多层多向机织复合材料细观结构建模及其性能

为分析多层多向机织复合材料的细观结构,基于多层多向机织工艺及不同于传统机织结构的纱线空间运动规律,推导了工艺参数与结构参数之间的关系,建立了细观结构分析模型;为研究多层多向机织复合材料的拉伸性能和失效机制,采用多层多向机织工艺、树脂传递模塑复合工艺,以碳纤维和环氧树脂为原材料制备了2种不同结构的多层多向机织复合材料,采用万能试验机和非接触全场应变仪对材料进行了0°和90°方向的准静态拉伸性能测试,并与正交三向机织复合材料进行了对比分析。结果表明:斜向纱的存在对多层多向机织复合材料的拉伸破坏模式和断口形貌有较大影响,斜向纱一定程度上阻碍了裂纹和应变沿承载方向扩展,0°方向拉伸试样断口处经纱层内经纱全部断裂,90°方向拉伸试样断口处纬纱层内纬纱全部断裂,2个方向的拉伸试样斜向纱层中均存在部分斜向纱纤维未断裂,拉伸试样非完全断裂。     

三维角联锁机织复合材料三点弯曲破坏的有限元计算

为了说明一种层层接结三维角联锁机织复合材料在三点弯曲载荷下的动态响应以及结构破坏行为,运用有限元分析软件ABAQUS,在纱线、基体细观结构尺度上计算与考察材料在一恒速弯曲应力作用下的挠度随时间的变化历程、渐进破坏过程、应力分布以及应力集中区域的结构效应。通过分析计算结果发现：三维角联锁机织复合材料的三点弯曲破坏与其结构特征密切相关,破坏由结构中的应力集中区域萌发。此外,应力集中部位主要位于屈曲波浪状的经纱上,且处于各根经纱的弯折部位。这种结构特征使其在材料承载过程中受到的载荷最大,从而导致破坏的进一步扩展。     

三维机织多孔复合材料的横向冲击性能

为了解纺织结构复合材料的动态力学行为,更好地设计并应用纺织结构复合材料,对三维多重纬经角联锁织物复合材料的动、静态力学性能进行了测试。运用分离式Hopkinson压杆装置测试了不同速度（应变率）及准静态状态时材料的力学性能。结果表明：三维多重纬经角联锁织物复合材料是应变率敏感材料;随着冲击速度的不断提高,材料所能承受的载荷及吸收的能量增大;材料破坏时前面表现为压缩破坏形式,背面为拉伸破坏形式。     

三维角联锁机织复合材料面内剪切失效机理及结构效应

结合数字图像相关技术、计算机断层扫描技术,采用修改的V形缺口试件轨道剪切加载探究了碳纤维/环氧树脂三维角联锁机织复合材料面内剪切失效机理和损伤模式。对比同等纤维体积含量单向板试件,揭示两者面内剪切行为的结构效应。角联锁和单向板试件面内剪切行为可简化为“线弹性、屈服、后继屈服”3个阶段。两种试件均在剪切应变集中区域产生局部剪切扭结带。角联锁损伤起始于树脂开裂,随后纱线间开裂,最终横向承载纱线旋转导致纱线抽拔;单向板主要失效模式为捆绑纱断裂后的纤维间分层失效。单向板捆绑纱延缓了纤维间分层,而角联锁中的经纬交织结构有效抵抗了纤维间分层,后继屈服表现为应变强化,强化了面内剪切强度。     

三维角联锁机织复合材料的冲击破坏有限元模拟分析

为研究层层接结三维角联锁机织复合材料的抗高速冲击性能,以指导抗冲击材料的结构设计,通过有限元分析的方法,计算此材料在具有不同入射速度弹体冲击下的动态响应。通过对比各种冲击条件下弹体的速度与时间曲线、加速度与时间曲线、材料渐进破坏扩展及最终破坏形态等的结果发现：冲击过程中,弹体的速度变化可被划分成2个阶段;弹体的加速度波动情况可直接反映复合材料靶体吸收弹体动能的动态规律;此外,经纱发生波浪状屈曲的区域是该类材料的重要结构部位,应在设计抗冲击型三维角联锁机织复合材料时进行局部强化与结构优化。     

横向冲击下双轴向经编玻璃纤维板的力学性能

采用MTS材料试验机和Hopkinson压杆,测试横向冲击下双轴向经编玻璃纤维织物增强不饱和聚酯树脂复合材料的静动态力学性质,得出准静态加载和动态冲击下载荷与位移曲线、材料破坏模式及能量吸收位移曲线.研究结果表明,整个准静态横向加载过程可分为2个阶段,即上升阶段和下降阶段.在准静态横向加载下,材料缓慢变形,是整体结构的...     

三维正交机织复合材料拉伸性能研究

阐述了三维正交机织复合材料沿不同方向的拉伸力学性能。复合材料以三维正交机织玻璃纤维织物为增强体,以环氧树脂为基体,基于真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺成型并制备试样。测试了试样的拉伸性能,结果表明:该三维正交机织复合材料90°(纬向)的拉伸性能优于0°(经向),但断口处存在严重的纤维抽拔和界面脱粘现象;增强体结构中经纱和纬纱含量对拉伸性能影响较大,面内某一纱线含量高,则该方向拉伸性能就强。同时,Z纱有效地改善了普通层合板复合材料拉伸分层失效的缺陷,但玻璃纤维与树脂基体界面结合性能较差。     

三维正交机织复合材料力学性能研究进展

总结三维正交机织复合材料力学性能的研究现状与发展趋势。介绍了纱线截面对三维正交机织复合材料弹性模量的影响;阐述了三维正交机织复合材料几何结构的数值表征特点;总结了国内外三维正交机织复合材料的准静态力学性能和动态力学性能研究成果。认为:三维正交机织复合材料细观结构的分析已较为成熟,但应在所建模型中考虑实际的纱线状态;研究纱线与基体的界面性能也很重要,尚待加强相关研究。     

单向复合材料冲击破坏模拟

为了说明单向复合材料在高速冲击下的破坏行为,为抗冲击材料的结构设计提供指导。通过有限元模拟分析的方法,在纱线与树脂基体尺度上计算单向复合材料在不同冲击速度下的响应与破坏。对比分析不同冲击速度下材料上某特殊位置点的挠度变化曲线、应力变化曲线以及材料破坏形态等方面,说明单向复合材料的抗冲击行为。在高速冲击作用下,由于冲击能量被靶体的吸收与耗散,单向复合材料的应力及变形幅度随着时间的延续越来越小;此外,树脂碎裂、纱线的断裂抽拔是单向复合材料在高速冲击下的主要破坏模式。且由于受力模式的不同,材料下表面的破坏程度比上表面更为剧烈。     

开孔三维机织复合材料的拉伸性能

为研究开孔尺寸对三维机织复合材料拉伸力学行为、破坏模式以及失效机制的影响规律,设计了3种不同孔径的三维机织复合材料试样,利用非接触全场应变测试系统和显微图像技术进行表征。结果表明:6、10、14 mm 的孔径对三维机织复合材料的拉伸模量几乎没有影响,开孔后全截面拉伸强度分别下降35.6％、44.5％和51.8％,但开孔后的净截面拉伸强度基本相同,与未开孔试样相比,平均拉伸强度下降约22.4％;未开孔试样的全场应变呈现均匀分布,而开孔试样在孔左右两侧呈现出应变集中;开孔试样的断口形貌相似,主要表现为经纱的断裂,并伴随有部分纱线的抽拔以及层间开裂。     

2.5维机织复合材料的几何结构模型与验证

为验证2.5维机织复合材料结构与其力学性能的关系,基于对材料断面显微照片的观察和分析,假定纤维束截面为为跑道形,建立了2.5维机织复合材料的单元结构模型。借助模型推导出纱线在几种典型结构（浅交弯联、浅交直联、深角联）的单元体结构内的纱线长度、接结经的取向角和纤维体积分数,并对材料进行拉伸、压缩性能预测。制作了满足要求的2.5维机织复合材料实验件并对其进行力学性能测试,通过试验值和预测值的对比,验证几何模型的正确性。     

超高分子量聚乙烯织物/聚脲柔性复合材料的抗破片侵彻机制

为研究平纹机织叠层和三维角联锁增强聚脲柔性复合材料的抗侵彻性能，以15 mm角联锁整体织物及叠层平纹织物(单层厚度0.39 mm, 40层)为研究对象，通过表面喷涂聚脲制备2种不同织物结构的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)织物/聚脲柔性复合材料；采用1.1 g柱状楔形破碎片，开展了弹道侵彻实验，并获取了弹道极限速度和比吸能；在此基础上，借助超景深显微镜及计算机断层扫描仪，观察侵彻后UHMWPE织物/聚脲柔性复合材料的表面及内部损伤形貌，分析抗破片侵彻机制。研究结果表明：UHMWPE织物/聚脲柔性复合材料抗破片侵彻性能具有明显的织物结构效应；相较于同厚度的叠层平纹织物增强聚脲柔性复合材料，角联锁织物增强聚脲柔性复合材料的弹道极限速度提升了4.9%;对于未被穿透的UHMWPE织物/聚脲柔性复合材料，其被侵彻过程主要包括聚脲对破片的包裹、剪切冲塞和纤维拉伸断裂破坏；叠层平纹织物的主要失效模式为剪切冲塞、分层失效，角联锁织物主要为纤维拉伸变形、拉伸断裂破坏。     

2.5D角联锁芳纶机织复合材料的压缩性能研究

探讨2.5D角联锁芳纶机织复合材料的压缩性能。测试了4种结构的2.5D角联锁芳纶机织复合材料的经向压缩强度和压缩模量及纬向压缩强度和压缩模量,分析了其结构与压缩性能间的关系。试验结果表明:伸直状态的衬经纱对2.5D角联锁芳纶机织复合材料的经向压缩性能有较大贡献;伸直状态的衬纬纱对2.5D角联锁芳纶机织复合材料的纬向压缩性能有较大贡献。认为应根据实际应用环境所需要的压缩强度和压缩模量来设计2.5D角联锁芳纶机织复合材料的结构。     

四步法三维编织复合材料的动态拉伸性能

为研究四步法三维玻璃纤维/环氧编织复合材料在不同应变率下的拉伸破坏模式,对四步法三维玻璃纤维/环氧编织复合材料在准静态和高应变率载荷下的单向拉伸性能进行了测试。运用间接分离式Hopkinson拉杆(SHTB杆)测试了应变率在800~2 100 s-1范围内单轴向上的拉伸性能,同时测试了材料在准静态下的力学性能,并与高应变率下的力学性能做比较。结果表明:四步法三维玻璃纤维/环氧编织复合材料是应变率敏感材料;随着应变率的增加,其拉伸模量和最大应力都增加,而相应最大应力的应变则减小。     

蜂窝状三维整体机织复合材料的弯曲性能及其有限元模拟

为解决蜂窝状复合材料在黏合压制过程中整体性差的问题,经合理设计在普通织机上织造截面为三角形的蜂窝状三维机织物,并采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺将蜂窝状三维机织物制备成复合材料。通过实验和Abaqus有限元模拟的方法,对比分析材料在不同加载速度下的载荷位移曲线、最大载荷速度曲线、最大吸能及破坏模式。结果表明,实验方法和有限元模拟得到的结果具有很好的统一性。使用模型可预测截面为三角形蜂窝状三维机织复合材料的力学性能,为高冲击损伤容限的蜂窝状三维机织复合材料优化设计提供理论参考。     

三维机织增强复合材料弹道冲击边缘部分有限元分析

利用有限元软件ABAQUS建立基于三维机织增强复合材料的单胞模型,探讨子弹在三维机织增强复合材料中应力波的传播发生过程,对比分析子弹冲击后边缘部分的实验结果和模拟计算的结果,并对三维机织增强复合材料的最终破坏模式与常用的层合板进行了比较。结果表明：子弹在三维机织复合材料中的应力峰值随入射速度的增大而增大,并来回发生反射,弹头从三维机织增强复合材料下表面射出后其增强纱线的断裂较入射上表面粗糙,分层现象在三维机织增强复合材料内部没有发生,而实际观察的破坏孔洞与采用有限元软件模拟后的图形基本吻合。     

正交-准正交复合三维机织复合材料力学性能

为弥补单一结构三维机织复合材料在性能方面的不足,研究正交-准正交复合三维机织复合材料的力学性能。以高强涤纶长丝为原料,分别织造四层正交和准正交三维机织结构作为预制件,依据均衡对称准则设计4种复合结构,选用双酚A环氧乙烯基脂为基体,制备正交、准正交及复合三维机织复合材料,并对制得的复合材料进行经向拉伸和弯曲性能测试。结果表明:准正交三维机织复合材料的经向拉伸和弯曲性能均优于正交三维机织复合材料;在复合三维机织复合材料中,复合顺序对复合材料性能的影响大于复合比例;正交结构位于材料表层时复合材料可以获得更优异的力学性能。     

三维机织角联锁SiCf/SiC复合材料弯曲性能及损伤机制

为解决陶瓷基复合材料在服役环境中由于弯曲而导致失效的问题,从理论上分析了经向和纬向弯曲过程中复合材料弯曲受力与内部纤维之间的相互作用机制。以SiC_f/SiC复合材料为例,利用微计算机断层扫描技术获得其内部纤维结构和孔隙等三维图像;并在此基础上,分别对三维机织角联锁SiC_f/SiC复合材料经向和纬向进行弯曲性能测试,从细观、微观尺度分析弯曲损伤机制。结果表明:三维机织角联锁SiC_f/SiC复合材料的纬向和经向性能明显不同,且纬向试样的弯曲强度大于经向试样;SiC_f/SiC复合材料的弯曲损伤模式复杂,经向试样裂纹主要沿着经纱与纬纱接触点扩展,而纬向试样裂纹主要在纬纱束之间产生,并最终导致弯曲破坏。     

单向复合材料及纯树脂材料抗冲击性能的比较

运用有限元软件ABAQUS,在纱线与树脂基体尺度上计算单向复合材料的抗冲击过程。通过对比分析相同条件下纯树脂材料的抗冲击能力,从弹体的速度变化曲线、冲击应力在复合材料不同组分上的分布等方面说明单向复合材料的抗冲击行为与主要吸能机制。在冲击作用下,与纯树脂材料相比,单向复合材料可使冲击能量在较短的时间内得以耗散,从而表现出更好的能量吸收性能。此外,单向复合材料中的纱线部分的应力峰值明显比树脂部分的应力峰值大,说明单向复合材料所承受的冲击能量主要被纱线增强相所吸收,从而具有更好的抵抗冲击的能力。     

碳纤轴纱对编织复合材料力学性能影响研究

对不同角度下玻纤双轴与玻纤碳纤三轴编织复合材料进行了拉伸试验,研究角度及碳纤轴纱对复合材料拉伸性能、破坏模式影响。结果表明,碳纤维轴纱可以增强材料拉伸强度及模量,使材料更具弹性,降低断裂伸长率。当编织角为60°左右时,拉伸强度增加最大,为219.9 MPa。编织角增大,拉伸强度降低且影响较大。碳纤轴纱复合材料破坏模式为局部基体破裂,部分纤维束断裂。