碳纤维3D机织预制体弯曲性能

异形结构复合材料构件成型过程中,其内部纤维预制体往往发生显著的宏观变形。预制体的弯曲性能对褶皱缺陷的形成和演化有着决定性影响。采用三点弯曲法对碳纤维3D机织预制体进行了测试,利用Micro-CT技术研究了预制体的微细观变形机制,分析了经纱密度和纬纱密度对预制体弯曲性能的影响规律。结果发现：3D机织预制体的临界弯曲能量随着组织点密度的增加大致呈线性增大的趋势。预制体弯曲变形主要由经纱屈曲度变化、局部压缩屈曲和经纬纱层间滑移等微细观变形构成。     

碳纤维单丝偏轴拉伸力阻效应实验与理论分析

碳纤维在复合材料基体中的分布较大程度地影响了碳纤维智能材料的感知特性,故需在微米尺度下研究多角度偏轴拉伸下的碳纤维单丝的力电功能响应。测试了不同角度拉伸环境下碳纤维单丝的电阻变化,并对其电阻的变化情况进行了分析。结果表明碳纤维单丝在外载荷偏轴拉伸作用下电阻变化与拉伸角度间存在非线性关系。外载荷在纤维方向产生的应变对电阻变化率的作用强于垂直纤维方向应变对电阻变化率的作用,62°拉伸角为正负力阻效应的临界角度。     

三维机织预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响

本工作设计并用炭纤维织造了两种不同结构的三维预制体,即三维角联锁结构(JLS)和三向正交结构(SZJ),采用化学气相渗透(CVI)致密和液相树脂浸渍/炭化的增密工艺,制备出C/C复合材料,测试并对比分析了拉伸性能和冲剪性能.结果表明:预制体结构对C/C复合材料的力学性能有很大影响,同时决定拉伸断裂破坏模式.三向正交结构C/C复合材料的力学性能好于三维角联锁结构的C/C复合材料.     

竹束杨木单板复合板偏轴拉伸力学性能研究

为了研究结构用板材——竹束杨木复合板在偏轴拉伸条件下的性能,采用与主纤维方向成0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°共7种角度试样进行拉伸试验,得到7组试验的破坏模式、荷载-位移曲线、拉伸模量和强度。基于Hankinsion公式和Transformation law公式分析了竹束杨木复合板的偏轴模量,基于Hankinsion公式、最大应力(Maximum stress)理论、蔡-希尔(Tsai-Hill)强度理论和双曲线(Hyperbolic)公式对复合板材的拉伸强度进行分析。结果表明:竹束杨木复合板在偏轴拉伸情况下,主要出现纤维拉断破坏、剪切破坏和横纹拉伸破坏3种破坏模式。竹束杨木复合板的偏轴模量和偏轴强度均在45°时最低。Hankinsion公式和Transformation law公式均在不同程度上高估了竹束杨木复合板的偏轴拉伸模量,最大应力理论和Tsai-Hill强度理论在一定程度上能够预测这类板材的强度,但存在一定的差异,而改进的Hankinsion公式更能准确地预测竹束杨木复合板的偏轴拉伸模量和强度。     

2.5维机织复合材料的强度特性

针对浅交弯联和浅交直联两种2.5维机织结构,采用VARTM工艺制备了试验件并进行了强度性能测试,通过对其拉伸后的试样进行切片和断面的SEM观察,研究了拉伸过程中复合材料内部的破坏机理。实验结果表明:在相同纱线排列密度情况下,浅交直联结构的经、纬向拉伸强度明显高于浅交弯联结构;随着纱线层数的增加,两种结构的经向拉伸强度均增大,而纬向拉伸强度则有所波动;对于不同结构的2.5维机织复合材料在单一拉伸载荷作用下,表现出不同的损伤模式,且损伤的初始位置和扩展路径具有一定的分散性。     

航空发动机复合材料叶片用3D机织预制体研究进展

三维机织复合材料（3DWCs）因其高比强度、低密度、低热膨胀系数和良好的成型性等优点受到越来越多的青睐,已经成功运用到飞机和汽车工程等领域。随着航空发动机研发力度的加大,3DWCs也在飞机发动机零部件上有所应用。综述了航空发动机复合材料叶片用三维机织预制体（3DWPs）的研究进展及现状;对比了异形高厚度3DWPs的几种织造方法;基于试验测试和仿真模拟,介绍了国内外3DWPs变形性能的研究进展;分析了3DWPs结构对其复合材料性能的影响;最后,展望了3DWPs的发展方向,为航空发动机复合材料叶片的发展提供了参考依据。     

SiGw/Al复合材料的偏轴拉伸断裂行为

应用扫描电镜对挤压SiCw/6061Al复合材料的拉伸断裂过程进行了动态观察,并详细讨论了偏轴角θ对复合材料强度和断裂行为的影响。结果表明,微裂纹起源于晶须周围基体中,其萌生与扩展受晶须偏轴角的控制。复合材料由正向断裂向剪切断裂转变的特征角θ₀约为45-50°。      

SiGw/Al复合材料的偏轴拉伸断裂行为

应用扫描电镜对挤压SiCw/6061Al复合材料的拉伸断裂过程进行了动态观察,并详细讨论了偏轴角θ对复合材料强度和断裂行为的影响。结果表明,微裂纹起源于晶须周围基体中,其萌生与扩展受晶须偏轴角的控制。复合材料由正向断裂向剪切断裂转变的特征角θ₀约为45-50°。     

孔洞型碳纤维三轴机织物/环氧树脂复合材料的弯曲和拉伸性能

以T300碳纤维为增强纤维材料,环氧树脂为树脂基体,采用树脂膜熔渗(Resin film infusion,RFI)工艺制备碳纤维三轴机织物/环氧树脂(Triaxial woven fabric/epoxy resin,TWF/EP)复合材料。通过三点弯曲试验和拉伸试验研究了复合材料试样的面内弯曲性能和面内拉伸性能,采用3D轮廓仪观察拉伸试验后试样的损伤形貌,并分析其损伤机制。研究结果表明：TWF/EP复合材料的弯曲弹性模量表现为准各向同性,复合材料的孔洞率、碳纤维束规格与弯曲弹性模量呈现显著正相关性,与拉伸模量呈现负相关性。在拉伸载荷作用下,TWF/EP复合材料的主要失效模式包括纤维束断裂、纤维束拔出和交错失效,拉伸断裂机制主要为纯剪切破坏、扭转剪切破坏、拉剪耦合破坏。此外,在渐进损伤过程中,应变集中区发生在纱线交织点处。     

2.5维机织复合材料经向拉伸弹性模量预测与试验验证

采用沿经向切片积分的方法计算2.5维机织复合材料的宏观经向拉伸弹性模量,与试验结果和传统的体积平均合成方法进行了对比,分析表明,本文中的方法能够有效提高传统体积平均法的预测精度.利用文中的方法分析了2.5维机织复合材料沿在机织循环过程中的经向拉伸弹性模量分布情况,并且对相关机织结构的2.5维机织复合材料进行了试验研究.研究发现,经纱弯曲程度较小的直联结构和添加平直经纱的衬经结构能够有效提高2.5维机织复合材料的经向拉伸弹性模量,并且能够改善经向拉伸应力-应变曲线的非线性.     

2.5D机织复合材料压缩性能实验与数值模拟

为了研究2.5D机织复合材料的压缩损伤和失效机制,验证双尺度渐进损伤有限元数值模拟方法的有效性,对这类复合材料分别沿经纱方向和纬纱方向进行了准静态压缩实验,获得了其相应的应力-应变曲线,并测定了材料的初始弹性模量和极限强度。在此基础上,利用双尺度渐进损伤有限元数值方法模拟分析了材料的压缩应力-应变响应和损伤演化行为,取得了与实验吻合较好的模拟结果。结果表明:2.5D机织复合材料在纬向压缩下的主要失效模式是纬纱的轴向压溃与断裂,可获得相对较高的压缩强度;但在经向压缩下,经纱因弯曲会承受附加弯矩作用,从而对周围基体造成挤压,故在经纱轴向断裂之前容易出现经纱之间基体的压溃和纱线之间的分层开裂,使强度降低,不利于发挥纤维的承载优势。     

三维编织碳/环氧复合材料力学性能测试及破坏机制

通过宏观拉压试验, 研究了三维正交编织碳/环氧复合材料的拉伸和压缩力学性能。对试验过程进行了声发射分析, 对断口进行了扫描电镜观察分析, 给出了该类材料的拉伸和压缩破坏机制。结果表明: 三维正交编织碳/环氧复合材料有良好的拉伸和压缩力学性能; 三维正交编织复合材料在拉伸和压缩载荷作用下的断裂均为脆性断裂, 拉伸试验的主要破坏现象是纤维断裂拔出, 而压缩试验则是纤维剪切破坏; 通过声发射参数分析可以基本判定该类材料损伤过程中的损伤类型。     

基于细观结构的2.5维机织复合材料强度预测模型

采用经纱矩形截面及纬纱六边形截面假设,将经纱的屈曲轨迹简化为折线形式,建立了2.5维机织复合材料单胞几何模型。以单胞为研究对象,引入改进的三维Hashin失效准则和Mises准则作为组分材料的失效判据,采用不同的刚度退化方式来表征不同的失效模式,建立了基于逐渐损伤理论的强度预测模型。利用有限元分析（FEA）技术,开发了相应的参数化2.5维机织复合材料逐渐损伤分析程序,预测了浅交弯联结构不同机织参数2.5维机织复合材料的拉伸强度,并模拟了经向拉伸和纬向拉伸的损伤扩展过程。与静拉伸试验结果相比,拉伸强度的预测误差在10%以内;模拟的失效模式与试验结果吻合较好。     

2.5维机织复合材料经向拉伸弹性模量预测与试验验证

采用沿经向切片积分的方法计算2.5维机织复合材料的宏观经向拉伸弹性模量, 与试验结果和传统的体积平均合成方法进行了对比, 分析表明, 本文中的方法能够有效提高传统体积平均法的预测精度。利用文中的方法分析了2.5维机织复合材料沿在机织循环过程中的经向拉伸弹性模量分布情况, 并且对相关机织结构的2.5维机织复合材料进行了试验研究。研究发现, 经纱弯曲程度较小的直联结构和添加平直经纱的衬经结构能够有效提高2.5维机织复合材料的经向拉伸弹性模量, 并且能够改善经向拉伸应力-应变曲线的非线性。     

2.5维机织物剪切性能实验研究

本文基于2-2带衬经结构的层-层正交角联锁织物结构优势,织造了7种不同规格参数的角联锁织物和一种三向正交结构的织物,利用像框实验分析了纬纱密度、纬纱细度、织物层数和不同种结构织物对剪切性能的影响。研究发现,织物中纱线密度越大,其所需的载荷越大,达到锁紧角的时间就越短;载荷随着织物层数的增加而增加;纱线细的织物,其所需载荷也小;相同参数的角联锁织物与三向正交织物的剪切性能基本没有太大差别。     

Preparation and mechanical properties of C/SiC composites with carbon fiber woven preform

C/SiC composites reinforced with multilayer carbon fiber woven preforms were fabricated by isothermal chemical vapor infiltration (ICVI) process. To characterize the mechanical properties of the composites, mechanical testing was carried out under various loading conditions, including tension, bending and shear loads. The results indicated that the composites, with superior intrinsic through-the-thickness properties, exhibited high in-plane mechanical properties. Therefore, the composites developed can well meet the demands of the reusable nose cap, i.e. the easiness of near-net shaping and the capability of withstanding multidirectional mechanical and thermal stresses.     

预定型机织物剪切变形实验研究

在改进像框实验的基础上,对斜纹和缎纹预定型碳纤维织物的剪切性能进行了实验观察。研究发现,预定型机织物的剪切机制与织物剪切相似。根据实验结果,从定型剂的浓度和织物结构分析了预定型织物的剪切性能。随着定型剂浓度提高,织物的折皱角越大,织物剪切性能越差;与预定型斜纹织物相比,预定型缎纹织物相对较容易成型,剪切载荷较小。利用立式显微镜观察剪切过程中纱线宽度的变化,拟合得到了宽度变化方程,建立预定型机织物的折皱角模型,预测结果与实验结果误差在2°内,证明了该模型的有效性。