单向纤维布可压缩性的实验研究

针对热压工艺中单向纤维布的压缩行为, 通过自行设计的纤维可压缩性测试装置测得压缩曲线, 并用Gutowski 纤维压缩方程进行拟合。提出了表征可压缩性的参数, 考察了初始纤维体积分数、层数、润湿介质、铺层方式和纤维种类对单向纤维布可压缩性的影响。结果表明, 层数、初始纤维体积分数和润湿介质对单向纤维铺层的可压缩性没有显著影响, 纤维的干湿状态、铺层方式和纤维种类对纤维层的可压缩性有明显影响。      

真空导入模塑工艺中织物预成型体的可压缩性

采用真空加载方法研究了循环加载、织物形态、纤维种类、织物层数、铺层方式和混杂方式等参数对真空导入模塑工艺(VIMP)中纤维织物预成型体压缩行为的影响。结果表明: 预成型体纤维体积分数随着压缩循环加载次数的增加而逐渐增大, 但增幅呈现逐渐减小的趋势; 在相同的压缩载荷下, 预成型体的纤维体积分数随着织物层数的增加而增大, 但增幅很小, 对于VIMP制备复合材料构件基本可以忽略; 纤维预成型体在压缩载荷下的响应方式与织物形态、纤维种类、铺层方式和混杂方式等因素密切相关, 单向铺层比正交铺层更容易压缩而获得较高的纤维体积分数, 夹芯混杂比层间混杂方式更容易压缩。      

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。     

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。      

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.     

织物预成型体厚度方向渗透特性研究

以达西定律为基础,研究了不同类型织物的织物层数、定型剂质量分数以及铺层角度对织物预成型体厚度方向上渗透性能的影响.实验结果表明,在一定的定型剂质量分数下,测试流体在垂直方向上的流动基本为稳态流动,大体受Darcy定律控制.随着织物层数的增加,流体流速减小,预成型体厚度方向渗透率逐渐增加.随定型剂质量分数的增加,厚度方向渗透率表现出先增大而后又减小的趋势,而且织物的铺层角度对预成型织物厚度方向渗透率也具有较大影响.     

基于数字图像技术的纤维织物面内渗透率表征

材料渗透率的表征受其结构空间离散性和求解方式准确性的严重影响。基于数字图像技术,评估了纤维织物渗透率的空间分布,并探讨了阶梯铺层对灌注工艺的影响。首先,从恒压单向注射实验的视频流中动态提取了流动前沿的流速分布和流动前沿角,通过织物渗透率与结构的关系仅一次实验便可求得纤维织物的面内局部渗透率分布;其次,利用正态分布函数拟合,建立了基于数字图像技术的纤维织物面内主方向渗透率张量的求解方法,并利用该方法研究了编织形式对渗透率的影响;最后,研究了阶梯铺层和恒定铺层对灌注过程的影响。结果表明:建立的基于数字图像技术的渗透率表征方法可以通过一次实验同时获取面内主方向上的渗透率及其空间离散型;在恒定铺层下缎纹织物渗透率随着纤维层数增大而增大,从厚铺层向薄铺层的灌注方式可以达到最优的灌注时间。      

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。     

风力发电机叶片用玻璃纤维织物的渗透率

通过改变纤维层数来改变纤维织物的孔隙率,采用一维饱和流动方法测量了风力发电叶片用玻璃纤维织物(WindstrandTM)三个方向(x、y和z)的饱和渗透率大小.考察了孔隙率、模具尺寸以及纤维方向(平行于和垂直于2％的纤维束两个方向)对其饱和渗透率的影响.结果表明:渗透率随孔隙率的降低而迅速降低；当孔隙率为34.6％～54.7％时,模具尺寸对y向饱和渗透率影响不大；改变2％的纤维束方向(由平行到垂直),当孔隙率为34.6％～54.7％时,对饱和渗透率有一定影响.当孔隙率为45％～55％时,玻璃纤维织物x和y方向的饱和渗透率约为z方向饱和渗透率的3～7倍.     

传感监测LCM成型厚铺层结构增强体内部渗透性能研究

采用传感监测系统辅助对厚铺层结构纤维增强体内部流动情况进行了实验研究.结果表明:渗透率随铺层厚度的增加逐渐减小,并趋于平缓;测试液在铺层厚度增强体顶层和底层渗透存在一定量的差异,并随铺层厚度的增加而增大.在不影响结构要求的前提下,导流布与长丝毡的配合使用是改善厚铺层结构渗透性能的有效方法.     

风力发电机叶片用玻璃纤维织物的渗透率

通过改变纤维层数来改变纤维织物的孔隙率, 采用一维饱和流动方法测量了风力发电叶片用玻璃纤维织物(Windstrand^TM)三个方向(x、y和z)的饱和渗透率大小。考察了孔隙率、模具尺寸以及纤维方向(平行于和垂直于2%的纤维束两个方向)对其饱和渗透率的影响。结果表明: 渗透率随孔隙率的降低而迅速降低; 当孔隙率为34.6%~54.7%时, 模具尺寸对y向饱和渗透率影响不大; 改变2%的纤维束方向(由平行到垂直), 当孔隙率为34.6%~54.7%时, 对饱和渗透率有一定影响。当孔隙率为45%~55%时, 玻璃纤维织物x和y方向的饱和渗透率约为z方向饱和渗透率的3~7倍。     

复合材料带筋壁板预成型体压缩性与渗透性对树脂流动的影响

以航空碳纤维增强树脂基复合材料典型结构件带筋壁板为研究对象,通过对U3160单向织物的组织结构进行分析,根据纤维束的受压变形状态对其压缩响应进行理论建模,然后以纤维束压缩模型为基础,预测了U3160单向织物按0°/45°/90°/-45°铺层时预成型体在压缩应力作用下厚度变化的响应行为。建立了压缩应力作用下纤维预成型体的渗透率解析模型:在织物压缩模型的基础上,建立了纤维束等效渗透率模型;根据张量理论,分别建立了0°、±45°和90°铺层织物等效渗透率模型;运用渗透介质串并联关系,建立了带筋壁板各特征区域渗透率综合表征模型。基于PAM-RTM流动模拟软件,进行分区渗透率定义,在充模过程中对树脂在带筋壁板预成型体中的流动行为进行模拟,优化工艺参数,确定出最终充模方案,并制作带筋壁板实验缩比件进行成型实验,验证了充模方案的合理性。研究结果为制件的成功制作提供理论依据,从而指导生产实践。      

热压工艺参数对单向复合材料层板密实状态的影响

为了提高复合材料的质量稳定性并降低成本, 需要研究纤维密实状态的变化规律及其影响因素。采用密实指数I_c表征单向复合材料层板中纤维的密实程度, 进而研究了热压工艺下压力、加压时机及铺层层数对密实指数的影响规律。结果表明, 密实指数随压力的增大呈非线性增大, 随加压点树脂粘度的增大而减小, 随铺层层数的增大呈线性减小。该研究结果为优化热压成型工艺窗口和短程流动模型的建立提供了重要的实验依据。      

铺层混杂对复合材料层压板侵彻性能的影响

本文利用MTS和冲击侵彻测试装置，研究了由芳香族聚酰胺纤维、高强聚乙烯醇纤维制成的织物通过不同铺层方式与酚醛/PVB树脂复合的层压板的准静态和冲击侵彻性能。结果表明，芳香族聚酰胺织物层的加入能显著提高高强维纶织物树脂复合材料层压板的准静态侵彻刚度。随着芳纶混杂体积分数的提高，铺层混杂复合材料层压板的准静态侵彻阻力、穿孔能量（或单位面密度穿孔能量）将随之增加。从防护装具性能/重量比和性能/价格比的角度考虑，在芳香族聚酰胺与高强聚乙烯醇织物铺层混杂复合材料层压板中，高强聚乙烯醇纤维混杂体积分数可以确定为20%左右。     

国产CCF300碳纤维单向织物液体成型工艺性及其复合材料力学性能

选取国产碳纤维CCF300所制备的2种单向织物,单向无纬织物U3160及单向无屈曲织物KUC160,分别对其预成型体进行压缩特性和渗透特性测试,以研究2种单向织物的液体成型工艺性,并采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备2种单向织物/双马来酰亚胺树脂基复合材料,测试并对比其面内力学性能。结果表明:预成型体压缩试验中,嵌套效应受压力及织物层数影响较大,压力越高、层数越多,嵌套效应越显著。U3160织物的嵌套效应较KUC160织物更为明显,在较高压力下,KUC160织物预成型体的纤维体积分数较U3160织物的下降了约20%。渗透率测试结果表明:相比U3160织物,KUC160织物0°方向的渗透率较高,而90°方向的渗透率有所降低;这是由于经编线的绑缚作用能促进0°方向的宏观流动,而阻碍90°方向的微观渗透。此外,KUC160织物的经编线与U3160织物的纬向纱线的导流作用也对渗透率有影响。力学性能试验结果表明:相比U3160织物增强复合材料,KUC160织物增强复合材料0°方向的拉伸、弯曲和压缩性能均有所下降,拉伸强度和弯曲模量降幅最大,分别约为11%和21%;而层间剪切强度有小幅提高,增幅约为8%。      

Shear-lag analysis of notched laminates with interlaminar debonding

This study considers a method of analysis for predicting the fracture behavior of a notched, unidirectional lamina in the presence of surface constraint layers with debonding between the unidirectional ply and the constraint layers. Two particular cases are presented, the first being a debonded zone of finite width with no longitudinal damage in the unidirectional ply. This solution is then extended to include longitudinal matrix yielding and splitting in the unidirectional ply at the crack tip. The analysis is based on a materials modeling approach using the classical shear-lag assumption to describe the shear transfer between fibers. The fracture behavior of the laminate is studied as a function of initial crack length, the relative physical and geometric properties of the constraint plies and the unidirectional lamina, and width of the debonded zone. The results indicate that debonding can reduce the maximum fiber stress at the crack tip on the order of ten percent. This effect is maximum for a debond width of two or three fiber spacings and is independent of the initial crack length. As the debond width grows beyond this point, the maximum stress increases. For widths of about ten fiber spacings or more, the maximum fiber stress is larger than for the fully bonded case. In the presence of longitudinal matrix damage the same general behavior is found; however, the location of the maximum fiber stress is quite complex. In some cases with large matrix damage and a high constraint ratio, the maximum fiber stress can occur at the end of the debonded zone away from the crack tip.     

Evaluation of mechanical properties of banana and sisal fiber reinforced epoxy composites: Influence of glass fiber hybridization

In this work, the effect of glass fiber hybridization with the randomly oriented natural fibers has been analyzed. The banana (B), sisal (S) fibers were chopped and woven E-glass (G) synthetic fibers were reinforced with epoxy matrix. Nine different kinds of laminates were prepared in the following stacking sequence of B, S, BS, G/B/G, G/S/G, G/BS/G, G/B/G/B/G, G/S/G/S/G and G/BS/G/BS/G. Mechanical properties like tensile strength, flexural strength and impact strength were evaluated and compared. Interfacial analysis was also carried out with the help of Scanning Electron Microscope (SEM) to study the micro structural behavior of the tested specimen. It was observed that the addition of two and three layer of glass fiber can improve the tensile strength by a factor of 2.34 and 4.13 respectively. The flexural properties were enhanced on banana–sisal fiber with two layers of glass fibers rather than three layers and the laminate with sisal and three glass ply offers better impact strength.