2.5D芳纶机织复合材料的拉伸性能研究

2.5D机织复合材料凭借其特有的优点和相对成熟的技术受到各领域的关注。然而,这种材料现有的力学性能数据较少,且集中在耐高温和耐烧蚀材料上,影响了其可靠性的评估。对4种结构的2.5D芳纶机织复合材料进行经向和纬向拉伸性能研究,分析结构和拉伸性能的关系。试验结果表明:伸直状态的衬经纱对经向拉伸性能具有较大的贡献;伸直状态的衬纬纱对纬向拉伸性能具有较大的贡献;纬密增加会增大接结经纱的弯曲程度,从而降低经向拉伸性能。     

2．5D芳纶机织复合材料弯曲性能测试

为了分析复合材料预制件结构和弯曲性能的关系,丰富2．5D复合材料的力学性能数据库,为2．5D复合材料的设计者提供参考;采用三点弯曲试验方法对4种结构的2．5D芳纶机织复合材料进行了经向和纬向弯曲性能测试;测试结果表明：带衬经结构复合材料经向的弯曲性能优于不带衬经结构复合材料,带衬纬结构复合材料纬向的弯曲性能高于不带衬纬结构复合材料;该测试的结论为：伸直状态的衬经纱对经向的弯曲性能具有大的贡献,伸直状态的衬纬纱对纬向的弯曲性能具有大的贡献。     

2.5D角联锁织物厚向压缩特性的实验研究

以碳纤维2.5D衬经结构织物为例,初步研究了2.5D角联锁织物厚度方向压缩特性,利用万能材料试验机测得织物厚度与压缩应力的关系。研究发现,当压缩应力小于3 MPa时,经验指数取为3的多层平纹织物压缩模型可用于2.5D衬经织物厚度与压缩应力关系估算。在4种不同压缩应力下制备2.5D衬经结构复合材料,进一步观测经向和纬向截面内经纱、衬经纱和纬纱屈曲变化情况,引用纱线段局部屈曲角分布定量表征纱线的屈曲程度。结果发现:经纱的屈曲程度最高,随压缩应力的增加,经纱的屈曲程度降低;当压缩应力超过一定范围时,经纱屈曲程度反而增加,衬经纱和纬纱基本呈伸直状态,衬经纱屈曲程度增加,纬纱伸直度增加。     

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。     

纬编双轴向织物增强复合材料压缩性能研究

通过压缩试验,研究了不同纤维体积含量的碳纤维3层连接纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料的压缩性能;并对压缩试件的破坏断口进行了VHX-1000超景深三维显微镜分析,以认识其压缩失效机理。试验结果表明:在试验研究的碳纤维体积含量范围内,纬编双轴向衬纱织物增强复合材料的压缩强度和压缩模量随纤维体积含量的增大而增大。纤维体积含量的变化未导致压缩破坏机理的变化,材料表现为脆性特征。     

三维角联锁织物的可模塑性能研究

以160 tex芳纶长丝束为原料,选用三维角联锁结构,织造不同纬纱密度的常规贯穿角联锁织物和添加衬经的角联锁织物。采用可模塑因子对制备的三维角联锁织物的可模塑性能进行预测,并测试它们的变形深度,分析影响三维角联锁织物可模塑性能的因素。结果表明:由于制备的三维角联锁织物的纬纱密度一般较大,所以其可模塑性能主要受纬纱密度的影响;随着纬纱密度的增加,三维角联锁织物的可模塑性能降低;相同纬纱密度的常规贯穿角联锁织物和带有衬经的角联锁织物,具有基本相同的可模塑性。考虑到强度及厚度,对增强复合材料来说,添加衬经是更好的选择。     

等离子体-硅烷偶联剂改性芳纶纬平针织复合材料的力学性能研究

采用等离子体联合不同质量分数的硅烷偶联剂溶液对芳纶纬平针织物进行改性,再利用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺制备未改性及改性芳纶纬平针织复合材料。通过测试和分析芳纶纬平针织复合材料的拉伸、弯曲、压缩和冲击性能发现：改性芳纶纬平针织复合材料的拉伸、弯曲、压缩和冲击性能较未改性芳纶纬平针织复合材料的都有所改善;随着硅烷偶联剂质量分数的增加,改性芳纶纬平针织复合材料承受的最大拉伸载荷、最大弯曲载荷、最大压缩载荷和最大冲击载荷呈现先增加后减小的趋势,其中等离子体-硅烷偶联剂(w_{硅烷偶联剂}=1.5%)改性芳纶纬平针织复合材料各项性能改善最明显,其能承受的最大拉伸载荷、最大弯曲载荷、最大压缩载荷和最大冲击载荷较未改性芳纶纬平针织复合材料的分别提高了32.73%、38.03%、24.83%和35.10%。     

双轴向纬编织物热塑性单层板的拉伸性能

采用以纬平针为地组织,经纬向衬入玻璃纤维和聚丙烯纤维的双轴向纬编结构预型件,利用热压方法制备复合材料单层板,研究了双轴向纬编针织物热塑性单层板的拉伸性能以及拉伸各向异性。通过改变衬纬玻璃纤维长丝的线密度,分析了纤维体积含量对材料初始模量和断裂强度的影响关系,并对材料的断裂形式进行了分析。试验表明,双轴向纬编织物热塑性复合材料的轴向拉伸和非轴向拉伸的力学性能有较大差异,材料的轴向拉伸初始模量和断裂强度与纤维体积含量成正比,衬纱的引入提高了针织物复合材料的力学性能。     

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。     

碳/芳纶混编三维编织复合材料拉伸性能

为分析三维编织复合材料拉伸性能和失效机制,分别以碳纤维和芳纶纤维为轴纱和编织纱织造了三维五向、三维六向碳/芳纶混编复合材料。采用数字图像相关法采集试样在单轴拉伸过程中表面全场应变信息得到的泊松比。结果表明：三维编织复合材料泊松比受编织结构的影响较大,同种编织结构下,碳纤维为轴纱的复合材料基本保持了碳纤维三维编织复合材料的拉伸强度和模量,同时提高了断裂伸长率;芳纶纤维为轴纱的复合材料则显著提高了断裂伸长率,但拉伸强度和模量损失较为明显;同种混编方式下,三维五向编织复合材料的拉伸强度和拉伸模量较三维六向高,断裂伸长率无明显差异。编织纱分别为碳纤维和芳纶纤维的三维编织复合材料高应变区分别类似点阵分布和波浪线分布,三维五向和三维六向编织复合材料高应变区分别呈均匀分散分布和横向分布。     

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。     

捆绑组织对三维正交机织复合材料拉伸性能的影响

以高强涤纶纱为原料,借助自主改造的二维小样机织造三种捆绑组织(平纹、斜纹和缎纹)的三维正交机织物,再采用真空辅助树脂传递模型工艺制作三维正交机织复合材料。重点研究三种不同的捆绑组织对三维正交机织复合材料拉伸性能的影响。结果表明:三维正交机织复合材料沿经向拉伸时断裂表面较平整,沿纬向拉伸时断裂处形状不规则;捆绑组织为缎纹的三维正交机织复合材料的拉伸性能整体最好,捆绑组织为平纹的三维正交机织复合材料拉伸性能整体最差;三种捆绑组织的三维正交机织复合材料纬向拉伸断裂强度大于经向拉伸断裂强度。     

经纱织造张力对碳纤维增强三维机织复合材料力学性能的影响研究

三维机织预制体生产过程中,经纱张力控制对预制体织造及复合材料性能有至关重要的影响,选择最佳经纱织造张力可以有效提高三维机织复合材料质量。文章研究了不同经纱织造张力对三维机织预制体及三维机织复合材料性能的影响,结果显示：经纱织造张力越大,在机织造过程中经纱的磨损就较大,预制体面密度越大。当经纱织造张力为150 gf时,织造的预制体对应的复合材料经向拉伸强度最大,但经纱织造张力对其经向压缩性能几乎没有影响。     

复合材料中平纹机织物的压缩性能

针对RTM工艺中闭模时对织物造成的压缩问题,利用压缩试验对平纹机织物在受压时的厚度与纤维体积含量的变化和压缩参数进行研究,并采用CCD显微摄像仪获取了不同压缩程度下复合材料制件的横截面图像。结果表明:织物的干湿态和受压缩次数对织物的压缩性能有明显影响;织物在卸除载荷后发生部分回弹,初始织物的体积压缩性能随着压缩次数的增加而下降;从结构上看,纤维的间隙和富树脂区随着压缩程度的增大而减小,纱线的屈曲状态和横截面受压产生严重变形。     

空口角连锁织物组织结构探讨

简述了三维机织复合材料的发展,以角连锁复合材料预成型件作为研究目标。介绍了几种不同组织结构的角连锁织物,分析了角连锁织物的空口最大值与空口非最大值的形成过程,设计了几种空口角连锁机织物的经向结构剖面图。利用假设的方法把纬角连锁结构中的空口视为纬纱,重新构造成了相对应的实口纬角连锁组织,并对其经纬纱组织循环数之间的关系进行研究推理,得出了一个共用于实口与空口的通式。     

三维全五向编织复合材料的压缩性能

以无碱玻璃纤维为原料,采用四步法1×1编织工艺在全自动模块组合式编织平台上制备三维五向及全五向编织物;以E51环氧树脂、70#固化剂(四氢邻苯二甲酸酐)为树脂基体,与编织物复合制备三维五向及全五向编织复合材料;并利用Instron万能材料试验机对比测试上述编织复合材料的压缩性能,研究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对材料压缩性能的影响。结果表明,编织复合材料的压缩性能随着编织角的增大而降低,随着轴纱、纤维体积分数的增大而提高;三维全五向编织复合材料的压缩性能明显好于三维五向编织复合材料。     

机织间隔衬垫织物的压缩性能探讨

研究了机织间隔衬垫织物压缩性能的影响因素及其影响规律。选择间隔纱线原料、间隔纱密度、间隔纱高度为影响因素,采用正交试验方法安排试验方案,用直观分析法得出各因素对压缩性能影响的主次顺序,分析了各因素与压缩性能的关系,找出了机织间隔衬垫织物压缩性能最优方案。研究发现影响机织间隔衬垫织物压缩性能的主要因素为间隔纱的密度和高度,间隔纱的原料影响稍小;间隔纱密度对机织间隔衬垫织物压缩性能影响最大,间隔纱密度越大,抗压性能和弹性回复性能越好。     

考虑偏轴角影响的2.5D机织复合材料冲击后压缩性能

2.5D机织复合材料作为一种各向异性材料,其冲击后压缩性能亦表现出显著的各向异性特征.为了探究偏轴角对2.5D机织复合材料冲击后剩余力学性能的影响,课题组进行了低速冲击和压缩试验,并借助超声C扫描技术等检测手段,对比了2.5D机织复合材料受不同能量冲击后沿0°及45°方向的压缩性能.对材料在冲击后压缩试验中的力学响应特...     

层-层正交角联锁机织物及其复合材料的结构及其层切破坏机制研究

采用无损高分辨率X射线成像(显微X-CT)技术对层-层正交角联锁机织物以及复合材料内部结构进行分析,并研究了层间剪切强度与结构之间的关系;通过三维重构展现了机织物的层-层正交角联锁的微观结构,观察到机织物内部的单丝扭转、挤压现象;依据机织复合材料中孔隙和高密度杂质在三维空间的分布,计算了其相应的占比。结果表明：层间剪切实验后的机织复合材料虽然宏观形貌保持了良好的完整性,但内部存在孔隙变形、分层、纤维弯曲、片层断裂等现象;层-层正交角联锁机织结构有效提高了复合材料的层间力学性能,内部的缺陷对复合材料的力学性能有较大的影响;无损高分辨X射线成像技术是研究纤维增强复合材料内部复杂结构特性的有利手段。     

三维正交机织和双轴向经编玻纤复合材料压缩性能研究

采用三维正交机织玻纤织物和双轴向经编玻纤织物分别为增强体,环氧树脂(E-2511-1A)/固化剂(2511-1BT)混合液(质量比为100∶30)为基体,利用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺成型,制备两种复合材料试样。然后,对试样进行0°和90°方向的压缩试验,并比较试样的当量压缩性能。结果表明,双轴向经编玻纤复合材料0°方向的当量压缩断裂强度比三维正交机织玻纤复合材料提高4. 90%,三维正交机织玻纤复合材料90°方向的当量压缩断裂强度比双轴向玻纤复合材料提高23. 40%,而双轴向经编玻纤复合材料0°、90°方向的当量压缩模量分别比三维正交机织玻纤复合材料提高35. 71%、64. 00%。