立体多向编织结构对复合材料性能的影响

本文采用1×1,1×2和1×3三种不同的编织结构对轴向增强和非增强三维多向编织复合材料的性能进行了研究。对编织复合材料的拉伸强度、刚度和弯曲强度、刚度进行了实验分析。结果表明;三维编织复合材料具有良好的性能。编织结构对复合材料性能有较大的影响。纤维表面编织角和纤维体积比是影响复合材料性能的重要结构参数。通过轴向加入非编织增强纤维,使编织复合材料的拉伸强度和模量,弯曲强度和模量有了较大改善。      

碳纤维三维编织复合材料的结构对拉伸和弯曲性能的影响

研究了碳纤维四步法三维四向、三维五向编织结构复合材料的拉伸和弯曲性能,以及结构参数-编织角的变化对其拉伸和弯曲性能的影响,并与层合复合材料作了对比性研究.结果表明,三维编织复合材料具有良好的力学性能,其拉伸强度可达810MPa、拉伸模量可达95.6GPa,弯曲强度可达829.03MPa、弯曲模量可达67.5GPa.同时,编织角和编织结构对复合材料性能有较大的影响.随着编织角的增大,复合材料的拉伸、弯曲强度和模量均减小;三维五向结构的拉伸、弯曲强度和模量均高于四向结构;在纤维体积含量相近的情况下,通过对编织角的设计,可以设计三维编织复合材料的性能.     

二步法方型三维编织复合材料力学性能及影响因素

对具有不同细观结构参数的二步法方型三维编织复合材料试件进行了轴向拉伸、三点弯曲及轴向压缩的力学性能测试,获得了这种结构材料的基本力学性能数据。针对其细观结构特点,从宏观角度分析了编织纱的种类、编织纱与轴纱的线密度之比以及编织节距长度等参数对力学性能的影响。实验和分析结果表明:二步法方型三维编织复合材料的轴纱对轴向拉伸和压缩性能起主导作用;节距长度增大,编织纱越粗,轴向拉伸强度、拉伸模量以及轴向压缩强度和模量均有增大的趋势。      

缝合连接三维编织复合材料拉伸性能试验研究

研究了多种缝合方向、 搭接长度和缝合密度对缝合连接三维编织复合材料拉伸性能的影响 , 并与三维整体编织复合材料的拉伸性能进行对比。结果表明: 缝合连接三维编织复合材料与三维整体编织复合材料相比 ,拉伸强度下降了 25 %～50 % , 初始模量下降了 35 %～55 %; 搭接长度对拉伸强度和模量的影响较大 , 拉伸性能随搭接长度的增加呈现先增大后减小的特征 , 当搭接长度与试件宽度的比值在 2. 5 左右时 , 试件的拉伸性能较好 ,与未缝合的三维整体编织试件相比 , 仅下降了 25 %; 相对而言 , 中密度缝合试件的拉伸性能最优 ; 缝合方向对试件拉伸性能的影响不明显。      

三维五向编织复合材料纵向性能的实验研究

通过对具有不同编织结构参数的三维五向编织复合材料试件的纵向拉伸和压缩实验,分析了该类材料的纵向拉、压刚度和强度随编织工艺参数的变化规律以及材料的失效形式.三维五向编织复合材料在破坏前基本保持线弹性,纵向拉、压破坏具有脆性特征,拉伸模量和压缩模量比较接近,但拉伸强度远大于压缩强度.编织角和纤维体积含量对材料性能的影响显著,纱线粗细的影响不大.提高第五向纱线的比例,可提高材料的纵向性能.此外,研究中采用短标距薄板试件,以避免试件产生整体屈曲和端部纤维束开裂破坏.     

三维编织复合材料面内刚度和强度性能研究

以修正的经典层合板理论为基础, 分析三维编织复合材料的力学性能。在单胞的长度方向积分和平均, 预测编织结构复合材料的有效弹性模量; 采用蔡-胡多项式失效准则, 得到三维编织复合材料的强度性能。另外, 进行编织结构复合材料的力学性能实验, 探讨纺织工艺参数, 如纤维编织角、横向编织角、轴向纱数与编织纱数之比、纤维体积含量等对力学性能的影响, 理论预报和试验结果进行对比, 发现该力学模型能较好地预报三维编织复合材料的刚度和强度性能。      

三维编织复合材料力学性能的实验研究

对四步法三维编织复合材料的拉伸、压缩和弯曲等性能进行了实验研究，得到了该材料的主要力学性能参数及破坏规律。实验结果表明：三维编织复合材料具有良好的力学性能，而编织工艺和编织结构对复合材料的性能有较大的影响，这些结果为进一步研究复合材料的强度反作用失效问题奠定了实验基础。     

三维编织复合材料的弯曲和压缩性能探讨研究

对四步法三维编织结构增强树脂复合材料的弯曲,压缩性能进行了实验研究,获得了该材料的主要力学性能参数及变形,破坏规律,结果表明,三维编织复合材料具有良好的力学性能,编织结构及复合材料性能有较大的影响,这些结果为进一步研究编织复合材料的强度失效问题奠定了试验基础。     

三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料在热环境中的拉压力学性能实验

针对不同编织角度的三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料,进行了热环境下的轴向拉伸和压缩力学性能实验研究,讨论了温度对三维四向编织复合材料的轴向拉伸和压缩力学性能的影响,并根据宏观断裂形貌和SEM图像分析了材料的破坏和断裂机制。结果表明,随着测试温度的升高,三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料的纵向拉伸强度有小幅提高,而纵向压缩强度显著降低。在室温条件下,编织角对材料的纵向拉伸破坏特征没有影响,而对材料的纵向压缩破坏特征有较大影响。随着测试温度的升高,不同编织角度复合材料的纵向拉伸和压缩的损伤破坏形态均与室温条件下明显不同。      

纤维体积分数对K3D/MCPA复合材料力学性能的影响

本文研究了纤维体积分数对三维编织芳纶纤维增强铸性尼龙(简称K3D／MCPA)复合材料力学性能的影响。研究表明，K3D／MCPA复合材料有优异的抗冲击性能，冲击强度比三维编织芳纶纤维增强铸性尼龙(简称C3D／MCPA)和纯基体均有大幅度的提高，且随着纤维体积的提高而升高。K3D／MCPA复合材料剪切强度随纤维体积比的增大而增大，其纵向剪切强度低于纯基体和C3D／MCPA复合材料，但其横向剪切强度高于它们。K3D／MCPA复合材料弯曲强度与弯曲模量随纤维体积比的提高而提高，但与相同体积比的C3D／MCPA相比，K3D／MCPA的弯曲强度与弯曲模量均较低。     

Investigation on the compressive properties of the three dimensional four-directional braided composites

The compressive mechanical properties of three dimensional (3D) braided composites are of key concern for design in actual engineering application. A representative volume cell (RVC) is chosen to study the uniaxial compressive mechanical properties of the braided composites with different braid angles by combing damage theory and finite element method. The fiber misalignment and longitudinal shear nonlinearity of braid yarn are considered in the computation model. And their influences on the compressive behavior of the braided composites are also evaluated. The damage development of constituents within the braided composites are obtained and analyzed. The main damage and failure modes and their interaction of braid yarn are provided as well. The numerical results are found that the compressive mechanical behavior of the braided composites with lower braid angle is sensitive to the fiber initial imperfection of braid yarn. The strength of the braided composites with different braid angle is controlled by the different microscopic failure modes.     

Effect of Interface Properties on Mechanical Behavior of 3D Four-Directional Braided Composites with Large Braid Angle Subjected to Uniaxial Tension

A Representative Volume Cell (RVC) chosen to epitomize the entire three dimensional four-directional braided composites is investigated to evaluate the mechanical behavior of the material by computational micromechanics. In addition to including several damage modes of braid yarn and matrix within the braided composites, the numerical model also takes into account interface damage mode by using a Cohesive Zone Model (CZM). A parametrical study is conducted to evaluate the influence of interface properties on the macro stress-strain curve and the interaction of different failure modes of the braided composites under uniaxial tensile loading. The interface damage evolution of the braided composites with large braid angle is also provided further. Preliminary results indicate that the interface damage, which is one of the key factors to cause the nonlinearity of the stress-strain relationship, can decrease the elastic modulus but not obviously control the ultimate strength of the braided composites with large braid angle.     

编织角和承载方向对三维四向编织复合材料动态压缩性能的影响

利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对三维四向编织碳纤维增强树脂基复合材料的动态压缩性能进行了研究。通过对编织角为20°、30°和45°的试验件分别进行沿纵向、横向和厚度方向的动态压缩试验,得到材料在800~2 000/s应变率范围内的应力-应变曲线,并与准静态压缩试验结果进行对比,研究了应变率、压缩方向及编织角对材料极限强度和弹性模量的影响。结合高速摄影记录的动态压缩过程,进一步分析了不同情况下材料的破坏模式与破坏过程。结果表明：应变率越高,材料的极限强度和弹性模量越大,材料在受压的三个方向上均具有一定的应变率强化效应,且高应变率下表现出比准静态压缩时更明显的脆性;编织角的改变对材料在三个方向上的动态压缩性能均有影响,其中对纵向的影响最为明显;不同方向受压时材料的失效形式不同,且准静态和高应变率下的失效形式也有区别。     

The prediction on mechanical properties of 4-step braided composites via two-scale method

The two-scale method (TSM) is successfully applied to the prediction for the mechanics parameters of 4-step three dimensional braided composites, including stiffness parameters and strength parameters. The two independent micro-structure parameters, the braiding angle and the fiber volume fraction, are investigated in this paper. Both of them are implicitly included in the fabric of the unit cell of 4-step braided composites with 1 × 1 pattern. They directly influence the strength of 4-step braided composites, including tensile strength, bending strength and torsion strength. And then, the curves of the strength along with the braiding angle and the fiber volume fraction are illustrated. By the comparisons with experimental data, the two-scale method is validated to predict the mechanics parameters of 4-step braided composite materials.     

二维二轴编织复合材料几何模型及弹性性能预测

提出了二维二轴1×1和2×2编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的相互挤压及横截面的变化。基于细观分析和体积平均法,建立了预测二维二轴编织复合材料弹性性能的理论分析方法。数值结果与试验结果吻合,表明该方法行之有效,且具有运算快、精度高、适合工程分析等优点。分析了编织角、纤维体积含量和纤维束横截面形状对材料弹性常数的影响。研究表明,编织角对弹性常数的影响具有互补性,材料弹性模量与纤维体积含量成正比,纤维束截面形状变化对材料弹性常数影响不大。     

三维编织复合材料力学行为研究进展

对三维编织复合材料的细观结构几何模型和力学性能的研究进展进行了综述。重点介绍近几年该领域的研究成果和作者的一些研究工作, 其中包括三维编织复合材料力学性能的实验研究和理论研究。在理论研究方面, 介绍了弹性应变能法、纤维倾斜模型、三细胞模型和有限元模型等工作。最后, 对未来的研究趋势进行了展望。      

三向编织玻璃/环氧复合材料刚度性能

通过实验研究了三向编织玻璃/环氧复合材料的刚度性能 , 并考虑编织角和试件宽度参数的影响 , 探讨了拉伸和压缩刚度性能的差异。实验结果表明 : 在同一纤维体积分数条件下 , 随着编织角的增大 , 试件的纵向弹性模量有所减小 , 泊松比 (在编织角约大于 35° 时) 也有所减小 ; 宽度为两倍和三倍单胞宽度的试件的刚度性能基本相同; 试件的纵向弹性模量和泊松比远大于横向弹性模量和泊松比; 拉伸和压缩时试件的弹性模量和泊松比基本接近 ; 在横向拉伸和压缩时试件的应力2应变曲线具有明显的非线性特征。实验结果为编织复合材料结构设计提供了数据参考。      

热氧老化对碳纤维织物增强聚合物基复合材料弯曲性能的影响

为了探索增强体结构对碳纤维增强聚合物基复合材料(CF-PMCs)热氧老化后弯曲性能的影响,对三维四向编织碳纤维/环氧复合材料(简称为三维编织复合材料)和层合平纹碳布/环氧复合材料(简称为层合复合材料)的热氧老化性能进行了研究。利用FTIR、老化失重、弯曲测试和SEM等手段分析了热氧老化前后的试样。结果表明:热氧老化导致基体树脂的氧化断链以及纤维/基体界面结合力的退化是两种复合材料弯曲强度和弯曲模量下降的原因,弯曲强度比弯曲模量更容易受热氧老化的影响。在相同的热氧老化条件下,层合复合材料的热氧老化失重大于三维编织复合材料的,而三维编织复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率均大于层合复合材料的。在140℃下老化1 200h后,层合复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率分别为74.7%和88.3%,而对应的三维编织复合材料的分别为79.4%和91.5%。因此,采用三维编织预制件作为CF-PMCs的增强体是一种有效的提高其热氧稳定性的方法。     

The effect of yarn distortion on the mechanical properties of 3D four-directional braided composites

A representative volume cell (RVC) is chosen to analyze the mechanical properties of 3D (3 dimensions) four-directional braided composites. Owing to braid yarns (an assembly of fibers) squeezing against each other in the braided composites, the braid yarns are distorted. Based on geometrical characteristics of the braided composites, cross-section of each braid yarn is supposed to be an octagon and divided into seven regions in the RVC. The distortion characteristics of yarns are considered in each region. Elastic properties of each region obtained by stochastic function theory are introduced into finite element model to calculate the mechanical properties of the RVC. The influences of yarn distortion on the stiffness and strength of the braided composites are obtained and discussed.