基于宏微观分析的碳纤维增强高分子复合材料强度性能表征

微观力学强度理论(MMF)是一种新型的基于物理失效模式的复合材料强度理论。通过对碳纤维/树脂(UTS50/E51)复合材料单向层合板进行纵向、横向静载拉伸、压缩和弯曲试验, 得到层合板的基本力学性能和宏观强度指标。建立了碳纤维增强树脂基复合材料微观力学模型, 获取树脂基体和纤维不同位置的机械载荷应力放大系数和热载荷应力放大系数。结合获取的应力放大系数及试验测得的单向层合板宏观强度, 计算出层合板组分的MMF强度特征值。绘制了基于MMF强度理论的层合板破坏包络线, 并与Tsai-Wu失效准则预测结果进行对比。实现了对UTS50/E51层合板MMF强度特征值的表征。     

上浆剂对碳纤维增强双马树脂基复合材料力学性能的影响

通过对包覆不同上浆剂的碳纤维增强双马树脂基复合材料在不同温度下的层间剪切强度、弯曲性能和三点弯曲试样破坏模式进行研究,探讨了上浆剂对碳纤维增强双马树脂基复合材料力学性能的影响。研究表明不同的国产上浆剂对CCF300/QY8911复合材料在高温环境时的层间剪切强度和弯曲强度有影响;室温下不同上浆剂的CCF300/QY8911复合材料的力学性能与T300/QY8911复合材料的相当,而高温下其力学性能的保持率低于T300/QY8911复合材料的。     

基于界面单元的复合材料Ⅱ型层间损伤分析

为了研究复合材料层间损伤, 建立了一种新型零厚度界面单元模型, 可以准确地预测复合材料Ⅱ型层间分层扩展。模型包括本构关系建立、损伤准则和损伤演化引入, 并在大型商用有限元软件ABAQUS用户单元子程序(VUEL)中实现, 采用显示积分方法求解, 不存在收敛性问题。将该模型应用于国产碳纤维增强树脂基复合材料CCF300/5428端部缺口弯曲试验(ENF)模拟分析中, 结果表明, 此界面单元模型能够准确模拟复合材料层板Ⅱ型裂纹扩展, 为复合材料层间损伤分析提供了一种有效的方法。     

基于界面单元的复合材料层间损伤分析方法

为了研究复合材料层间损伤, 建立了一种新型零厚度界面单元模型, 可以准确地预测复合材料 Ⅰ 型层间裂纹扩展。模型包括本构关系建立、损伤准则和损伤演化引入, 并在大型商用有限元软件ABAQUS用户单元子程序VUEL中实现, 采用显示积分方法求解, 不存在收敛性问题, 同时允许使用较粗的有限元网格。最后将该模型应用于国产碳纤维增强树脂基复合材料(CCF300/5428)双悬臂梁试验(DCB)模拟分析中, 结果表明, 此界面单元模型能够准确模拟复合材料层板 Ⅰ 型裂纹扩展, 为复合材料层间损伤分析提供了一种有效的方法。     

碳纤维增强树脂基复合材料的界面

从碳纤维、树脂基体、界面3个层次对碳纤维增强树脂基复合材料的界面研究进行了综述,重点介绍了碳纤维表面特性表征及改性方法、树脂基体特性及改性方法和界面分析表征手段,由此提出了纤维/树脂界面的研究路线,简要分析了复合材料界面研究的前景与趋势。为了实现纤维/树脂界面的良好匹配,充分发挥碳纤维复合材料的性能优势,需完善界面表征手段、明确界面微观性能与复合材料宏观性能的关系、深化研究界面对复合材料湿热性能及失效模式的影响等。     

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.     

树脂基体中热塑性树脂含量对碳纤维环氧复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响

制备了国产CCF800H碳纤维增强环氧树脂基复合材料,通过调控环氧树脂中的热塑性增韧树脂含量,探索热塑性树脂增韧颗粒含量对复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响,结果表明,在碳纤维对增韧剂颗粒的过滤效应下,热塑性树脂增韧颗粒会在复合材料层间富集,并且随着热塑性树脂增韧剂含量增加,复合材料层间厚度增大.随热塑性树脂增韧剂含量增加,在层间树脂基体韧性及层间高韧树脂厚度增大的共同作用下,复合材料Ⅱ型层间断裂韧性逐步提升.     

碳纤维增强树脂基复合材料组分疲劳强度表征

对微观力学失效（Micro-mechanics of failure,MMF）理论的应用做了扩展,将其用于分析连续纤维增强树脂基（FRP）复合材料的三维复杂结构的疲劳强度。基于MMF理论,建立了连续FRP复合材料层合板疲劳强度表征方法。分别对碳纤维/树脂（UTS50/E51）复合材料单向层合板进行静载和疲劳试验,得到层合板的基本力学性能和宏观强度指标;对UTS50/E51层合板组分疲劳强度进行了表征,得到了纤维和树脂的拉伸、压缩MMF疲劳特征参量S-lgN曲线,为MMF方法应用于连续纤维增强复合材料层合板结构的疲劳强度分析提供了判断依据。使用建立的方法对UTS50/E51多向层合板的拉伸疲劳强度进行了分析,并将预测结果与试验结果进行对比。     

国产T800碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的界面及力学性能

分别采用日本东丽T800H和国产T800碳纤维作为增强体,采用热压罐工艺制备双马来酰亚胺树脂基复合材料。研究了2种碳纤维的表面物理和化学状态,复合材料的微观界面性能及力学性能。结果表明:国产T800碳纤维表面沟槽分布较多,表面粗糙度较高,有利于与树脂基体形成更好的物理结合作用。同时,国产T800碳纤维表面具有较多的含氧官能团,有利于与基体树脂形成更好的化学结合作用。因此,国产T800碳纤维的界面剪切强度较T800H碳纤维高约27%。国产T800/HT-280复合材料的力学性能均普遍高于T800H/HT-280复合材料,其中,90°拉伸强度高约25%,面内剪切强度、弯曲强度高约12%,层间剪切强度高约7%。      

国产T800碳纤维用氰酸酯树脂开发及其复合材料性能

基于飞行器减重对耐高温结构复合材料的应用背景,为了拓展国产T800碳纤维增强氰酸酯复合材料体系的应用,通过对国产T800碳纤维表面上浆剂的分析,开展适于国产T800碳纤维的氰酸酯树脂基体配方设计,研究国产T800碳纤维/氰酸酯复合材料的力学性能和耐热性能,分析树脂基体对复合材料界面性能的影响。结果表明:国产T800碳纤维表面上浆剂中含有环氧基团。配方优化后的氰酸酯树脂与国产T800碳纤维复合后,复合材料的室温-湿态力学性能保持率大于74.8%,200℃力学性能保持率大于57%,玻璃化转变温度为226℃,具有优异的热机械性能和界面性能。     

基于应变不变量失效理论的碳纤维增强树脂基复合材料层合板开孔结构压缩损伤模拟

应变不变量失效理论(SIFT)是一种新型的基于物理失效模式的复合材料强度理论,被广泛应用于复合材料结构失效分析。首先,为了提高理论分析的精度,SIFT被扩展用于分析碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板开孔结构的静载压缩逐步失效机制和强度。开发的SIFT实施方法包括材料强度表征和结构强度预测两个部分。结构强度预测是基于ABAQUS平台并使用Fortran语言编写用户自定义材料子程序(UMAT)实现的。随后,将SIFT预测值与经典复合材料强度理论Tsai-Wu和Hashin理论的预测结果和试验结果进行了对比,结果显示SIFT预测的精度最高。同时,基于SIFT对静载压缩下的AS4/3501-6层合板开孔结构从初始失效到最终失效的失效机制演变进行了详细的分析。最后,将SIFT预测的AS4/3501-6层合板开孔结构静载压缩的失效机制与试验结果进行了对比。结果表明SIFT预测的逐步失效机制与试验结果相吻合,所得结论为CFRP结构强度的预测提供了新思路。     

考虑时间和温度影响的复合材料开孔层板压缩失效分析

鉴于复合材料性能的时间-温度相关性,对固化后的树脂基体(5228A)进行了动力学分析(Dynamic Mechanical Analysis,DMA),得到了试验窗口中不同温度下的储能模量曲线片段,利用封闭平移(Closed Form Shifting,CFS)方法对其进行扩展,建立了主曲线并得到了曲线片段对应的平移因子。根据加速试验方法(Accelerated Testing Methodology,ATM),分别以两种铺层的准各向同性开孔层板(CCF300/5228A)为研究对象,建立了匀应变率(Constant Strain Rate,CSR)压缩强度主曲线。借助微距拍摄和超声波C扫描,对其渐进损伤过程和不同温度下的破坏形貌进行了观测。结果表明:即使温度低于玻璃态转变温度,树脂基体动态力学性能也会随时间的增加而降低;单层较厚的开孔层板压缩强度对时间和温度更加敏感,而单层较薄的开孔层板则具有更好的损伤容限性能;温度升高、加载速率降低时,开孔层板压缩最终破坏主导因素从分层损伤趋于纤维屈曲。     

Effect of Moisture and Temperature on the Compressive Failure of CCF300/QY8911 Unidirectional Laminates

CCF300/BMI composites are relevant materials for supersonic aircraft due to their high specific properties. However in aeronautical applications, the composites are exposed to severe environmental conditions, and it is known that hot and humid environments can degrade some aspects of the material performance especially the compressive strength. In this paper, the effect of moisture and temperature on the compressive failure of unidirectional CCF300 carbon fiber reinforced bismaleimide(BMI) matrix composites were studied. Also scanning electron microscope (SEM) was employed for fractographic investigations. It is observed that the plastic deformations at the fiber/matrix and interlaminar interface as well as residual stresses lower the compressive strength of the material. The failure of specimens tested in hot and wet conditions always occurs as a result of out-of-plane microbuckling that is attributed to the reduction of matrix strength. In addition, the fiber microbuckling model, fiber kinking model and combined model were employed for the compressive strength prediction of the UD CCF300/QY8911 composites subjected to different environment conditions. The comparison was done between these models. Results show that the combined model is more suitable for the compressive strength prediction of CCF300/QY8911 composite systems when suffering severe environment conditions.     

国产炭纤维CCF300与T300炭纤维复合材料剪切载荷下的失效模式研究

对国产炭纤维与T300炭纤维复合材料层合板在常温干态、常温湿态、高温干态与高温湿态四种环境条件下进行了短梁剪切实验.采用宏观和微观相结合的方法,对其剪切性能、失效模式与损伤机理进行了对比研究.结果表明:界面性能是影响纤维树脂基复合材料剪切性能与失效模式最为重要的因素,而国产炭纤维复合材料在界面性能的控制上还有待改进.因...     

An Experimental Investigation into the Damage Mechanisms in Notched CCF300/QY8911 and T300/QY8911 Composites Subjected to Hygrothermal Environment Condition

An experimental study was carried out to determine the notched tension characteristics of CCF300 fiber reinforced composite and T300 fiber reinforced composite subjected to normal and hygrothermal environment conditions. First, tests to failure with residual strength were carried out and the damage progressions were carefully investigated. Scanning electron microscope (SEM) was then employed for fractographic investigations. It was found that the CCF300/QY8911 composite specimens with poor interfacial adhesion between fiber and matrix exhibited higher residual strength, while the T300/QY8911 composite specimens with well adhesion had shorter ultimate strain. Damage progression mechanisms in the two material systems were very different. The major damage mechanism of CCF300/QY8911 composites was delamination generally occurring at lower stresses, which allowed higher levels of damage formation and resulted in higher ultimate strength. When changing to hygrothermal environment condition, greater damage was observed and off axis plies were extensively pulled out from the adjacent plies. On the other hand, all of the T300/QY8911 composite specimens failed due to fiber fracture with less damage, leading to a lower residual strength regardless of the environmental conditions. Further examinations showed that the failure mode of CCF300/QY8911 composite was much more sensitive to the hygrothermal environment, for the micro-failure mode had changed from matrix failure and fiber breakage to fiber/matrix splitting and fiber bundle pullout.     

Surface and wettability property analysis of CCF300 carbon fibers with different sizing or without sizing

To analyze the role of sizing on carbon fibers and the mechanism of adhesion in CF/polymer matrix composites, scanning electronic microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and dynamic contact angle analysis (DCAA) were selected to characterize the different properties between two types of sizings on carbon fiber CCF300. The results of surface roughness obtained from SEM and AFM images showed that the sizings smooth the surface of CCF300. In addition, the percentage of surface polar functional groups on sized CCF300 decreased slightly after sizing. In another hand, the total surface energy and the polar component of surface energy of the sized CCF300 decreased slightly compared to the unsized CCF300, and the J4 sizing has the more influence.     

正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场。采用断裂力学方法、 临界基体应变能准则、 应变能释放率准则及Curtin统计模型4种单一失效模型确定了90°铺层横向裂纹间距、 0°铺层基体裂纹间距、 纤维/基体界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与4种单一损伤模型结合, 对各损伤阶段应力-应变曲线进行了模拟, 建立了复合材料强韧性预测模型。与室温下正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变曲线进行了对比, 各个损伤阶段的应力-应变、 失效强度及应变与试验数据吻合较好。分析了90°铺层横向断裂能、 0°铺层纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能、 纤维Weibull模量对复合材料损伤及拉伸应力-应变曲线的影响。