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。     

三维编织复合材料缝合连接设计及破坏机制

 针对三维编织复合材料的缝合连接设计问题,在研究制造工艺基础上,建立缝合连接的强度校核和参数设计公式,绘制连接部件的内力响应。对不同搭接长度和缝合密度的三维编织缝合连接复合材料试件进行拉伸试验,发现缝合连接接头主要发生3种形式的破坏:在搭接的一端或两端整体断裂;搭接缝合区分层断裂;缝合区中部分分层、部分整体断裂。机制分析表明,断裂模式主要受缝合参数的影响,也与内力分配和是否存在应力集中有关,实际应用中可以根据情况采用不同的连接形式。     

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。     

氧等离子体改性超高分子量聚乙烯纤维复合材料层间损伤声发射特征分析

为研究氧等离子体改性超高分子量聚乙烯(UHMWPE)/乙烯基酯复合材料层间断裂韧性的损伤模式对其界面性能的影响，首先对不同密度UHMWPE织物进行氧等离子体改性，使用真空辅助树脂灌注成型工艺制备UHMWPE/乙烯基酯复合材料，结合声发射(AE)检测技术对复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性(G_ⅠC)和Ⅱ型层间断裂韧性(G_ⅡC)进行测试，并对其损伤动态演变过程进行表征和定位。结果表明：界面性能是复合材料层间断裂韧性的主导因素，在G_ⅠC和G_ⅡC测试过程中，通过在UHMWPE/乙烯基酯复合材料层间预裂纹处产生应力集中，损伤机制表现为张开型和滑移型；低经密UHMWPE织物结构松散，具有良好的改性均匀度，经氧等离子体改性后其制备的复合材料的G_ⅠC和G_ⅡC分别提高约36.8%～80%、75%～1 120%,达到层间增韧效果，同时由于界面结合性能提高，不同损伤模式减少或消除；通过对声发射信号进行聚类分析可有效识别出复合材料基体开裂、纤维/基体脱黏和纤维断裂3种损伤模式及其特征频率...     

二维二轴编织铺层复合材料压缩性能的研究

利用二维编织机,设计编织用芯模尺寸,编织成不同层数的编织铺层复合材料。讨论多层碳纤维/环氧树脂编织铺层复合材料的压缩性能,并分析不同层数、不同编织角的编织铺层复合材料的平均压缩模量的变化规律及压缩破坏模式。结果表明,随着层数的增加,编织铺层复合材料的平均压缩模量呈下降趋势;在同一块编织铺层复合材料板内,编织角影响编织铺层复合材料的平均压缩模量,其随编织角增大而减小;编织铺层复合材料的压缩破坏模式主要是分层现象较明显,其次是树脂剥离、碳纤维脆断。     

层合复合材料低速冲击损伤与凹坑数值模拟

文章基于累积损伤分析的方法,建立了层合复合材料低速冲击三维数值模型。模型采用Puck准则和界面元Cohesive来预测铺层的层内损伤和层间损伤,并考虑基体断裂碎屑对凹坑形成的显著影响,建立了分层残余应变模型用于模拟凹坑,模型通过在有限元软件ABAQUS平台上编写VUMAT子程序实现,对层合板进行了低速冲击数值模拟,通过与试验结果的对比,验证了文章所建模型的合理性。     

三维机织物的设计与织造

<正>三维机织物是近年来备受关注的纺织复合材料之一,因其制备工艺广泛、制备方法多样,克服了二维层合复合材料层间强度低、易分层破坏等缺点,具有比强度高、比模量高、抗冲击性好、可设计性强等优点,广泛应用于航空航天、军事、汽车、建筑、医疗等领域。     

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。     

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。     

浅析硅橡胶软模对复合材料界面韧性的影响

硅橡胶类模具已在复合材料制件的成型中有所应用,但此类模具对复合材料制件的影响尚不明确,文章通过钢琴铰链法分别对硅橡胶软模和刚性金属模成型的复合材料制件进行了层间性能测试,并采用修正的梁理论方法计算了试验件的层间断裂能量释放率,最后通过检验的方法推理得出采用硅橡胶软模作为成型模具对复合材料零件的GⅠ影响不显著。     

基于ABAQUS的CCF300碳纤维层合板低速冲击破坏数值模拟

为了更有效预测国产碳纤维增强材料在冲击载荷下的损伤情况,以国产碳纤维(CCF300)/环氧树脂(5228)复合材料层合板为对象,利用专业有限元仿真软件ABAQUS进行冲击破坏性能数值模拟研究。采用复合材料渐进损伤法,建立CCF300碳纤维层合板在低速冲击载荷下的损伤和变形三维有限元模型。通过三维实体单元模拟层合板,利用内聚力接触模拟单层板间的接触,从而模拟层合板层内和层间的不同失效模式。使用FORTRAN语言编写ABAQUS材料用户子程序VUMAT实现模拟,程序中包含本构方程的求解、损伤准则对单元失效的判定和损伤单元参数退化3部分,材料的单元失效是通过引入状态损伤变量来判断。仿真模型可通过调用子程序来模拟复合材料的纤维拉伸、压缩失效、基体开裂、挤压失效4种层内损伤,同时ABAQUS本身可以模拟材料分层损伤。通过仿真得到了材料的最大冲击破坏载荷和损伤模式的效果图。     

角联锁复合材料的拉伸破坏

为说明角联锁机织复合材料在准静态拉伸加载下的破坏行为,通过实验分析的方法,考察了材料的应力-应变曲线以及破坏形态,说明了角联锁机织复合材料在准静态拉伸载荷下的破坏模式与机制。结果表明:角联锁机织复合材料在整个拉伸过程中经历了3个阶段。此外,树脂碎裂、纱线的断裂抽拔是角联锁机织复合材料在准静态拉伸加载下的主要破坏模式,且材料断口较为整齐,断口处可发现纱线上几乎不黏附树脂,说明拉伸过程中纱线与树脂界面发生脱黏现象。     

一种机织物增强柔性复合材料拉伸性能加载速度依赖性的试验研究

通过拉伸试验,研究加载速度在5～300 mm/min范围内机织物增强柔性复合材料的拉伸性能,对其在不同加载速度下的拉伸曲线以及各项拉伸性能指标随加载速度的变化趋势进行分析和讨论。试验结果表明:机织物增强柔性复合材料在各种加载速度下的拉伸曲线呈现明显的非线性,且其拉伸性能表现出明显的应变率依赖性;随着加载速度的提高,抗拉强度、拉伸弹性模量及屈服强度增加,断裂伸长率减小,而失稳应变的增加幅度较小。     

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。     

玄武岩织物增强聚乳酸复合材料的制备及其拉伸断裂性能

为提高聚乳酸复合材料的力学性能,以玄武岩织物(BF)为增强材料,聚乳酸(PLA)为基体材料,采用真空灌注法制备玄武岩织物增强聚乳酸复合材料。研究了偶联剂KH550质量分数、铺层层数、铺层角度对BF/PLA复合材料拉伸断裂性能的影响,并借助扫描电子显微镜对复合材料拉伸实验后的断裂形貌图进行分析。结果表明:随着KH550质量分数的增加,BF/PLA复合材料的拉伸断裂强度出现先增大后减小的趋势,且KH550质量分数为3%时处理效果最佳,此时复合材料的拉伸断裂强度提高到82 MPa,且断面整齐;玄武岩织物铺层角度为0°和90°时,复合材料的拉伸断裂性能较优,45°铺设时最差,且拉伸实验后层间分离现象明显;在一定范围内复合材料的断裂强度随玄武岩织物铺层层数的增加而增加。     

复合材料织物层合板层间剪切性能研究

纤维增强复合材料的层间剪切性能是其基本性能之一,是复合材料设计中必须考虑的重要问题。而复合材料固化工艺和条件是影响复合材料性能的重要因素,因此,文章对不同固化条件下复合材料织物层合板层间剪切性能进行了研究。考察了在相同温度变化周期条件下,分别使用热压罐和热补仪进行层合板固化所得到的复合材料层合板的层间剪切性能。基于ASTM D5379试验标准,开展了相关试验,结果表明:采用热压罐进行固化所得到的层合板,其层间剪切强度及刚度都要优于采用热补仪固化的层合板。     

二维三轴向编织混杂层合复合材料的冲击性能

为探讨混杂结构与破坏机制关系。本文研究了在铺层数目相同时,4组二维三轴编织碳纤维/玻纤纤维混杂层合复合材料受到低速冲击后的冲击性能。实验结果表明,在相同铺层数目情况下,编织混杂层合复合材料冲击后表面产生裂纹均比纯碳纤或纯玻纤编织层合复合材料多,且正面裂纹纵向扩展范围较大,而背面裂纹横向扩展范围较大;碳纤+玻纤+碳纤编织层合复合材料单位厚度吸收的能量比纯碳纤编织层合复合材料提高7.61%;玻纤+碳纤+玻纤编织层合复合材料单位厚度吸收的能量比纯玻纤编织片层合复合材料提高2.21%;编织混杂层合复合材料冲击后在厚度方向产生的损伤扩展较少;编织层合复合材料在低速冲击作用下不易分层,通过合适的铺层方式及纤维组合能够实现正的混杂效应,并能有效改善材料的抗冲击性能。     

三维纺织复合材料的结构特点和应用

本文主要讨论了三维纺织预制件及其复合材料的结构特点。由于三维纺织复合材料的纤维在三维空间相互交织和交叉 ,形成了一个不分层的整体结构 ,所以它和层合复合材料相比具有优良的层间性能和其他力学性能 ,可制作第一承力结构件和高功能制件。本文还介绍了树脂基三维纺织复合材料的复合固化技术以及三维纺织复合材料的一些应用 ,说明它具有广泛的应用前景。     

铺层Kevlar装甲材料的制备及力学性能

将环氧树脂E-51和聚醚胺WHR-H023(质量比4∶1)组成的树脂体系与10层Kevlar机织物按照质量比1∶1复合,制成铺层Kevlar装甲材料,测试材料的拉伸及弯曲性能,观察材料的破坏形貌。结果发现:分层是该材料拉伸过程中的主要破坏模式;材料的经纬向拉伸性能相近,但纬向拉伸性能离散性较大;弯曲未对材料造成明显的断裂和分层,材料表现为韧性良好,且纬向弯曲性能明显好于经向。     

PcBN复合片抗弯强度的分析

通过对不同温度下烧结PcBN复合片的cBN层抗弯强度(TRS)进行检测,发现在该实验条件下TRS值随着温度的升高而递增,穿晶断裂也随着温度的升高而增多,并且PcBN层边缘比中心的穿晶断裂数量多,粗粒度的以穿晶断裂为主。这说明温度对cBN颗粒间结合强度起主要作用。