热残余应力对考虑微观孔隙碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能的影响

为研究由于材料固化产生的热残余应力对碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能预测结果的影响,发展了一种基于摄动算法的纤维和孔洞随机分布代表性体积单元（RVE）生成方法,建立更加接近真实材料微观结构的RVE模型。通过施加周期性边界条件,并赋予组分（纤维、基体和界面）材料本构关系,进而实现温度和机械荷载下模型的热残余应力和损伤失效分析。从结果中发现,材料固化过程会在纤维之间产生残余压应力,在模型孔隙周围产生沿加载方向的残余拉应力。所建立不含孔隙RVE模型的失效均是由于界面脱黏引起,材料固化在纤维之间产生的残余压应力会增加模型的预测强度。含有孔隙的RVE模型失效起始于孔隙周围的基体中,而材料固化在模型孔隙周围产生的热残余拉应力对含孔隙RVE模型预测的失效强度有降低作用。对于具有不同孔隙尺寸的RVE模型,模型的失效强度随着孔隙尺寸的增加而不断降低,但是热残余应力减弱了孔隙尺寸对模型预测结果的降低作用。对于具有不同长宽比椭圆形孔隙的RVE模型,热残余应力增加了孔隙长宽比对模型强度的降低作用。      

碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金层合板深拉成型特性

碳纤维增强树脂复合材料（Carbon fiber reinforced plastic,CFRP）因其轻质高强的特点,越来越多地应用到汽车轻量化设计和制造中。为研究CFRP板件及CFRP-Al层合板深拉成型影响因素,加速CFRP零部件产业化进程,本文通过DSC测试分析了CFRP预浸料的固化放热过程,以此为依据,用热压罐制备了不同后固化温度下成型的CFRP板材及单向、编织两种预浸带铺层的CFRP-Al层合板,用Inspekt table 100材料试验机对上述两种板材分别做了深拉试验。考虑到提高制备效率,用打磨、打磨+涂覆硅烷偶联剂、阳极氧化+涂覆硅烷偶联剂三种方式对铝合金板进行表面处理,不经热压罐固化成型,直接和正交对称铺层的单向预浸带一起在Inspekt table 100材料试验机的环境箱中混合温深拉,固化成形。并通过金相显微镜、SEM进行显微组织观察,验证后固化温度、深拉环境温度、预浸带的种类对CFRP板材及CFRP-Al层合板深拉成型性能的影响及铝合金板表面处理方式对CFRP叠层预浸带、铝合金板材混合温深拉成型性能的影响。结果表明,适当降低后固化温度、提高深拉环境温度有利于板材二次深拉成型。编织预浸带较单向预浸带能更好地承受压力,深拉成型质量更优。阳极氧化+涂覆硅烷偶联剂的表面处理方式一方面能在铝合金板材表面形成致密、均匀的微孔,另一方面硅烷偶联剂能很好地促进铝合金板材和CFRP的界面结合,有利于深拉成型。      

间苯二酚缩水甘油醚/间苯二甲胺体系的热机械性能和固化动力学

利用热分析技术对具有高温快速固化性能的间苯二酚缩水甘油醚/间苯二甲胺体系的热机械性能和表观固化反应动力学进行了研究。热机械性能分析(DMA和TMA)结果表明,间苯二酚缩水甘油醚/间苯二甲胺固化产物的玻璃化转变温度为83℃,室温下储能模量为2600 MPa,玻璃态热膨胀系数(α1)为54.9×10-6℃-1,橡胶态的线性热膨胀系数(α2)为177.9×10-6℃-1。通过恒温和非恒温模式差示扫描量热(DSC)测试得到体系的表观反应活化能为62.7 kJ/mol,由此估算出固化反应在160℃时仅需数秒即可完成。     

考虑孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真与实验研究

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在航空航天等领域应用广泛。在CFRP制造过程中难以避免会产生孔隙等缺陷,对后续的切削加工造成一定影响。在考虑了CFRP成型过程形成的孔隙缺陷基础上,运用有限元仿真模拟方法,从纤维-树脂-界面尺度建立了含孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真模型,研究了不同孔隙率条件下不同纤维排布方向的CFRP微观切削行为,并通过实验验证了仿真模型的正确性。研究结果表明:孔隙的存在会增加刀具的“空切”现象,从而对CFRP切削过程的切削力、材料破坏及亚表面损伤、材料能量等产生影响。随孔隙率的增加,切削力呈下降趋势,孔隙边缘的纤维产生整体断裂的倾向增加;孔隙对0°、45°和135°纤维排布方向的CFRP切削加工的面下损伤影响不大,在纤维排布方向为90°条件下,孔隙率高于3vol%时对加工表面的面下损伤具有较大影响;在材料内部能量耗散方面,“顺切”(纤维方向角小于90°)时的总耗散能低于“逆切”,随孔隙率增加,总耗散能降低。      

CFRP感应加热线圈中心区域温度场

感应加热技术是实现碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)低能耗高效固化成型的有效方法,提高CFRP感应加热温度场均匀性是保证成型质量的关键,而线圈中心区域温度场均匀性是保证材料整体温度均匀性的关键。根据电磁加热原理建立了CFRP有限元多场耦合的分析模型,通过对模拟计算和实验过程的温度场升温及分布情况的对比分析,证明了本仿真可以准确模拟CFRP感应加热温度场分布。根据图像的熵值理论将温度场均匀性通过熵值大小进行表示,实现了CFRP感应加热温度场均匀性的量化分析,并通过有限元模型计算研究了线圈直径及线圈与材料间距对线圈中心区域温度场均匀性的影响,得到了中心区域温度场均匀性与线圈直径及材料间距之间的关系曲线,为组合式线圈均匀加热CFRP提供了线圈直径及材料间距大小选择的理论依据。      

吸湿老化后碳纤维增强乙烯基脂树脂复合材料高低温力学性能

碳纤维增强乙烯基酯树脂复合材料(CFRP)是海洋和舰船工程领域广泛应用的结构材料，在复杂海洋环境和服役工况下，材料面临湿热和极端温度的考验。本文研究了树脂和CFRP在水浴过程中的质量和形貌变化及水浴吸湿后CFRP在3种测试温度下(-30℃、室温和70℃)的力学性能演变。FTIR和液相色谱-质谱联用实验结果表明乙烯基酯树脂在水浴过程中发生了水解，而吸湿后CFRP的微观形貌观察表明纤维-基体界面的存在会改变树脂基体的吸湿行为。低温、高温和水浴120天后室温测试环境下，CFRP的压缩强度相比未吸湿试样的室温初始强度，分别降低了27.4%、36.2%和32.8%；而低温环境下面内剪切强度提升了35%，高温环境下降低了27%，水浴120天后提升了7%，显示温度对CFRP面内剪切强度的影响大于湿热老化。此外，动态热力学性能测试显示初始阶段的吸湿会导致CFRP储能模量和玻璃化转变温度(Tg)降低，但后期储能模量和Tg会部分恢复。     

CFRP随机孔隙模型及孔隙率超声检测数值模拟

基于炭纤维增强树脂基复合材料(CFRP)随机孔隙模型,提出采用时域有限差分法对CFRP孔隙率超声衰减检测进行数值模拟。针对孔隙率P=0.065%~4.96%,厚度2mm,纤维质量分数69%±3%的多层预浸料热压成型炭纤维单向增强环氧树脂基复合板,进行了数值模拟与实验测试。所得到的CFRP孔隙率与超声衰减系数间关系,在模拟与实验中展现了相似的规律。结果表明:利用随机孔隙模型结合时域有限差分法进行CFRP孔隙率超声检测数值模拟具有可行性。     

CFRP筋在RPC中锚固性能的理论分析及试验研究

静载试验详细研究了碳纤维增强塑料CFRP筋在活性粉末混凝土RPC的锚固性能。试验结果表明:对于抗拉强度不大于3000MPa的表面压纹CFRP筋在抗压强度130MPa的RPC中的临界锚固长度为20倍CFRP筋直径;多根压纹CFRP筋的合理筋间距为1倍CFRP筋直径。平均粘结强度及其对应滑移量的公式具有较好的适用性。平均粘结应力与滑移之间的预测曲线与试验曲线吻合较好,验证了提出的粘结滑移本构关系。理论推导了锚固变量沿锚固长度分布的表达式,算例验证了有效性。分析表明:距离自由端约为0.6倍锚固长度位置处的粘结应力等于平均粘结应力。对于压纹CFRP筋,当锚长≤12.5倍筋材直径时,粘结应力沿埋长分布较为均匀,其不均匀性系数在1.02―1.05之间;当埋长>12.5倍且≤20倍筋材直径时,粘结应力沿埋长分布较为不均匀,其不均匀性系数在1.05―1.14之间。     

X-cor夹层结构的力学性能试验研究

X-cor夹层结构比强度高,比刚度大,有望取代传统蜂窝夹层结构作为航空航天器的主承力结构材料。采用真空固化成型工艺,通过改变Z-pin的植入参数制备了X-cor夹层结构,研究了Z-pin植入角度、植入间距和直径对其平压、剪切和拉伸性能的影响。研究结果表明,Z-pin的植入参数对X-cor夹层结构的力学性能影响显著。随Z-pin植入角度的增加X-cor夹层结构的平压性能降低,剪切性能增强,拉伸模量减小,拉伸强度先增加后减小。随Z-pin植入间距和直径增加,X-cor夹层结构力学性能均增加。与泡沫夹层结构相比,X-cor夹层结构压缩、剪切和拉伸模量的测试值分别提高了1.26～5.15倍、2.50～13.56倍和1.90～2.71倍,压缩、剪切和拉伸测试值分别提高了1.63～9.20倍、1.28～2.03倍和1.01～2.30倍。     

模具对柱面复合材料构件固化变形影响的有限元分析

针对复合材料构件固化变形问题, 分析了复合材料热压罐成型固化过程的多场耦合关系, 考虑模具的作用, 建立了柱面复合材料构件固化过程的有限元分析模型。基于此模型, 研究了模具材料、 模具厚度和模具形式对柱面复合材料构件固化变形的影响。结果表明: 模具对柱面件固化变形的影响较大, 模具材料与构件材料热膨胀系数(CTE)不匹配程度影响构件回弹角的大小; 模具的厚度不同, 导致构件的不同回弹角; 采用阴模时, 构件回弹角小于阳模的, 且回弹方向相反。     

Ti/CFRP超混杂复合材料残余应力研究

由于组成Ｔｉ／ＣＦＲＰ超混杂复合材料层板的炭纤维、钛合金薄板及树脂的热膨胀系数的差异,以及树脂固化过程的收缩,在层间有残余应力形成,残余应力的存在会对材料的力学性能及加工性能产生影响。因此采用应变片包埋法和非对称层板法对该Ｔｉ／ＣＦＲＰ的残余应力进行了研究,推导出计算层板残余应力的计算公式,经修正后的计算结果与测试结果基本吻合。     

Measurement of residual stresses in CFRP laminates by X-ray diffraction method

The fabrication of CFRP laminates from prepregs involves curing at elevated temperatures. Residual stresses are set up due to the difference in thermal expansion coefficient between the matrix and the fibre. In this investigation, the X-ray diffraction method is used to measure the curing stresses in CFRP laminates by incorporating a very fine layer of aluminium particles during the lay up of the laminate. A calibration procedure is followed to correlate the strain in the crystalline particles, as measured by X-rays, with the composite strain and stress. Curing stresses measured by this technique are quite close to the value calculated from the differential coefficient of thermal expansion.     

Impact of packaging materials on reliability test for low-K wire bond-stacked flip chip CSP

As the consumer electronics market keeps expanding, the system-in-package (SiP) has become more and more popular. The SiP has the benefits of space efficiency and an integrated flexible function by stacking different function dies in a single package. With die stacking, bi-material interfacial delamination becomes a primary concern of reliability testing. This work evaluates the impact of encapsulated molding compound (EMC) and underfill material on the reliability test for the low-K wire bond-stacked flip chip CSP (WB-sFC CSP). The CSP packaging size is 16 × 16 × 1.2 mm with a 4 × 5 × 0.15 mm low-K wire bond die stacked on a low-K 8 × 8 × 0.15 mm flip chip die. The reliability testing condition is JEDEC MSL 2a (reflow peak temperature is 260 °C) followed by the temperature cycling test (TCT, −55 to 125 °C) of 1000 cycles. The severe pre-conditioning environment makes the packaging materials selection a challenge. Delamination between the interface of the underfill and other packaging components leads to premature failure during preconditioning. TCT stress also induces delamination between the interface of the backside of the bottom die and the encapsulated molding compound. Initially, the EMC selection was decided by the first stage experimental result based on the assembly yield. A DOE was performed to study the effect of underfill property on the packaging stress using the finite element analysis (FEA). According to the FEA results, the trend of underfill property selection for solving the underfill delamination and the backside of the bottom die delamination were in conflict. The low coefficient of thermal expansion (CTE) and the high Young’s modulus (E) underfill can reduce the stress located at the backside of the bottom die corner but it will increase the underfill stress. Plasma cleaning was applied to improve the underfill and the packaging components interface bond strength prior to dispensing the underfill. In the second stage, three underfills were evaluated based on the three different reasons, low modulus for preventing underfill delamination, high modulus for reducing the backside of the bottom die stress, and low moisture absorption by reducing steam pressure during preconditioning. The experimental results in this work demonstrate that only a high modulus underfill can pass the reliability test.     

Microscopic damage behavior in carbon fiber reinforced plastic laminates for a high accuracy antenna in a satellite under cyclic thermal loading

For a high accuracy antenna in next radio astronomy satellite, a candidate material is carbon fiber reinforced plastics (CFRP), because negative longitudinal coefficient of thermal expansion (CTE) for unidirectional CFRP enables a laminate with 0 CTE through appropriate laminate design. This enables high structural accuracy under large temperature fluctuation like space. On the other hand, when the laminate is subjected to thermal cycles, cyclic thermal stress occurs and causes microscopic damages. In this study, we characterized damage progress in CFRP laminates and resultant variation in mechanical properties under cyclic thermal loading. Three types of matrices, such as polycyanate ester, polyimide and epoxy resin were used to prepare CFRP laminates. Specimens were subjected to thermal cycles from ?197°C to 120°C. The test was periodically stopped for surface observation and flexural loading. Transverse cracks in 90° plies accumulated with thermal cycles, whereas flexural modulus remained constant. We also numerically evaluated temperature gradient and resultant thermal stress distribution during cooling by finite element analysis. The result indicates higher transverse stress appeared in the surface of the specimen and saturated to constant value which corresponded with the value calculated based on classical lamination theory.     

CFRP加固钢筋混凝土T梁抗爆动力响应数值模拟

为了研究CFRP加固钢筋混凝土T梁的抗爆性能,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了钢筋混凝土T梁—CFRP材料—空气域—TNT炸药的全耦合模型,进行爆炸荷载下钢筋混凝土T梁的数值模拟,对钢筋混凝土T梁的动态力学性能进行了分析,分别研究了CFRP外贴形式、CFRP厚度对钢筋混凝土T梁的影响.结果表明:相比普通...     

循环荷载作用对CFRP筋力学性能的影响

应用于桥梁工程的碳纤维增强复合材料（CFRP）筋通常受循环荷载作用,导致其力学性能的退化,这将影响桥梁结构的受力。为了考察循环荷载作用对CFRP筋力学性能的影响,首先利用静载试验对CFRP筋的初始力学性能进行了检测,然后结合静载试验结果并利用疲劳试验考察了各阶段循环荷载作用对CFRP筋弹性模量、松弛及抗拉强度的影响。研究结果表明,极限拉力作用下CFRP筋的弹性模量较初始状态高约5%,对于CFRP筋构件的变形对结构内力有较大影响的结构,在设计阶段建议适当地考虑CFRP材料的非线性问题;桥梁工程中,经200万次正常使用设计循环荷载作用的CFRP筋,其弹性模量和松弛性能较初始状态未发生明显退化,经应力幅为4.3%的极限抗拉强度的循环荷载作用后,CFRP筋的抗拉强度提高了1.2%,但应力幅提高至7%的极限抗拉强度时,其抗拉强度与初始状态相比无明显变化。     

树脂基复合材料曲面结构件固化变形数值模拟

为了研究树脂基复合材料曲面结构件的固化变形过程,首先分析了碳纤维增强树脂基复合材料在固化过程中密度、模量、热膨胀系数、比热容及热传导系数等材料物性的变化,并将这些变化引入到数值模拟当中。接着,针对复合材料复杂曲面结构件,提出了利用定常流动的流线方程构建曲线坐标系的新方法。然后,根据建立的曲线坐标系,运用有限元法计算了某轻型飞机机翼上蒙皮板在固化过程中内部温度、固化度和内应力的分布情况以及材料物性随固化度的变化情况。最后,计算了由于内部温度场和固化度场的不均匀、热膨胀系数的各向异性和固化引起的树脂体积收缩而导致的结构变形。结果表明:引入材料物性变化使固化过程的数值模拟更加合理、模拟结果更加精确,利用定常流动的流线方程构建的曲线坐标系适用于复合材料曲面结构件的有限元分析。所得结论对研究树脂基复合材料的固化变形过程和各向异性复合材料复杂曲面构件的三维实体建模均具有指导意义。     

静不定结构的热应力分析

分析了受约束机构内材料热应力存在的危害,给出静不定结构内热应力的定量描述方式:弹性变形状态时,热应力仅与线膨胀系数、弹性模量及温度变量成正比关系;当热应力达到材料在某温度下的屈服强度时,其热膨胀发生弹塑性转变,热应力为当时温度下的屈服强度。采用热模拟试验机测试了材料的温度与热应力关系,分析结果与数值模型基本吻合,测出刚性约束下45钢在升温至620℃时热应力等于其屈服强度约200 MPa。     

预测树脂基体材料性能与固化度关系的GIM模型

通过分析固化度对环氧树脂体系的自由度和结合能的影响,对GIM （Group interaction modelling）方法进行了拓展,研究了树脂材料性能随固化度的变化规律。以EPON862/DETDA体系为例,对拓展GIM方法进行了验证。研究结果表明,拓展GIM方法不仅可以准确预测完全交联EPON862/DETDA的材料性能,而且能预测非完全固化体系的玻璃化转变温度、体积收缩率、热膨胀系数及弹性模量随固化度的变化规律,以上结果均与实验和分子动力学模拟结果吻合较好。此拓展GIM方法可与固化反应动力学联合,为模拟环氧树脂在固化反应过程中产生的残余应力和变形提供准确的材料性能输入参数。