测试条件对集束纤维单向渗透率的影响

为掌握渗透率测试的影响因素,自行研制了单向纤维集束的浸渗特性测试系统,对比了液体沿单向纤维集束的饱和与非饱和渗透特性,分析了不同压力作用形式、纤维体积分数、液体种类对非饱和渗透率测试结果的影响。结果表明：相同条件下纤维集束的饱和渗透率大于非饱和渗透率测试结果;当外压较小时毛细作用对非饱和渗透率测试结果的影响显著;当纤维体积分数增加时集束纤维的渗透率呈减小趋势;相同压力差下真空驱动测得的渗透率比正压驱动测试结果大。     

织物预成型体毛细作用研究

研究了不同定型剂含量、纤维体积分数的三种织物的毛细作用,运用达西定理由非线性回归法得到了纤维织物的毛细压力和渗透率的解析值.并由实验结果分析了定型剂含量、纤维体积分数对不同种类织物的浸润的影响规律.研究结果表明:织物的毛细渗透速度主要是由毛细压力决定;在本实验范围内渗透率随Vf的增加而线性下降,而毛细压力和渗透速度随Vf的增加呈现了一个先减小后增大的过程;定型剂的加入使织物的毛细压力减小,使SW280和3186两种缎纹布渗透率略有减小而G827单向布的渗透率增大.     

不同纤维堆积状态下饱和渗透率实验研究

通过调节压力控制纤维体积分数, 用单向饱和流动法对纤维层厚度方向的饱和渗透率进行了测定。考察了纤维体积分数随压力的变化规律, 并分别研究了纤维体积分数、纤维层数、铺层方式和纤维种类对渗透率的影响。结果表明, 当纤维体积分数超过某临界值后其值随压力增大的幅度减小。单向和正交铺层时层数变化对渗透率没有影响, 而平纹布渗透率随着纤维层数的增加而减小。此外, 纤维种类的改变对渗透率有明显影响。      

液体模塑成型工艺用纤维织物厚度方向饱和渗透率的预测模型液体模塑成型工艺用纤维织物厚度方向饱和渗透率的预测模型

树脂在复合材料预成型体厚度方向的渗透能力对复合材料液体模塑成型工艺（LCM）的成功实施至关重要。本文采用连续加载的方式,研究了玻璃纤维增强树脂基复合材料液体成型过程中多轴向无屈曲织物（NCF）和斜纹织物（WF）的压缩响应行为,并建立描述该行为的数学模型。采用自制测试装置对预成型体在重力等不同注射压力驱动下的厚度方向渗透率进行测试,考察了预成型体纤维体积分数、测试流体注射压力等对预成型体厚度方向渗透率K_z的影响。基于预成型体压缩响应数学模型和厚度方向渗透率与注射压力的关系,对Kozeny-Carman公式进行修正,提出了变注射压力条件下的厚度方向渗透率预测模型。结果表明:预成型体厚度方向渗透率随着纤维体积分数的增大而减小,与Kozeny-Carman方程结果相符合。当纤维体积分数为0.42≤V_f≤0.58时,注射压力对厚度方向渗透率影响较大,实验结果验证了本文提出的预测模型;当纤维体积分数V_f≥0.58时,注射压力对厚度方向渗透率影响较小,厚度方向渗透率趋于恒定。      

基于新型测试装置的网孔板层开孔率对纤维厚度方向渗透率的影响

纤维预成型体厚度方向渗透率的准确表征是液体模塑成型工艺制备大厚度复合材料计算机优化的关键。网孔板层是布置在试样上下表面、用于控制纤维厚度并防止纤维变形的刚性构件，其开孔率是纤维厚度方向渗透率K_z测量中的重要表征参数。本文首先通过实验对用于控制纤维预成型体厚度的垫圈进行校正；然后在排除纤维体积分数误差的前提下，通过金属网增大网孔板层的开孔率，测量缎纹织物SW220C-100b在不同压力和纤维体积分数下的K_z，提出有效计算面积的概念并得到其变化规律；最后，基于测试结果，研究注射压力和纤维体积分数对K_z的影响。结果表明:有效计算面积随着注射压力和纤维体积分数的增加而减小；纤维体积分数的增大会减小织物的K_z值，网孔板层开孔率的增大会减小注射压力对K_z的影响。      

功能预制结构织物(ES-Fabric~(TM))渗透特性研究

比较了不同纤维体积含量的功能织物毛细渗透高度、毛细压力以及渗透率的大小,通过测试功能织物的渗透性能,研究了定型剂及增韧剂含量、注射压力、铺层方式以及增韧剂涂覆方式对其渗透率的影响。结果表明,毛细压力由纤维体积分数和涂覆颗粒的相互作用决定;在高纤维体分时各种状态的功能织物的毛细压力相差不大,渗透率趋于一致;[0/90]5,[0]10,[45/0/-45/90]2S等不同的铺层方式对面内渗透率Kx,Ky有一定的影响;添加定型剂后的功能织物更趋于各向同性;在相同增韧剂含量的情况下,单面涂覆功能织物的渗透率大于双面涂覆功能织物,这种差异随着体积分数的增加而减少。     

基于单向流动研究三维编织预制件的渗透性

采用单向法测量了三维编织预制件的饱和与不饱和渗透率, 从渗透率实验确定了毛细压力, 研究了纤维体积分数对饱和、不饱和渗透率的影响。分析了编织参数、注入压力对渗透率测量的作用, 以注入压力Pm 为x轴, 以相同的某一段时间所到达的流动前沿的平方( x2 ) 为y 轴作图, 并拟合成直线, 该直线与x 轴的水平截距即为毛细压力。实验结果表明: 随着纤维体积分数的增加, 饱和渗透率与不饱和渗透率均降低, 且饱和渗透率大于不饱和渗透率; 编织结构影响渗透率, 不饱和渗透率随着编织角的增加而减小; 准确的渗透率的测试结果不依赖注入压力, 开始阶段渗透率值较大, 随着充模距离的增加, 渗透率逐渐降低, 并趋于稳定值。      

无弯曲纤维织物面内渗透率的结构相关性

建立无弯曲纤维织物(Non-crimped fabrics, NCF)的几何结构单胞, 应用树脂在纤维束内与束间耦合流动的模型, 数值模拟树脂的细观流动行为, 结合Darcy定律, 计算单胞的面内等效渗透率, 并对计算方案进行验证。在此基础上, 探讨织物的纤维束间距离、纤维束高度以及束内渗透率等细观结构参数与单胞面内等效渗透率之间的关系。结果表明: 单胞面内等效渗透率随纤维束间距离的增大而增大, 其倒数的对数之间呈正的线性关系; 纤维束高度对单胞面内等效渗透率的影响类似于纤维束间距离对其的影响; 单胞面内等效渗透率随纤维束内渗透率的增加而线性增加。      

四步法三维编织预制件的渗透率

采用径向法测量了三维编织预制件的渗透率, 利用修正注入半径的循环方法, 基于Visual C + + 计算了渗透率的大小, 主渗透率方向分两步确定: 一是通过选择阈值的图像处理运算提取流动前沿; 二是采用Matlab中的非线性最小二乘法将所得轮廓进行椭圆拟合, 并计算该椭圆长轴方向与编织方向的夹角。结果表明: 编织参数影响渗透率, 当编织角一定时, 随着纤维体积含量的增加, 主渗透率降低; 当纤维体积含量一定时, 随着编织角的增加, 主渗透率降低, 但主渗透率的方向不随编织角的变化而改变, 始终保持与编织轴向一致。      

碳纤维复合材料超声振动辅助RTM工艺的浸润特性

研究了织物类型、纤维体积分数和超声振动对树脂在碳纤维织物中流动特性的影响规律,设计了超声振动辅助RTM工艺过程中单向渗透率测量装置,开展了16组渗透率测试实验,并结合COMSOL软件仿真分析了织物中的树脂流动特性。研究表明,在相同纤维体积分数水平下,斜纹编织物的纤维束间隙通道比平纹织物的更宽,2/2斜纹编织织物渗透率比平纹织物提高了约21.5%。纤维体积分数与织物渗透率呈负相关,其函数关系与半经验公式Kozeny-Carman(KC)方程吻合较好。树脂流动过程中加入超声振动,其超声空化效应、加速度效应和微射流效应作用于纤维丝束表面,提高了织物渗透率约58.2%。有限元仿真模拟了椭圆形和近矩形纤维束截面设计的织物模型的流动过程,结果发现近矩形纤维束截面高流速区域范围更广,流体向纤维布夹层浸渍的速度分量更大。超声作用于织物纤维可能带动纤维丝束蠕动,使纤维束截面趋于近矩形状,从而提高了树脂对纤维织物的浸润性。上述研究结果对优化碳纤维复合材料成型工艺和成型性能具有一定的指导意义。      

Micro-scale modeling of axial flow through unidirectional disordered fiber arrays

The objective of this study is to develop a model for the axial hydraulic permeability (K_∥) of fibrous media, taking explicit account of the underlying microstructure and its variability. In this numerical study, a unidirectional fiber array is represented by a unit cell consisting of ∼600 randomly placed fiber cross-sections. Stokes flow through such a unidirectional fiber array in the axial direction is modeled by a two-dimensional Stokes equation and solved using a parallel implementation of the boundary element method. A large number of simulations in such geometries have been carried out. The results indicate that (K_∥) increases as the underlying microstructure progresses from a uniform distribution to a non-uniform one. To explain this relation between (K_∥) and microstructure, a microstructural parameter, namely the mean nearest inter-fiber spacing, is proposed to characterize the heterogeneity of the fiber distribution. Following this, an empirical model correlating the axial permeability and the mean nearest inter-fiber spacing is presented.     

Mathematical Analysis of Resin Flow through Fibrous Porous Media

Resin flow through fiber preforms was analyzed mathematically. Closed form solutions for fiber volume fraction distribution and pressure field during resin infusion into fiber preforms were suggested, and a new effective permeability was defined. The effect of preform compressibility on the fiber volume fraction and pressure distributions in resin-saturated region was investigated analytically. The findings show that the compaction behavior of preforms has significant impact on the resin infusion process. The solutions derived analytically in this study can provide insight into a liquid composites molding (LCM) process.     

Stress transfer analysis of unidirectional composites with randomly distributed fibers using finite element method

A three-dimensional representative volume element (RVE) of unidirectional composites with both randomly distributed fibers and periodic geometry was generated using DIGIMAT-FE software. Finite element analysis of the stress transfer mechanisms around a fiber break in the RVE was performed via ABAQUS/Standard. The influences of distance to the broken fiber, fiber/matrix stiffness ratio and fiber volume fraction on the stress transfer process of intact fibers were discussed for the case of perfect fiber/matrix adhesion. The study shows that the nearest fibers and the second nearest fibers share the stress released from the broken fiber. The stress transfer coefficient and the ineffective stress transfer length of the nearest fibers was found to increase with the increasing distance to the broken fiber and the stiffness ratio, while decrease with the increasing fiber volume fraction. However, the trends in the two stress transfer parameters of the second nearest fibers are slightly different from those of the nearest fibers due to the random distribution of other intact fibers.     

含涤废弃织物增强水泥基透水砖的制备及表征

采用涤棉混纺(P/C)和涤纶(PE)废弃织物增强水泥基透水混凝土砖,分析织物含量和织物尺寸等因素对复合透水砖(CPB)抗压性能、透水性和保水性的影响。结果表明:随着织物掺加体积分数的增加,CPB的抗压强度、压缩韧性指数和所消耗能量先增大后减小,透水系数和保水系数增加;随着织物尺寸增大,CPB的抗压强度、透水系数和保水系数逐渐减小,压缩韧性指数增加,耗能变化幅度不大;在织物和纤维掺加量较小且掺加质量相同的条件下,与废弃织物CPB相比,再生纤维CPB的抗压强度较小,而压缩韧性指数、耗能和透水系数较大;当织物掺加体积分数≤2%时,涤棉复合透水砖(PC-CPB)的抗压强度优于涤纶复合透水砖(P-CPB),透水系数、保水系数和P-CPB接近,当织物掺加体积分数>2%时则相反,而PC-CPB的压缩韧性指数和耗能始终优于P-CPB;织物掺加体积分数为2%的3 mm×3 mm P/C织物所制备的CPB抗压强度为28.20 MPa,耗能为1097.55 N·m,透水系数为0.267 mm/s,保水系数为43.40 g/cm2,与普通透水砖相比,分别提高了21.8%、55.8%、115.3%和33.3%。      

砂浆中邻近集料表面最近间距分布的数值模拟

采用具有粒子动态混合密实功能的SPACE 系统, 实现了高集料体积分数模型砂浆结构的生成。从而, 以3 种细集料粒径分布的模型砂浆(其中一种的粒径范围为0.125～1.34 mm , 另外两种的粒径范围为0.25～5.00 mm) 结构为例, 研究了集料细度和集料体积分数(φ= 40 %～70 %) 对邻近集料表面最近间距分布的影响。结果表明, 集料细度增加和集料体积分数增大都会使大尺度邻近集料表面最近间距出现的概率减小、小尺度邻近集料表面最近间距出现的概率增加, 且峰值概率的位置向小间距方向偏移。另外, 邻近集料表面最近间距的分区段累计概率结果分析表明, 3 种模型砂浆结构的邻近集料表面最近间距分布的57 %以上小于10μm。最后, 邻近集料表面最近间距的平均值的分析结果显示, 当集料体积分数在40 %～70 %之间变化时, 邻近集料表面最近间距的平均值在54.6～1.1μm 之间变化; 当砂浆中集料的体积分数在50 %～70 %之间变化时, 邻近集料表面最近间距的平均值与集料的体积分数基本上呈线性关系; 单位砂浆体积下集料的表面积的变化对邻近集料表面最近间距的平均值有影响, 但二者之间的比值并非常数。