"离位"增韧ES-U3160/5284复合材料的制备及性能研究

通过扫描电子显微镜分析和树脂冲击性能测试,研究了聚醚砜(PES)对高温环氧树脂5284性能的影响及增韧机理,并基于"离位"增韧技术制备了具有增韧功能的ES-U3160织物。以ES-U3160织物作为增强体,采用树脂转移模塑成型(RTM)工艺制备了ES-U3160/5284复合材料,并对复合材料的韧性性能进行研究。结果表明:随着PES含量的增加,环氧树脂5284的冲击韧性大幅度提高;PES与5284树脂形成了双连续相结构,有效地阻止了裂纹的扩展,起到了增韧的作用。与未增韧复合材料相比,"离位"增韧ES-U3160/5284复合材料的I型层间断裂韧性(GⅠC)、Ⅱ型层间断裂韧性(GⅡC)及冲击后压缩强度(CAI)都有较大的提高。     

“离位”增韧技术在碳纤维/RTM聚酰亚胺复合材料中的应用

研究了“离位”增韧对RTM聚酰亚胺（PI-9731）树脂基复合材料力学性能的影响。结果表明: 当增韧剂的质量分数为15%时, 经粉末法和薄膜法“离位”增韧G827／PI-9731复合材料的室温层间剪切强度从增韧前的97.9MPa分别提高到108MPa和110MPa, 高温（288℃）层间剪切强度变化不大。G827／PI-9731复合材料经粉末法“离位”增韧后, Ⅰ型断裂能释放率从增韧前的310J/m2提高到410J/m2, Ⅱ型断裂能释放率从增韧前的590J/m2提高到939J/m2。而经过薄膜法“离位”增韧后, 其复合材料的Ⅰ型断裂能释放率提高到459J/m2, Ⅱ型断裂能释放率提高到1100J/m2。经电镜分析表明, 由于热塑性聚酰亚胺的引入, 在复合材料层间区域形成热固/热塑相反转结构, 在裂纹扩展的过程中, 包覆热塑性聚酰亚胺的PI-9731粒子发生明显取向和变形, 从而提高韧性。      

基于虚拟裂纹闭合技术的应变能释放率分析

基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT),建立了复合材料层合板层间裂纹尖端的应变能释放率(SERR)三维有限元计算模型。该模型考虑了裂纹尖端大转动和离散单元形状变化对应变能释放率计算的影响,修正了裂纹尖端应变能释放率的计算方法。利用该模型计算了裂纹长度为15 mm和35 mm时纯Ⅰ型和纯Ⅱ型的应变能释放率,纯Ⅰ型应变能释放率分别为 207 J/m2和 253 J/m2;纯Ⅱ型应变能释放率分别为 758 J / m 2和 1040 J / m2;计算值与试验值吻合得很好。同时,该模型计算了混合型不同比值 R=(G_Ⅱ/G_Ⅰ+G_Ⅱ)的长裂纹层合板层间断裂过程的应变能释放率,其中Ⅰ型和Ⅱ型应变能释放率计算值与试验平均值的最大误差为 11.4%,最小误差为 0.4%。该模型能有效计算裂纹尖端的应变能释放率。     

Ti/Al_3Ti层状复合材料层间断裂性能研究

金属间化合物基层状复合材料Ti/Al_3Ti是采用Ti-6Al-4V箔和Al箔按照一定顺序叠加后,在真空环境下热压烧结成由韧性金属Ti和金属间化合物Al_3Ti组成的叠层结构。利用ENF(End-Notch-Flexure)和MMF(Mixed-Mode-Flexure)测试方法,对Ti/Al_3Ti层状复合材料的Ⅱ型及Ⅰ+Ⅱ型层间断裂能、层间断裂行为以及能量释放率等方面进行了研究。结果表明,Ti/Al_3Ti层间断裂时,裂纹在复合材料界面处发生起裂,而在传播过程中发生偏转,最终导致Al_3Ti层开裂。由此可见,在实验过程中裂纹的表现形式是在Ti/Al_3Ti界面及Al_3Ti层中共同扩展;Ⅰ+Ⅱ型层间起裂能量释放率G_(Ⅰ+Ⅱ)为46 J/m~2,Ⅱ型层间起裂能量释放率G_Ⅱ为1453 J/m~2,表明Ⅱ型层间断裂比Ⅰ+Ⅱ型层间断裂更困难。     

Z-pin增强陶瓷基复合材料I型应变能释放率

碳纤维平纹编织物和碳纤维Z-pin制备的预成型体,通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板。通过双悬臂梁试验研究Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板的层间I型应变能释放率和增强机理。研究Z-pin面积密度对层间I型应变能释放率的影响。结果表明:Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板主要增强机理表现为层间裂纹扩展受阻,Z-pin与层压板界面解离,Z-pin桥联裂纹和Z-pin拔出;增大Z-pin面积密度,层间I型应变能释放率增大。     

“离位”增韧T800H/5228ES复合材料的制备与性能研究

基于"离位"增韧技术,以PAEK膜为增韧膜,制备了T800H/5228ES预浸料及其复合材料,通过Ⅰ型层间断裂韧性、Ⅱ型层间断裂韧性和低速冲击等试验,对比考核"离位"增韧T800H/5228ES复合材料相对于传统树脂增韧X850复合材料的增韧特性,分析了T800H/5228ES复合材料的增韧机理。结果表明,相比于X850复合材料,T800H/5228ES复合材料有较高的GⅠC值、GⅡC值和CAI值,"离位"增韧在T800H/5228ES复合材料层间形成了热固性树脂/热塑性树脂双连续相结构,这种结构大大提高了复合材料层压板的层间断裂韧性、冲击损伤阻抗和损伤容限等性能。     

短纤维层间增韧的三维有限元分析

层间短纤维强韧化是复合材料层合板层间增韧的有效途径之一。采用三维非线性有限元方法分析了层间短纤维强韧化复合材料层合板的分层扩展问题,探讨其影响因素。以混合模式下通用裂纹扩展的能量准则作为分层扩展判据,通过虚拟裂纹闭合技术计算分层尖端能量释放率。用节点双编号和单元生死技术模拟分层扩展。采用弹簧单元模拟层间短纤维作用,通过改变弹簧刚度修正短纤维桥联力。采用GAP元处理分层区的接触非线性问题。分析了分层区桥联力对层间应力场、位移场以及分层扩展的影响。研究结果表明,层间短纤维有效延缓了分层扩展,增韧效果明显。     

层间颗粒增韧复合材料层压板的损伤阻抗特性

采用热塑性颗粒对HT7/ 5228 、HT3/ N Y9200G和HT3/ 5224 三种高温固化环氧基体复合材料层压板进行层间增韧。为了提高冲击后压缩强度(CAI) 和考察损伤阻抗, 测试了平均分层起始能量e_Ⅱc以及接触力-凹坑深度关系。试验结果表明, 增韧颗粒和基体树脂形成的层间区域能有效地吸收断裂能量并抑制分层的发生, e_Ⅱc显著提高。在静压痕力下, 层间增韧复合材料层压板具有较深的凹坑深度和较小的损伤面积。层间增韧的几何效应、裂纹传播路径控制、颗粒桥联以及裂尖屏蔽是主要的增韧机理, 颗粒的塑性变形和最终失效也耗散了大量断裂能量。      

复合材料层板双悬臂梁试样应变能释放率的有限元分析

本文用四边形八节点等参有限元对用于测定复合材料层板I型层间断裂韧度的双悬臂梁式样(DCB)的层间应变能释放率进行了二维有限元分析,并与简单弯曲理论解及修正后的简单弯曲理论解进行了对比,探讨了裂纹长度、试样厚度以及试样厚度方向弹性模量对应变能释放率的简单弯曲理论解的计算精度的影响。      

Z-pin增强复合材料层合板断裂韧性试验研究

针对Z-pin增强复合材料层合板, 开展了断裂韧性的试验研究。研究选取了3种Z-pin直径(0.28、 0.52、 0.80mm)且每种直径下分别以3种分布形式(5×5、 8×8、 10×10)排布Z---pin的增强方式, 为了确定比较基准, 试验中同时测试了不含Z-pin的复合材料层合板试样。通过Z-pin拔出试验测试了3种直径Z-pin从基体拔出过程中的载荷位移关系。利用双悬臂梁试验和端部开口弯曲试验分别测试了不含Z-pin和含Z-pin试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC、 Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC。试验结果表明:? 与不含Z-pin的结构相比, Z-pin增强试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC增大了83%~1110%, Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC增大了23%~438%; 在相同Z-pin体积含量下, 与增大Z-pin直径相比, 增大Z-pin分布密度能更有效地提高复合材料层合板的断裂韧性。      

芳纶纤维增韧碳纤维增强环氧树脂复合材料-铝蜂窝夹芯结构界面性能和增韧机制

研究了低密度芳纶短纤维(AF)对碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)-铝蜂窝夹芯结构的界面增韧效果和增韧机制.制备了复合材料夹芯梁,将6 mm长度的AF制成絮状纤维薄层用于夹芯梁界面层的增韧,并采用非对称双悬臂梁实验对增韧和未增韧夹芯梁进行了界面断裂韧性的测量.相比于未增韧夹芯梁试件,增韧试件的平均临界能量释放率提...     

炭纤维复合材料共固化液体成型工艺及层间性能研究

采用共固化液体成型工艺制备了炭纤维/环氧树脂基复合材料层板,分析了层板的密实和两种树脂的相互扩散情况,采用Ⅰ型层间断裂韧性(能量释放率GⅠC)和短梁抗剪强度研究了共固化液体成型层板的层间性能,并与预浸料成型层板和液体成型层板进行了比较。进一步研究了共固化层板中预浸料/液体成型层界面处的纤维取向对GⅠC的影响。结果表明:所制备的共固化液体成型层板,层内密实程度高、层间富树脂区不明显,预浸料/液体成型层的层间处两种树脂有一定程度的相互扩散;受界面处树脂相互扩散的影响,共固化层板的层间断裂韧性处于预浸料层板、液体成型层板的平均水平,而层板的短梁抗剪强度由性能较低的一方决定;预浸料/液体成型层界面处的纤维取向对GⅠC有明显影响,其中[45/90]的情况有着较高的抵抗开裂和裂纹扩展的能力。     

碳纤维无纺布对CFRP层板层间的增韧作用及机制

为了揭示短纤维无纺布对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层板层间韧性的影响规律,测试了不同面密度(1.95、3.90、7.80和15.60 mg/cm2)和不同纤维平均长度(0.8 mm和4.3 mm)的碳纤维无纺布增韧的CFRP层板I型层间断裂韧性。实验结果表明:对于不同短纤维增韧的CFRP层板,平均长度为0.8mm的短纤维增韧效果优于平均长度为4.3mm的短纤维,并且面密度为7.8mg/cm2、厚度约为150μm、平均长度为0.8mm的碳纤维无纺布显著提高了CFRP层板的层间断裂韧性,与未改性的CFRP层板相比,其能量释放率最大可提高99%。光学显微镜观察结果表明环氧基体中长度为0.8mm的短纤维具有三维交织结构,该结构可以有效地阻止裂纹的扩展;SEM观察结果表明短纤维从环氧基体中的脱粘和拔出以及短纤维周围环氧基体的塑性变形是CFRP层板的主要增韧机制。研究结论为层板短纤维增韧技术的应用奠定了基础。     

复合材料层板层间剥离研究的有限元——虚裂纹扩展法

本文采用准三维等参元及虚裂纹扩展法分析了在各种层合板参数下层间裂纹(层间剥离)扩展的能量释放率值.计算表明,此方法提供了一个有效地预示剥离形成和扩展规律的途径.从理论与实验结果的对照可以看出,当裂纹两侧铺层的纤维取向与裂纹前乡的夹角一定时,临界能量释放率可以视作控制层间剥离的材料常数.      

2D-SiCf/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂试验及表征

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_f/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC_f/SiC的层间裂纹驱动的加载数据,得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程,通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程,探究了2D-SiC_f/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_f/SiC的层间断面特征,揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明:W-DCB方法测量的2D-SiC_f/SiC层间Ⅰ型初始能量释放率与DCB方法等效;2D-SiC_f/SiC层间Ⅰ型断裂过程中,裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征,反映了2D-SiC_f/SiC层间约束关系的复杂性...     

热力载荷下多材料构件连接区的界面断裂分析

应用改进的虚裂纹闭合技术对热、力载荷作用下多材料构件连接区界面进行断裂分析。首先,通过对含橡胶夹层的复合材料层合板单腿弯曲（SLB）试件断裂分析,研究了在不同温度载荷作用下,橡胶夹层对试件能量释放率及其各型分量的影响。其次,对具有热流边界下,典型复合材料-橡胶-金属组成的多材料圆柱壳体连接裙结构进行了热力耦合断裂分析,结果表明裂纹总能量释放率随温度升高而增大。最后,针对该连接裙结构讨论了裂纹位置和橡胶层厚度对裂纹能量释放率的影响,指出适当增加橡胶层厚度可以降低裂纹能量释放率,但橡胶厚层度与界面韧性之间存在尺寸效应。     

氧化石墨烯-碳纳米管复合膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料层合板结构的层间性能一直是材料的性能短板,本文利用氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)设计制备了具有一定渗透性和树脂浸润性的复合膜,采用层间增韧方法,制备了GO-CNT复合膜改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,通过张开型Ⅰ型层间断裂韧性(G_ⅠC)与滑移型Ⅱ型层间断裂韧性(G_ⅡC)对GO-CNT-CF/EP复合材料的层间韧性进行了研究,并结合复合材料的破坏微观形貌和损伤/破坏特征分析了GO-CNT复合膜对复合材料的层间增韧效果及增韧机制。结果表明：GO与CNT质量比为3∶7时制备的复合膜具有良好的成膜工艺性和树脂浸润性,EP与GO-CNT复合膜的接触角远低于其与纯GO膜的接触角,并且GO与CNT结构中的羟基、羧基、环氧基等含氧基团增加了它们与EP的物理亲和性和化学作用,有利于复合材料层间GO-CNT/EP微区结构的强韧化。GO-CNT复合膜对复合材料的张开型层间断裂韧性G_ⅠC没有增强效果,甚至复合材料的G_ⅠC值还发生了轻微下降。而GO-CNT复合膜对复合材料的滑移型层...     

热塑性颗粒-无机粒子协同增韧碳纤维增强环氧树脂复合材料

针对碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料层间断裂韧性进行研究,通过在CF/EP复合材料层间添加四种无机纳米粒子和三种热塑性颗粒对其进行II型层间断裂韧性(G_IIC)研究,选择工艺性和增韧性效果好的两种无机纳米粒子和热塑性颗粒进行协同增韧研究。结果表明,CF/EP复合材料的G_IIC在适当的无机纳米粒子含量下都得到提高,这主要是由于无机纳米粒子在层间形成了有效吸收断裂能的微结构,纳米羟基氧化铝(AlOOH)的工艺性及增韧性等综合性能最好,AlOOH质量分数为1wt%时,CF/EP复合材料的G_IIC达到931 J/m2,提高了29.3%;热塑性颗粒中,改性聚芳醚酮颗粒(PAEK)的综合性能最好,添加10wt% PAEK,CF/EP复合材料的G_IIC可以提高32%,这是由于预制在层间的热塑性颗粒随着基体流动而得到扩散,形成了独特的跨层间连续结构,从而使裂纹扩展的阻力增加,有效提高了CF/EP复合材料的G_IIC;10wt%PAEK和1wt%AlOOH共同增韧CF/EP复合材料的G_IIC达到1 368 J/m2,相对于未增韧的CF/EP复合材料提高了90%,增韧效果比PAEK和AlOOH对CF/EP复合材料的增韧效果之和大,这表明,PAEK和AlOOH同时加入CF/EP复合材料层间,对CF/EP复合材料具有协同增韧效应。      

基于裂纹开裂角度的夹层板层间开裂

以聚氨酯弹性体钢夹层板为研究对象,对黏弹性夹芯夹层结构三点弯曲实验卸载后裂纹会沿层间方向继续扩展这一现象进行研究。开展了不同硬度夹芯的双悬臂梁(Double Cantilever Beam,DCB)实验和单悬臂梁(SLB)实验,测得了临界应变能释放率。在假设裂纹张开角度在开裂过程中不变的前提下,推导了临界应变能释放率的计算公式。并计算了软夹芯试件和硬夹芯试件的临界破坏的裂纹长度。结果表明,虽然存有一定的局限性,但是裂纹张开角度能够描述黏弹性夹层结构的层间裂纹扩展,获得的结果能够描述聚氨酯弹性体钢夹层板的层间延迟破坏的特点。     

Z-pin增强复合材料Ⅰ型断裂韧性数值分析

采用细观力学方法以及虚拟裂纹闭合法(VCCT)对含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性进行了研究。利用有限元法建立了结构模型,采用实体单元模拟复合材料层压板结构和非线性弹簧元模拟Z-pin。通过计算应变能释放率对含有不同体积分数Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性与不含Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性进行了对比分析。研究表明,含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性在裂纹扩展过程中受到Z-pin桥联作用的影响而显著增强,且其增强效果与Z-pin的体积分数、处在桥联区的Z-pin数目均相关,这表明Z-pin增强方法能够有效提高复合材料层压板的分层扩展阻力。