元模拟缝线的作用;采用三维实体单元模拟缝合层板,通过基于应变描述的Hashin准则,结合相应的材料性能退化方案模拟层板的损伤和演化;采用界面单元模拟层间界面,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的应变能释放率准则判断分层的起始和扩展规律。通过对碳800环氧树脂复合材料（T800/5228）层板的数值仿真结果和试验结果相比较,验证了模型的正确性,同时讨论了不同冲击能量下缝合层板的损伤规律。研究结果表明：缝线能够有效地抑制层板的分层损伤扩展;相同冲击能量下缝合与未缝合层板的基体损伤和纤维损伤在厚度分布上相似,缝合层板的损伤都要小于未缝合层板。     

二维C/SiC-ZrC复合材料的低速冲击损伤研究

通过二维C/SiC-ZrC复合材料的低速冲击、冲击后拉伸试验以及CT扫描方法,研究了不同冲击能量对材料冲击损伤特征及拉伸性能的影响。结果表明C/SiC-ZrC复合材料具有较高的冲击损伤容限,在15～24 J能量范围内的损伤状态主要表现为穿透损伤。随着冲击能量的增大,材料名义拉伸强度的下降趋于平缓,最大降幅约为25%。冲击主要造成冲击区域附近的复合材料发生分层和纤维断裂损伤,冲击区域以外未发生明显的损伤和破坏。     

纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤数值模拟

根据复合材料三维黏弹性本构关系,建立了纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤的数值分析模型.该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别,引入材料刚度折减方案,采用菲线性有限元方法,研究高速倾斜冲击下复合材料层板的破坏过程和损伤特性.研究结果表明:层板的主要损伤形式是层间分层、基体微裂纹和纤维断裂;冲击速度不变而入射角度增大时,剩余速度减小,层板损伤面积在一定入射角度范围内有明显变化;入射角度不变而冲击速度增大时,剩余速度增大,层板损伤面积在一定速度范围内也有明显变化.     

纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤数值模拟

根据复合材料三维黏弹性本构关系, 建立了纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤的数值分析模型。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度折减方案, 采用非线性有限元方法, 研究高速倾斜冲击下复合材料层板的破坏过程和损伤特性。研究结果表明: 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂; 冲击速度不变而入射角度增大时, 剩余速度减小, 层板损伤面积在一定入射角度范围内有明显变化; 入射角度不变而冲击速度增大时, 剩余速度增大, 层板损伤面积在一定速度范围内也有明显变化。     

压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响

为确定压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响,首先对不同压缩预应力下的碳纤维/双马树脂CCF300/5428层板进行了低速冲击和准静态压痕试验,然后通过热揭层和冲击后压缩试验分别得到了层板分层面积和剩余强度。结果表明:压缩预应力会大幅降低层板的接触刚度和弯曲刚度,从而导致相同冲击能量下层板凹坑深度和背部基体开裂长度增大;对于准静态压痕过程和相同冲击能量下的冲击过程,分层起始载荷和峰值载荷均随压缩预应力的增大而减小;在相同冲击能量下,随着压缩预应力的增大,层板内部分层总面积及冲击能量吸收比不断增大,剩余压缩强度不断降低。因此,压缩预应力会降低复合材料层板的冲击损伤阻抗,对损伤容限性能不利,在对承受压缩载荷结构的试验验证过程中应考虑压缩预应力对抗冲击损伤性能的影响。      

层状复合结构的应力波传播规律及能量耗散机制研究

为研究层状复合结构的应力波特性和能量耗散机制,设计了碳化硅陶瓷/超高分子量聚乙烯/钛合金(SiC/UHMWPE/TC4)和SiC/TC4/UHMWPE两种复合结构,并进行了SHPB(split-Hopkinson pressure bar)试验和数值模拟。基于金属丝缠绕材料(entangled metallic wire material, EMWM)出色的能量耗散性能,设计了SiC/UHMWPE/EMWM/TC4和SiC/TC4/EMWM/UHMWPE复合结构,并进行了SHPB试验。结果表明,复合结构中的EMWM对应力波的透射传播具有延迟和阻碍效应。EMWM复合结构主要通过反射大部分入射能量来耗散冲击能量,相比于其他复合结构主要通过SiC的破坏来耗散冲击能量相比,EMWM复合结构的能量耗散机制更合理,抗冲击性能更好。UHMWPE置于SiC的背部可以充分发挥UHMWPE和EMWM的缓冲性能,减小SiC的损伤。而TC4置于SiC的背部会加剧SiC的损伤。     

带表面防护层复合材料层板的低速冲击及冲击后压缩性能试验研究

对增加了表面防护层的国产碳纤维/增韧环氧树脂CCF300/5228A层板的低速冲击及冲击后压缩性能进行了试验研究。通过落锤式低速冲击试验,得到了各组层板的冲击接触力历程、凹坑深度和内部分层面积等特征,而冲击后压缩试验结果可用来对各组层板的损伤容限性能进行评估。结果表明,同裸板相比,加了表面防护层的层板其分层起始载荷变化不大,但形成同样的1.0 mm凹坑所需的冲击能量增大了24%~46%。而对于内部分层,在一定的冲击能量范围下,加表面防护层的层板的C扫分层面积比裸板减小了20%~50%,而在同样凹坑深度的情况下,层板在加了表面防护层之后分层面积变化不大。冲击后压缩性能与内部分层情况具有较大的关联性,同样冲击能量下分层面积较小的各组带表面防护层板,其冲击后压缩强度和破坏应变相对于裸板的提高在15%~50%之间,而在凹坑深度相同的情况下,二者的冲击后压缩强度和破坏应变相差不大。     

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。     

STF/UHMWPE复合材料的高速冲击性能

本文将分散相粒子纳米球形SiO2在一定分散条件下均匀分散在介质PEG200和PEG400中,制备剪切增稠液(STF),然后通过浸轧的方式将STF与二维超高分子量聚乙烯(UHMWPE)织物相结合制备STF/UHMWPE复合材料。为探究STF/UHMWPE复合材料的抗冲击性能,以UD布为基材制靶样,分别为纯UD布靶样,UD布二维织物靶样和UD布STF/UHMWPE复合材料靶样,为减小实验误差,每种靶样设计三个相同组份的样品。利用高速冲击试验测试三组不同靶样的抗高速冲击性能,通过比较高速冲击后靶样的凹陷深度和最大凹陷直径,得到STF/UHMWPE复合材料的抗冲击性能。结果表明,UD布STF复合二维UHMWPE织物靶样比纯UD布靶样凹陷最大直径减小37.68%,凹陷深度减小10.13%,UD布STF/UHMWPE复合材料靶样抗高速冲击性能最好;STF在高速冲击试验过程中可以有效地吸收冲击能量。     

低速冲击下复合材料层板压缩许用值

为评估航空结构中常用的T300级和T800级2种碳纤维/环氧树脂复合材料层压板的冲击后压缩许用值,对2种材料体系下具有不同厚度及铺层的层板进行了低速冲击和冲击后压缩试验;讨论了冲击能量、凹坑深度、损伤面积及冲击后剩余压缩强度等之间的关系,以及厚度、铺层、表面防护等因素对其造成的影响;重点关注了2种材料体系下各组层板的目视勉强可见冲击损伤(BVID)形成条件以及含BVID层板的剩余强度.结果表明:厚度及铺层对层板的凹坑深度-冲击能量关系影响较大,而对冲击后压缩强度-凹坑深度及冲击后压缩破坏应变-凹坑深度关系影响较小,且在相同铺层比例下,BVID对应的冲击能量随厚度近似呈线性增长.X850层板的损伤阻抗性能明显优于CCF300/5228层板的,但二者损伤容限性能相当.加铜网、涂漆等表面处理显著提高了层板的损伤阻抗,但对损伤容限性能影响不大;在损伤不超过BVID时,所有CCF300/5228试件的压缩破坏应变均大于4 000 με,而X850材料体系下压缩破坏应变均在3 000 με之上.     

动态冲击损伤对炭/炭复合材料压缩行为的影响

本文在利用split Hopkinson pressure bar装置对碳毡增强的炭/炭(C/C)复合材料进行动态冲击损伤的基础上,利用CSS44000电子万能试验机测定了其冲击后的压缩性能,探讨了动态冲击损伤对C/C复合材料横向压缩破坏行为的影响。研究结果表明:C/C复合材料具有较强的抗动态冲击损伤能力;未受冲击损伤复合材料的压缩破坏具有剪切失效特征,而冲击损伤后其压缩破坏具有剪切与分层失效特征。     

泡沫铝夹层结构复合材料低速冲击性能

以泡沫铝为夹芯材料,玄武岩纤维(BF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)复合材料为面板,制备夹层结构复合材料。研究纤维类型、铺层结构和芯材厚度对泡沫铝夹层结构复合材料冲击性能和损伤模式的影响规律,并与铝蜂窝夹层结构复合材料性能进行对比分析。结果表明:BF/泡沫铝夹层结构比UHMWPE/泡沫铝夹层结构具有更大的冲击破坏载荷,但冲击位移和吸收能量较小。BF和UHMWPE两种纤维的分层混杂设计比叠加混杂具有更高的冲击破坏载荷和吸收能量。随着泡沫铝厚度的增加,夹层结构复合材料的冲击破坏载荷降低,破坏吸收能量增大。泡沫铝夹层结构比铝蜂窝夹层结构具有更高的冲击破坏载荷,但冲击破坏吸收能量较小;泡沫铝芯材以冲击部位的碎裂为主要失效形式,铝蜂窝芯材整体压缩破坏明显。     

半球形头弹不同角度冲击下编织复合材料板的侵彻特性

利用一级气炮发射半球形头弹冲击2 mm厚的编织复合材料层合板,冲击角度为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程并得到弹体速度数据。利用拟合公式处理试验数据,得到不同冲击角度时的弹道极限值,并和理论模型结果进行对比。分析了冲击角度对靶板弹道极限、能量吸收率和失效模式的影响。结果表明：45°斜冲击时的靶板弹道极限最高,正冲击次之,30°斜冲击最低。相同冲击能量时,45°斜冲击的能量吸收率最高,低能量（<80 J）冲击时,30°斜冲击比正冲击能量吸收率高,高能量（>80 J）时,正冲击更高。正冲击时,靶板正面因剪切失效而形成圆形凹坑,背面因纤维拉伸失效形成菱形鼓包,斜冲击形成椭圆形扩孔,且其面积随冲击角度增加而增加。     

碳纤维-超高分子量聚乙烯纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能与失效机制

碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板在航天、汽车等领域应用广泛,使用中难免遇到低速冲击事件(生产使用过程中工具坠落等)产生安全隐患,分层破坏是其受到低速冲击后的主要损伤形式,会严重影响复合材料层合板的强度和使用寿命。为提高其抗冲击性能,通过短纤维增韧的方式探究超高分子量聚乙烯短纤维的铺层数量和铺层位置对复合材料层合板低速冲击性能的影响。研究结果表明：添加6层短纤维的复合材料层合板最大载荷由3.19 kN增加到4.86 kN,吸收能量由18.27 J增加到28.89 J,分别提高了52.3%和58.12%。冲击后剩余强度明显提高,两层短纤维铺层增韧方式的复合材料层合板冲击后剩余强度最大,为164.73 MPa,相比原样提高95%。超高分子量聚乙烯短纤维加入后复合材料层合板的冲击损伤阻抗提高,冲击后的凹痕深度下降,并且抗分层能力提升。其增韧机制是断裂面表面能增加,冲击使部分纤维被拔出,出现纤维桥联现象,拔出的纤维会降低分层前沿的应力集中,增大分层扩展的阻力,使分层破坏在扩展过程中需要消耗更多的能量,有效阻碍了裂纹的传播。     

SHPB横向冲击法研究AF/ ZF 混杂纤维复合材料吸能特性

采用SHPB 冲击试验装置, 对AF/ ZF(Aramid Fiber/ Zylon Fiber) 混杂纤维防弹复合材料进行了横向冲击试验, 获得了不同混杂比的混杂复合材料的载荷历史与位移历史, 进一步分析了其破坏过程和能量吸收特性。所得结果与不同混杂比的AF/ ZF 混杂纤维复合材料实弹靶试吸能特性变化趋势相似。结果表明, 进行不同混杂比AF/ ZF 混杂纤维复合材料的横向冲击试验对预测实弹冲击的破坏吸能有参考价值。