液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响

复合材料较复杂的成型工艺导致其构件的制造精度偏低。装配时,偏差会使配合面间产生装配间隙,当间隙超过一定的大小时,需要采取补偿措施,即用垫片填补间隙。基于一种简化装配模型,通过实验和有限元分析方法,研究了液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响。通过比较强迫装配和液体垫片补偿两种情况下施加螺栓预紧力时构件表面的应变,分析了复合材料构件的变形。进行应力分析时,通过提取单元积分点应力分量计算构件的安全裕度,研究液体垫片对复合材料装配结构应力的影响。得出如下结论：强迫装配时,处在装配间隙边缘的区域受间隙影响相对严重,该区域发生较大的弯曲变形,构件中间部分由于局部贴合反而使装配间隙的影响相对较小;液体垫片在改善间隙边缘危险区应变状态的同时,也使构件中间贴合部位的螺栓头挤压区和部分非挤压区的应变增大,但总体而言,液体垫片的引入使应变分布趋于均匀;当装配间隙大于0.7 mm后,液体垫片补偿对于构件安全裕度的提升作用明显下降。     

数字图像相关方法辅助的IM7/8552碳纤维/环氧树脂复合材料单向带层合板沿厚度方向非线性本构参数识别

提出了采用数字图像相关(DIC)方法和有限元模型修正(FEMU)技术相结合,通过短梁剪切(SBS)试验获得碳纤维增强环氧树脂(IM7/8552)正交各向异性复合材料单向带层合板沿厚度方向压缩本构关系参数的试验方法.该方法根据假设材料初始本构,采用3D有限元模型(FEM)计算获得主平面压头下方沿厚度方向的应力和应变分布,...     

稀土Ce接枝碳纳米管-碳纤维多尺度增强体对环氧树脂基复合材料界面性能的影响

将马来酰亚胺官能化的多壁碳纳米管(CNTs)和碳纤维(CF)混合并通过CeCl₃处理,得到CNTs-CF多尺度增强体,采用FTIR、XPS、SEM对增强体的表面物理化学状态进行表征;以环氧树脂(EP)为基体,通过模压法制备CNTs-CF/EP复合材料,对其力学性能和断口形貌进行分析,探讨CNTs-CF多尺度增强体对CNTs-CF/EP复合材料界面性能的影响。结果表明:通过Ce的桥接作用,可以将改性后的CNTs化学接枝在CF表面,以同时解决CF与树脂基体间界面结合弱及CNTs不易分散的问题,有效改善了增强体与基体间的界面性能。因此CNTs-CF/EP复合材料的拉伸强度和杨氏模量较CF/EP复合材料分别提高了36.76%和71.57%;较CeCl₃改性CF(RECF)/EP复合材料分别提高了24.79%和52.17%。采用稀土Ce的化学接枝法成功制备出CNTs-CF多尺度增强体,为获得高级轻质树脂基复合材料提供了一种环境友好的新方法。      

老化环境对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料性能的影响

不同老化环境(湿热、热水、热氧)对复合材料的性能有着重要的影响.文中分析了同一温度不同老化环境下T 800碳纤维/环氧树脂基复合材料的吸湿(湿热、热水)和失重(热氧)特性,并对比了老化前后的表面形貌、物理化学特性、动态力学性能及层间剪切性能.结果表明,在相同温度下,热氧环境下的失重率要大于湿热和热水环境下的吸湿率;随着...     

碳纤维截面特性对碳纤维/环氧树脂复合材料压缩强度的影响

基于压拉平衡为特征的新一代先进复合材料的需求,开展了碳纤维截面形状和尺寸对碳纤维/环氧树脂复合材料压缩强度的影响研究。有限元模拟和试验结果均表明,增大碳纤维直径可以提高复合材料压缩强度。另外碳纤维截面形状也对复合材料压缩强度有影响,圆形截面优于椭圆形截面。      

孔隙微观特征对碳纤维/环氧树脂复合材料横向拉伸强度的影响

通过有限元方法研究了相同孔隙率下孔隙的分布、尺寸和形状等微观特征对碳纤维增强环氧树脂复合材料单向板横向拉伸强度的影响。首先使用Matlab对复合材料微观图像进行处理,提取孔隙的半径分布。然后通过C++编写多种孔隙随机分布算法,包括可以生成不同分布孔隙、不同尺寸孔隙以及不同形状孔隙的随机分布算法。最后通过Python参数化生成代表性体积单元（RVE）,用有限元方法研究相同孔隙率下孔隙的分布、尺寸和形状对碳纤维/环氧树脂复合材料单向板横向拉伸强度的影响。研究结果显示,孔隙率相同时,碳纤维/环氧树脂复合材料的孔隙形状对横向弹性模量的影响较大,孔隙尺寸和形状对横向拉伸强度有较大的影响。     

可剥布对T300/Cycom 970环氧树脂复合材料胶接性能的影响

在商用飞机复合材料结构制造过程中,可剥布在复合材料共胶接和二次胶接的表面处理过程中应用越来越广泛,逐步替代传统打磨方式。然而在实际应用中,可剥布与复合材料树脂体系之间存在一定的匹配性,经不同可剥布处理后的复合材料表面胶接性能存在较大差异。为研究其对胶接性能的影响,选用四种航空用可剥布对复合材料进行表面处理,采用热压罐工艺制备T300/Cycom 970环氧复合材料层压板,选取同一种航空用胶膜进行胶接。按照ASTM剥离测试和单搭接剪切测试标准,对T300/Cycom 970环氧复合材料胶接结构的性能进行测试,采用接触角测试、SEM和X射线能谱测试(XPS)分别对复合材料层压板制件和可剥布织物的表面润湿性、表面形貌和表面元素进行测试与分析。结果表明:选用聚酯湿可剥布处理后的T300/Cycom 970环氧复合材料胶接性能最佳;可剥布织物及涂层的残留会影响复合材料胶接性能;可剥布处理能改善复合材料表面润湿性,提高表面能,但并不能保障胶接质量;可剥布编织形式直接影响复合材料表面形貌,决定其表面粗糙度,对复合材料胶接性能也有较大的影响。     

聚砜/环氧树脂相容性对合金膜结构和性能的影响

本文通过混合焓法预测并用相差显微镜表征了聚砜 /环氧树脂 (PSF/ER)合金体系的相容性 ,表明二者为部分相容体系。合金膜中聚合物的组成影响PSF/ER间的相容性 ,进而影响合金膜的结构和性能。随合金体系相容性下降 ,膜的平均孔径显著增加 ,水通量增大而相应的截留率下降 ;研究表明 ,改变PSF/ER间的相容性是调节膜结构、提高膜性能的有效方法     

硅溶胶改性处理对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能的影响

用溶胶-凝胶法制备硅溶胶对碳纤维进行表面改性,观测了环氧树脂液滴在单向排列碳纤维集束表面的铺展过程;以环氧树脂为基体制备单向排列的碳纤维/环氧树脂复合材料,研究了硅溶胶改性处理碳纤维对其拉伸性能的影响。结果表明:碳纤维经过硅溶胶改性处理后,Si—o—Si,-NH₂等极性官能团的引入改善了环氧树脂对其的浸润性能,从而改善了碳纤维与环氧树脂间的界面粘结性能,使碳纤维/环氧树脂复合材料的横向拉伸强度显著改善,但纵向拉伸强度影响不大;与未经过表面处理的复合材料相比,经过硅溶胶改性处理的碳纤维/环氧树脂复合材料其横向拉伸强度提高了62.74%;与用硝酸处理的碳纤维制备的复合材料相比,用硝酸处理后再用硅溶胶处理的碳纤维所制备的复合材料,其横向拉伸强度提高了35.27%。     

孔隙率对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板湿热性能的影响

针对某飞机上应用的典型铺层[(±45)4/(0,90)/(±45)2]S和[(±45)/(0,90)2/(±45)]S,研究了孔隙对碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板的吸湿行为和层间剪切强度的影响。采用不同的热压罐固化压力制备了不同孔隙率的试样。采用显微图像分析技术对孔隙率和孔隙的微观结构特征进行了详细的分析。研究结果表明:孔隙主要分布于层间,且随着孔隙率的增大,孔隙的尺寸增大;2种层合板的吸湿率和最大吸湿量随着孔隙率的增加而增加;湿热老化和未经湿热老化的层间剪切强度都随着孔隙率的增加而下降。铺层[(±45)4/(0,90)/(±45)2]S未经湿热和湿热后的层间剪切强度随着孔隙率增加分别下降6%(孔隙率:0.6%~6.3%)和9%(孔隙率:0.4%~7.0%);铺层[(±45)/(0,90)2/(±45)]S未经湿热和湿热后的层间剪切强度随着孔隙率增加分别下降14%(孔隙率:0.4%~6.9%)和7%(孔隙率:0.2%~8.9%)。     

MWCNTs对碳纤维非褶皱无纺布/环氧层合板力学性能的影响

将羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)添加到TDE85环氧树脂中,然后与碳纤维非褶皱无纺布(C-NCF)复合,制备成[0°/90°/+45°/-45°]_S层合板。采用三点弯曲、短梁剪切和单边切口弯曲测试方法以及动态力学性能分析方法,研究了不同含量的MWCNTs对层合板弯曲性能、层间剪切强度(ILSS)、Ⅱ型层间断裂韧性(G_ⅡC,以及玻璃态转变温度(T_g)的影响。并采用SEM对Ⅱ型试样的断面进行分析。结果表明,MWCNTs的加入显著提高了NCF层合板的力学性能。与空白试样相比,当MWCNTs在树脂中的质量分数为2.0%时,弯曲强度和模量分别提高了约26%和6%;当MWCNTs的质量分数为0.5%时,ILSS、G_ⅡC、T_g分别提高约14%、27%和14%。     

低温暴露对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸力学性能的影响

针对低温暴露对碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料力学性能影响进行研究,对低温0℃、?20℃、?40℃、?60℃暴露100 h、200 h、300 h、400 h、500 h后,对CF/EP的复合材料拉伸力学性能影响展开研究,利用SEM电镜扫描分析损伤机制,根据试验结果提出了一种预测CF/EP复合材料低温暴露后剩余强度的预测公式。试验结果表明,在长时间低温暴露后,CF/EP复合材料拉伸强度随低温暴露时间的增长呈现出先增后降的趋势;低温暴露时间低于300 h时,CF/EP复合材料拉伸强度随温度下降先增后降,暴露时间高于300 h后,拉伸强度随温度下降逐渐降低;CF/EP复合材料拉伸弹性模量随低温暴露时间的增长呈现逐渐上升趋势,温度越低,上升趋势越明显。SEM结果表明,低温暴露后,纤维与环氧树脂黏结程度增强,有利于荷载传递,CF/EP复合材料拉伸强度增大,破坏形貌上表现为纤维上包裹更多树脂;长时低温暴露后,由于纤维与基体收缩系数不同导致微裂纹产生,在受到荷载时裂纹进一步扩散,不利于荷载传递,使拉伸强度下降,破坏形貌上表现为纤维成束凝集,纤维束间距增大。基于初始试验,本文提出了一种基于初始试验的CF/EP复合材料低温暴露后剩余强度预测模型,试验与预测结果吻合较好,由于考虑了同种材料在不同低温和暴露时间耦合作用下的等效作用,可减少相同材料在不同低温与暴露时间下的试验次数,因此具备一定参考价值。      

不同官能化碳纳米管对MWCNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

为研究加入不同官能化碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响,通过对羧基化多壁碳纳米管(MWCNTsCOOH)进行化学处理,得到表面接枝乙二胺的碳纳米管(MWCNTs-EDA)。分别将MWCNTs-COOH和MWCNTs-EDA分散在环氧树脂中,通过热熔法制备环氧树脂中含有碳纳米管的T700碳纤维预浸料,并热压成准各向同性复合材料层合板。结果表明:MWCNTs-EDA在环氧树脂中的分散性优于MWCNTs-COOH,MWCNTsEDA本身具有固化反应活性,加入后对基体的交联密度影响较小。与MWCNTs-COOH相比,MWCNTs-EDA可以有效改善环氧树脂及碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能。当MWCNTs-EDA含量为1.0wt%时,MWCNTs-碳纤维/环氧树脂准各向同性复合材料层合板的压缩性能、弯曲性能和冲击后压缩强度分别提高了14.7%、40.9%和20.6%。     

碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料研究

制备了碳纳米管(CNTs)/碳纤维(CF)/环氧树脂(EP)三元复合材料。研究了CNTs含量对复合材料层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量的影响,并采用场发射扫描电镜分析了CNTs在基体树脂中的分散情况。结果表明:复合材料性能的变化源自于CNTs在基体树脂中的分散状态。当CNTs含量为0.2%(wt,下同)时,复合材料剪切强度和弯曲强度达到最大值,分别为99.2MPa和1811.4MPa,但其弯曲模量下降了8.7GPa。当CNTs添加量达到1%时,其弯曲模量达到135.9GPa,较未加入CNTs时提高了11.1%,层间剪切强度和弯曲强度分别降低了5.5MPa和359.5MPa。     

湿热环境对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能的影响

对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料进行湿热老化实验,通过质量变化、老化前后表面形貌、红外光谱、动态力学性能,层间剪切和压缩实验,研究3.5％(质量分数,下同)NaCl溶液和去离子水两种介质分别在70℃下溶液浸泡对碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能的影响.结果表明:T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在去离子水和3.5％NaCl溶液中的吸湿率相对较低,分别为0.82％和0.67％;未老化试样纤维与基体之间黏结良好,在3.5％NaCl溶液老化后纤维与基体界面破坏相比去离子水中老化更严重;经去离子水中浸泡后剪切强度降低8.8％,压缩强度降低4.3％;在3.5％NaCl中浸泡后剪切强度降低10.1％,压缩强度降低4.7％.在两种溶液老化后试样的Tg降低,但相差不大.此次研究结果对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在腐蚀环境中的应用提供了依据.     

碳纳米管对碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

为了探讨碳纳米管(CNTs)对碳纤维/环氧树脂复合材料(CF/ER复合材料)力学性能与疲劳寿命的影响,利用静态拉伸实验和拉-拉疲劳实验沿纤维方向对CF/ER复合材料和CNTs增强CF/ER复合材料(CNTs/CF/ER复合材料)进行了对比研究,同时利用X射线仪与扫描电镜对试样进行了观察.研究结果表明,CNTs的加入,虽然对CF/ER复合材料的拉伸力学性能影响不明显,但可以提高高周疲劳寿命约4倍,使各种实验应力水平下的裂纹密度降低9.5％以上,并可观察到试样中CNTs的拔出、破裂及桥联作用.由此可见,CNTs的加入可明显改善CF/ER复合材料的疲劳寿命.     

碳纤维增强环氧树脂复合材料与铝板胶螺混合连接接头失效仿真

基于商用有限元软件ABAQUS,建立了碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）层合板和铝板双搭接胶螺混合连接接头强度预测模型,并进行了仿真分析,同时与试验结果进行对比,探究了此类混合接头在拉伸载荷工况下的失效形式和承载能力。结果表明,拉伸加载过程中,螺栓通过分担部分载荷加强了胶接连接。混合接头的失效形式先表现为胶层的断裂失效,最终表现为层合板孔边挤压失效。利用模型预测的接头承载能力与试验结果的误差为9.7%,具有较好的吻合性。该分析方法能够为复合材料-金属胶螺混合连接的分析和设计提供一定的参考。      

MWCNTs对环氧树脂及多尺度MWCNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

通过对胺基化多壁碳纳米管（MWCNTs-NH₂）进行改性,得到改性MWCNTs悬浮液（MWCNTs-NH₂（M））。分别将羧基化MWCNTs （MWCNTs-COOH）和MWCNTs-NH₂（M）分散在环氧树脂（EP）中,采用热熔法制备了多尺度MWCNTs-碳纤维（CF）/EP复合材料。研究了MWCNTs对EP模量、韧性及EP与CF之间界面黏结强度的影响,并分析了MWCNTs与CF上浆剂的作用,评价了多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料的力学性能。结果表明：官能团化的MWCNTs可对EP的模量和韧性起到更好的增强作用。MWCNTs接枝的-COOH或-NH₂可与CF上浆剂中的环氧基团发生化学反应,提高EP与CF之间的界面剪切强度。MWCNTs-NH₂（M）对多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料力学性能的增强效果优于MWCNTs-COOH,当MWCNTs-NH₂（M）的含量为1wt%时,多尺度复合材料的0°压缩强度、90°压缩强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击后压缩强度（CAI）分别提高了16.7%、16.3%、40.9%、30.3%、20.6%。     

单向碳纤维增强树脂基复合材料的超低温力学性能

采用真空袋-热压罐工艺制备单向碳纤维增强树脂基复合材料(CFs/EP)层合板,并将高低温试验箱与万能试验机相结合,通过合理使用低温胶和低温引伸计,并在降温过程中实施应力-应变实时调零等关键技术,在室温和液氧超低温度(-183℃)下对单向CFs/EP层合板进行拉伸和弯曲试验,研究了其超低温力学性能,并根据室温和超低温试验后试样的微观和宏观特征,揭示了超低温环境下复合材料力学性能变化机制。结果表明,与室温力学性能相比,单向CFs/EP层合板超低温拉伸强度下降约为9.5%,而拉伸模量上升约为6.2%,主要是由于超低温环境下,树脂的收缩使绝大部分碳纤维与树脂间形成了强界面,拉伸后试样呈"劈裂式"破坏形式,无法使每根纤维都充分发挥其强度,拉伸强度下降,同时超低温也限制了树脂大分子链的运动,所以导致单向CFs/EP层合板拉伸模量上升;单向CFs/EP层合板超低温弯曲强度和弯曲模量分别提高约54.75%和11.64%,这是由于单向CFs/EP层合板的常温和超低温的弯曲破坏形式均为分层剪切破坏,超低温下复合材料的界面增强,提高了单向CFs/EP层合板抵抗剪切分层的能力,进而使CFs/EP的弯曲性能得到提高。     

超薄预浸料对碳纤维/环氧树脂复合材料导电性能的影响

为了协同提高碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的电性能和力学性能,采用碳纤维丝束展宽、浸润一体化的工艺方法,将12K CF展宽预浸制备成厚度分别为0.02 mm、0.03 mm、0.08 mm、0.10 mm的CF/EP预浸料及其单向层合板,分析测试了微观结构尺度对CF/EP复合材料层合板电阻率、电阻率随温度及在拉伸载荷作用下响应的影响机制。结果表明,随着CF/EP预浸料厚度从0.10 mm减小到0.02 mm,CF/EP复合材料单向层合板中大尺度树脂富集区所占比例明显减小,厚度方向的电阻率从151.3 Ω·cm减小到32.1 Ω·cm,导电性能提高了约5倍;随着温度升高,CF/EP复合材料层合板电阻率逐步下降,厚预浸料层合板沿厚度方向电阻率的下降速率高于薄预浸料层合板;在载荷作用下由CF/EP薄预浸料制成的CF/EP复合材料层合板的电阻率具有较高的稳定性,表明预浸料薄层化有助于提高CF/EP复合材料抵抗载荷作用的能力,从而获得较高的力学性能和电性能。实验结果为CF/EP复合材料结构-功能一体化设计提供了基础。