Z-pin增强CMC层间Ⅰ+Ⅱ混合型断裂韧性

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,采用CVI工艺在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备了Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料。通过三点弯曲试验测定了Ⅰ+Ⅱ混合型应变能释放率,分析了材料的裂纹扩展行为和Z-pin增强机理。结果表明:随着裂纹扩展长度的增大,Ⅰ+Ⅱ型裂纹扩展阻力不断增大,相同裂纹扩展长度,增加Z-pin植入密度可以提高粘结强度,增大止裂作用。Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料裂纹扩展的耗能途径主要是层间界面剥离、Z-pin弹性剪切和拉伸变形。     

Z-pin增强陶瓷基复合材料拉伸和层间剪切性能

研究了Z-pin横向增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸和层间剪切性能。炭纤维平纹编织物和炭纤维Z-pin制备的预成型体, 通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料。通过单轴拉伸试验及加-卸载试验研究材料拉伸力学性能参数及破坏规律。采用双切口压缩试验测试材料的层间剪切强度。结果表明, Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线具有非线性特性; Z-pin嵌入降低了平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强度, 显著提高了陶瓷基复合材料层间剪切强度, 使原来单纯层间基体与织物表面的脱离转变为Z-pin的剪切破坏和层间基体与织物的脱离双重破坏机理。     

Z-pin增强复合材料Ⅰ型断裂韧性数值分析

采用细观力学方法以及虚拟裂纹闭合法(VCCT)对含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性进行了研究。利用有限元法建立了结构模型,采用实体单元模拟复合材料层压板结构和非线性弹簧元模拟Z-pin。通过计算应变能释放率对含有不同体积分数Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性与不含Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性进行了对比分析。研究表明,含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性在裂纹扩展过程中受到Z-pin桥联作用的影响而显著增强,且其增强效果与Z-pin的体积分数、处在桥联区的Z-pin数目均相关,这表明Z-pin增强方法能够有效提高复合材料层压板的分层扩展阻力。     

Z向增强平纹编织C/SiC复合材料层间剪切强度(英文)

碳纤维平纹编织物和穿透厚度的碳纤维Z-pins制作的预成型体,通过化学气相渗透工艺制备了Z-pins增强平纹编织C/SiC复合材料。采用双缺口剪切压缩试验测定了Z-pins增强平纹编织C/SiC复合材料的层间剪切强度,通过断口的电镜照片分析了层间剪切的破坏机理。研究了Z-pins个数对层间剪切强度的影响。结果表明:与未增强陶瓷基复合材料相比较,当Z-pins个数达到一定数量时,Z-pins插入能够提高层间剪切强度,层间剪切强度随Z-pins个数的增多而增加。Z-pins插入改变了陶瓷基复合材料的层间破坏机理,使层间织物与基体的脱离变为Z-pins的剪切破坏和层间织物与基体脱离的双重破坏机制。     

Z-pin增强复合材料层合板断裂韧性试验研究

针对Z-pin增强复合材料层合板, 开展了断裂韧性的试验研究。研究选取了3种Z-pin直径(0.28、 0.52、 0.80mm)且每种直径下分别以3种分布形式(5×5、 8×8、 10×10)排布Z---pin的增强方式, 为了确定比较基准, 试验中同时测试了不含Z-pin的复合材料层合板试样。通过Z-pin拔出试验测试了3种直径Z-pin从基体拔出过程中的载荷位移关系。利用双悬臂梁试验和端部开口弯曲试验分别测试了不含Z-pin和含Z-pin试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC、 Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC。试验结果表明:? 与不含Z-pin的结构相比, Z-pin增强试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC增大了83%~1110%, Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC增大了23%~438%; 在相同Z-pin体积含量下, 与增大Z-pin直径相比, 增大Z-pin分布密度能更有效地提高复合材料层合板的断裂韧性。      

Z-pin植入对二维机织复合材料层合板力学性能影响的数值模拟

针对植入Z-pin后的碳纤维增强平纹机织复合材料的微观结构,建立了含Z-pin机织复合材料单层板和层合板的单胞模型。预测了Z-pin直径、分布间隔对单层板的面内纵向拉伸力学性能的影响,发现含有Z-pin的机织复合材料单胞在受面内拉伸时,会在Z-pin附近出现应力集中,单胞首先会在应力集中区域发生失效而导致强度降低。通过三维单胞模型模拟了Z-pin在层合板中拉出脱离的过程,得出了不同Z-pin直径、不同分离层厚度下的拉拔力-位移曲线。建立了用非线性弹簧模拟Z-pin的双悬臂梁（DCB）模型,结合虚拟裂纹闭合技术（VCCT）,模拟了含有Z-pin复合材料层合板的Ⅰ型裂纹扩展,结果表明：Z-pin直径越大,分布越密,层合板的等效Ⅰ型应变能释放率 G_IC越大,且直径越大,G_IC 随裂纹扩展的波动幅度越大,分布越密,G_IC 波动的波长越小。     

热塑性树脂含量对CCF800H碳纤维环氧复合材料Ⅰ型层间断裂韧度的影响

采用国产CCF800H高强中模碳纤维增强环氧制备了复合材料,研究不同热塑性树脂含量对复合材料张开(Ⅰ)型层间断裂韧度的影响,研究表明:随着热塑组分含量的提高,复合材料的裂纹起始应变能量释放率(GⅠC-init)与裂纹稳态扩展应变能量释放率(GⅠC-prop)都获得了大幅度提升,在增韧组分质量分数大于20%时,增韧聚芳醚酰亚胺粉体可在复合材料层间富集形成层间高韧区,并在复合材料层间形成了由"连续相"和"分散相"组成的层间增韧结构。     

3D混杂梯度结构碳/碳复合材料微观结构和性能研究

采用Z-PIN与粘胶基碳纤维毡、粘胶基碳纤维平纹织物、聚丙烯氰基碳纤维平纹织物制备了3D混杂梯度纤维预制体,多相碳素基体经丙烯等温化学气相渗透(ISO-CVI)和煤焦油沥青高压浸渍碳化(HPIC)复合工艺制备,分析研究了多相碳素基体的组织特征、Z向增强体对粘胶基碳纤维织物碳/碳复合材料(RCC)和聚丙烯氰基碳纤维织物碳/碳复合材料(ACC)层间性能的影响以及失效模式.碳基体的微观组织结构为各向同性层、光滑层和粗糙层多相复合体,粘胶基碳纤维表面和聚丙烯氰基碳纤维表面沉积碳的微观组织存在差异性.采用高密度Z-PIN增强体可提高层间性能40%～60%.失效模式为层间和纤维束内裂纹扩展,基体组织和纤维类型对层间性能的影响很小.     

C/C复合材料层间裂纹扩展研究

作为一种耐高温高性能复合材料,Ｃ／Ｃ复合材料具优异的高温力学性能,但是材料本身的脆性是其弱点之一,其中,对于二维碳碳复合材料而言,层间裂纹扩展是其主要损伤机理,本文针对Ⅰ型和Ⅱ型层间裂纹扩展进行实验研究,深入分析了不同密度及加入填充剂填充的二维碳／碳复合材料的层间裂纹扩展方式,测试了Ⅰ型和Ⅱ型层间裂纹扩展能,发现裂纹扩展能随密度的增大而增大,加入石墨粉或热解炭粉可以有效提高材料的裂纹扩展能．     

基于虚拟裂纹闭合技术的应变能释放率分析

基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT),建立了复合材料层合板层间裂纹尖端的应变能释放率(SERR)三维有限元计算模型。该模型考虑了裂纹尖端大转动和离散单元形状变化对应变能释放率计算的影响,修正了裂纹尖端应变能释放率的计算方法。利用该模型计算了裂纹长度为15 mm和35 mm时纯Ⅰ型和纯Ⅱ型的应变能释放率,纯Ⅰ型应变能释放率分别为 207 J/m2和 253 J/m2;纯Ⅱ型应变能释放率分别为 758 J / m 2和 1040 J / m2;计算值与试验值吻合得很好。同时,该模型计算了混合型不同比值 R=(G_Ⅱ/G_Ⅰ+G_Ⅱ)的长裂纹层合板层间断裂过程的应变能释放率,其中Ⅰ型和Ⅱ型应变能释放率计算值与试验平均值的最大误差为 11.4%,最小误差为 0.4%。该模型能有效计算裂纹尖端的应变能释放率。     

复合材料微细杆增强复合材料研究进展

纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强的特点,但复合材料层合板层间韧性和抗冲击性能差,复合材料微细杆(Z-pin)增强技术极大地改善了这一不足,被广泛应用于各工业制造领域.近年来,Z-pin增强复合材料的制备工艺不断发展,目前主要有热压罐法和超声植入法(UAZ).Z-pin增强复合材料的层间增韧和抗冲击性能提高效果显著,但...     

Characterization of the interlaminar fracture toughness of a laminated carbon/epoxy composite

Delamination between layers is an important problem in applications of fiber reinforced composite laminates. Tests were carried out to determine the interlaminar fracture toughness of AS4/3501-6 (carbon/epoxy) composite laminates using mixed-mode bending tests. Analysis of the test specimens in terms of mode I and mode II energy release rates showed good agreement between methods based on beam equations, compliance measurements, and detailed finite element analyses. The results showed that the critical mode I energy release rate for delamination decreased monotonically with increasing mode II loading. This is in contrast to some results in the literature. Various analytic representations of the mode interaction from the literature were compared, and shown to fit the data with reasonable accuracy.     

Numerical and experimental validation of computational models for mode I composite fracture failure

This work compares the numerical determination of the strain energy release rate in mode I for the interlaminar fracture of composite laminates by means of two different models: the virtual crack closure technique (VCCT) and the two-step extension method. Results were compared with empirical data obtained from double cantilever beam (DCB) tests carried out on unidirectional AS4/8552 carbon/epoxy laminates. The study showed that, in a pure mode I state, results obtained via the two-step method were in agreement with a straightforward calculation of the elastic energy variation in the system. Results from VCCT calculations were slightly lower than those obtained through the two-step method using four node elements in plane strain. As expected, results from both models converge as element length decreases.