国产CCF300碳纤维单向织物液体成型工艺性及其复合材料力学性能

选取国产碳纤维CCF300所制备的2种单向织物,单向无纬织物U3160及单向无屈曲织物KUC160,分别对其预成型体进行压缩特性和渗透特性测试,以研究2种单向织物的液体成型工艺性,并采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备2种单向织物/双马来酰亚胺树脂基复合材料,测试并对比其面内力学性能。结果表明:预成型体压缩试验中,嵌套效应受压力及织物层数影响较大,压力越高、层数越多,嵌套效应越显著。U3160织物的嵌套效应较KUC160织物更为明显,在较高压力下,KUC160织物预成型体的纤维体积分数较U3160织物的下降了约20%。渗透率测试结果表明:相比U3160织物,KUC160织物0°方向的渗透率较高,而90°方向的渗透率有所降低;这是由于经编线的绑缚作用能促进0°方向的宏观流动,而阻碍90°方向的微观渗透。此外,KUC160织物的经编线与U3160织物的纬向纱线的导流作用也对渗透率有影响。力学性能试验结果表明:相比U3160织物增强复合材料,KUC160织物增强复合材料0°方向的拉伸、弯曲和压缩性能均有所下降,拉伸强度和弯曲模量降幅最大,分别约为11%和21%;而层间剪切强度有小幅提高,增幅约为8%。      

平纹织物结构对织物增强复合材料层间断裂韧性影响的研究

本文采用粘贴片式双悬臂梁(DCB)试件和端部切口弯曲(ENF)试件研究了平纹织物的经纬纱密度对玻璃平纹织物/环氧树脂复合材料的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性的影响。实验结果表明织物的密度对层间断裂韧性有显著的影响。提出了在织物增强复合材料层合板中,基体在织物孔洞中形成层间铆接,并且就其与层间G_IC和G_IC的关系进行了研究。      

树脂传递模塑成型工艺中嵌套效应引起渗透率变异的实验与数值模拟

树脂传递模塑成型工艺(RTM)中最重要的变形模式之一是厚度方向压缩。厚度方向压缩减小了织物预成型体的厚度,使织物预成型体局部结构形式发生改变从而引起嵌套效应。嵌套效应不仅会减少织物预成型体的厚度,增加纤维的体积分数并改变孔隙率,而且相邻织物层嵌套效应具有一定的空间分散性,从而使得织物预成型体渗透率具有变异性。本文针对低黏度树脂设计了一种实验装置用以测量局部渗透率的空间分散性,随后建立了随机嵌套单胞模型,利用ANSYS/CFX有限元软件实现了单胞填充浸润的数值模拟,通过流量分析获得局部渗透率,并研究了渗透率的统计分布。通过实验结果与数值模拟结果相对比,验证数值模拟结果的可靠性。最后,基于渗透率的统计分布建立了随机渗透率场,并进行填充浸润的数值模拟,通过与传统恒定渗透率的方法进行比较,证明该方法具有更高的先进性。研究结果可以对未来RTM工艺的稳健性优化提供依据。      

织物增强相对复合材料冲击压缩性质的影响

分别采用材料试验机（MTS）和分离式霍普金斯压杆（SPHB）测试系统研究二维平纹层压复合材料（2DWCs）、三维正交复合材料（3DOWCs）和三维编织复合材料（3DBCs）在准静态和高应变率压缩载荷下的力学响应和破坏形态。通过应力-应变曲线研究三种织物结构增强树脂基复合材料的应变率效应、应变率敏感性和能量吸收性质。通过破坏形态研究三种织物增强树脂基复合材料的破坏机制。结果显示:三种复合材料都具有明显的应变率效应。面外压缩时,2DWCs的压缩刚度、强度及应变率敏感性都最高,而3DBCs最弱;但当应变率大于1 500 s-1后,3DBCs能量吸收能力最强,2DWCs能量吸收能力最弱;2DWCs增强相和3DOWCs增强相以剪切断裂形式为主,3DBCs增强相以"坍塌"压扁形式为主。面内压缩时,2DWCs的面内压缩刚度最大而面内能量吸收能力最弱,3DOWCs的面内压缩强度最高,3DBCs的断裂应变最大、面内能量吸收能力及应变率敏感性最高,2DWCs增强相以分层破坏为主,3DOWCs和3DBCs以端面膨胀破坏为主。      

考虑纤维束弯曲的缎纹织物面内压缩行为分析

基于弹性弯曲波理论分析了应力波在复合材料内部的传播规律,并针对四枚缎纹织物复合材料,进行了准静态和动态验证实验研究。研究表明,在面内压缩载荷作用下,纤维束交织程度越高,材料压缩强度越低,说明织物复合材料的细观结构对其面内力学性能有重要影响。发现准静态载荷作用下试样主要为整体剪切破坏,且剪切断裂发生于加载方向纤维束的弯曲起始段;而动态载荷作用下,试样的主要损伤模式为分层,在应力波的作用下分层损伤沿纤维束间的界面扩展,同时伴随有纤维束弯曲起始段的剪切断裂。     

注射压缩成型工艺参数对厚壁聚碳酸酯制件厚度的影响

考察了不同注射压缩成型工艺参数(两点间距、压缩速率和压缩行程)对聚碳酸酯(PC)平板制件厚度偏差及厚度分布的影响。结果表明,PC平板厚度随两点间距和压缩速率的增大而减小,两点间距和压缩速率是控制厚度精度的主导因素,而压缩行程对厚度影响较小。同时,研究结果表明,所有的PC平板均是上薄下厚的分布趋势,且不同的压缩工艺仅对厚度值大小有影响,而对PC制件的厚度分布趋势没有影响。     

经编多轴向织物的压缩性能研究

真空袋工艺由于采用了柔性的上模具,使得增强织物的厚度很难控制,从而最终的纤维体积含量也就难预测和控制。研究了多轴向织物在真空袋工艺的压缩行为,在干态压缩实验中,讨论了时间,层数,纤维束细度,织物结构以及铺层角度对于最终纤维体积含量的影响。在湿态压缩中讨论了树脂的润湿作用以及润湿后一些织物的反弹行为。对不同纤维体积含量的复合材料横截面进行分析,讨论了不同压力下导致织物压缩的因素。     

不同热塑性树脂基体对单向碳纤维复合材料吸湿行为的影响

采用溶液浸渍和热压成型分别制备了以聚醚砜和聚醚砜/聚苯硫醚为基体的单向连续碳纤维增强复合材料,研究了不同成型温度下复合材料的层间剪切强度和湿热环境下对水分的吸湿过程。结果表明,添加了聚苯硫醚的复合材料在较佳的加工工艺窗口下可以保持原有的层间剪切强度,同时大幅度地增强复合材料的抗水分侵蚀能力。这是由于聚苯硫醚在热压成型过程中,以聚醚砜为晶核在碳纤维表面结晶,形成较为致密的结构。同时红外分析表明,混合树脂极性较小。二者共同作用,可以提高复合材料在使用过程中的安全性和结构的完整性。性能较好的复合材料吸湿过程符合Fick第二定律。     

铺层方式对织物渗透率的影响

增强材料的渗透率是研究和模拟RTM工艺的关键参数。采用单向玻璃纤维织物,在恒定的注射压力下,通过记录树脂在织物内流动前缘椭圆长、短轴随时间的变化,利用Darcy定律测定了不同铺层方式下织物的渗透率,研究了铺层方式对织物渗透率的影响。实验证明,铺层方式改变时,织物的渗透率大小和主轴方向发生改变,其关系符合椭圆的叠加原理。      

橡胶改性对硼纤维/环氧单向复合材料力学性能的影响

对环氧树脂进行液体丁腈橡胶改性, 并采用缠绕无纬布层压成型工艺制备了硼纤维/环氧单向复合材料。测试了环氧树脂液体丁腈橡胶改性前后硼纤维/环氧单向复合材料的力学性能, 研究了硼纤维/环氧单向复合材料的纵向拉伸破坏模式。结果表明, 基体中的10%液体丁腈橡胶使硼纤维/环氧单向复合材料的拉伸强度、 弯曲强度、 层间剪切强度和断裂延伸率分别提高了18.42%、 13.39%、 28.45%和43.40%, 但其拉伸和弯曲模量稍有下降。基体中含10%液体丁腈橡胶的硼纤维/环氧单向复合材料的纵向拉伸破坏模式为界面层的内聚破坏和脱黏破坏共存的混合破坏。      

复合材料带筋壁板预成型体压缩性与渗透性对树脂流动的影响

以航空碳纤维增强树脂基复合材料典型结构件带筋壁板为研究对象,通过对U3160单向织物的组织结构进行分析,根据纤维束的受压变形状态对其压缩响应进行理论建模,然后以纤维束压缩模型为基础,预测了U3160单向织物按0°/45°/90°/-45°铺层时预成型体在压缩应力作用下厚度变化的响应行为。建立了压缩应力作用下纤维预成型体的渗透率解析模型:在织物压缩模型的基础上,建立了纤维束等效渗透率模型;根据张量理论,分别建立了0°、±45°和90°铺层织物等效渗透率模型;运用渗透介质串并联关系,建立了带筋壁板各特征区域渗透率综合表征模型。基于PAM-RTM流动模拟软件,进行分区渗透率定义,在充模过程中对树脂在带筋壁板预成型体中的流动行为进行模拟,优化工艺参数,确定出最终充模方案,并制作带筋壁板实验缩比件进行成型实验,验证了充模方案的合理性。研究结果为制件的成功制作提供理论依据,从而指导生产实践。      

液体在单向织物面内毛细浸润特性实验研究

测试了高温条件下环氧树脂在玻璃纤维单向织物和碳纤维单向织物平面内的毛细浸润行为, 探讨了温度、纤维-液面夹角对浸润特性的影响规律, 分析了树脂与纤维接触形成的弯液面对测试结果的影响。研究结果表明, 升高温度、增大纤维2液面夹角均有利于提高浸润速度和浸润质量。      

热压工艺参数对单向复合材料层板密实状态的影响

为了提高复合材料的质量稳定性并降低成本, 需要研究纤维密实状态的变化规律及其影响因素。采用密实指数I_c表征单向复合材料层板中纤维的密实程度, 进而研究了热压工艺下压力、加压时机及铺层层数对密实指数的影响规律。结果表明, 密实指数随压力的增大呈非线性增大, 随加压点树脂粘度的增大而减小, 随铺层层数的增大呈线性减小。该研究结果为优化热压成型工艺窗口和短程流动模型的建立提供了重要的实验依据。      

酚醛树脂粘结钕铁硼磁体温压制备技术研究

用温压成型工艺制备了酚醛树脂粘结钕铁硼磁体,通过对磁体密度、剩磁、矫顽力、磁能积和抗弯强度的分析,研究了耦联表面处理对磁粉抗氧化性能的影响及成型工艺对磁体性能的影响.结果表明:偶联处理可以明显提高磁粉的抗氧化能力;在压力为620MPa,温压温度为180℃且不进行二次固化条件下获得了性能最佳的磁体,其密度为6.12g/cm3,抗弯强度为59.25MPa,剩磁为0.6824T,内禀矫顽力为730kA/m,最大磁能积为78.2kJ/m3.     

单向复合材料随机裂纹核扩展过程概率分析

以纤维呈六边形分布的单向复合材料为研究对象,结合局部载荷分配法则,提出了随机裂纹核理想扩展过程,给出了基于理想扩展过程的随机裂纹核扩展概率算法,并对随机裂纹核断裂纤维由1根扩展到多根的概率进行了算例分析。通过与基于Markov过程的计算结果比较,表明基于理想扩展过程的随机裂纹核扩展概率算法具有较高的精度。该算法化繁为简,便于考虑裂纹扩展过程中多根纤维同时断裂这一因素。计算表明：忽略多根纤维同时断裂的算法会使随机裂纹核扩展概率计算结果产生较大的误差,而考虑多根纤维同时断裂的算法可以提高裂纹扩展概率的计算精度,从而有利于提高复合材料强度的预测精度。     

Study of nesting induced scatter of permeability values in layered reinforcement fabrics

Time consumption is the major drawback of many existing set-ups for permeability measurement. This drawback has prevented many researchers from studying the statistical distribution of experimentally obtained permeability values. To overcome this problem—while maintaining the necessary accuracy—an automated central injection rig for permeability identification called ‘PIERS set-up’ (permeability identification using electrical resistance sensors) was developed. The PIERS set-up was used to characterize two typical glass fiber reinforcements. The test results demonstrated the presence of large scatter in the identified permeability values and hence the necessity to consider a statistical distribution of permeability values. The existence of a permeability distribution implies that a small number of measurements will not be sufficient to fully characterize the material. This paper discusses the necessary number of measurements to adequately characterize the statistical distribution and investigates the origins of the observed scatter. The paper also shows that the nesting of layers during stacking and mold closing is a major source of the observed variations in permeability values.     

Transverse elastic moduli of unidirectional fiber composites with fiber/matrix interfacial debonding

An elastic contact model is developed to predict the transverse Young's modulus, Poisson's ratio and shear modulus of unidirectional fiber composites with interfacial debonding. The elastic deformation formulae of the fiber under contact pressure are derived by the use of elasticity theory. These results are then used in the formulation of an analytic boundaryelement method for solving the interfacial debonding problem. The two extreme cases of perfect bonding and the fiber-like void are also studied. On the basis of this theory, the upper and lower bounds of the transverse moduli for unidirectional fiber composites with imperfect fiber/matrix interfaces are provided. Numerical calculations of parametric studies are conducted for four composites, and some basic characteristics of the transverse elastic moduli of unidirectional fiber composites with interfacial debonding are presented.     

Effect of aspect ratio on the compaction characteristics and micromorphology of copper powders by magnetic pulse compaction

Magnetic pulse compaction (MPC) technology has the advantages of near net shape, high efficiency and density. In this paper, the effect of aspect ratio on the deformation characteristics of copper powders compacted by MPC technology was studied. Specifically, the compaction velocity, volume strain, micromorphology and micro hardness of compacts at various aspect ratios were obtained. Results showed that the compaction velocity and volume strain increased and then decreased with the increase of aspect ratio. The maximum compaction velocity reached 10.28 m/s at aspect ratio of 1.2. At the same compaction moment, the volume strain was decreased as the aspect ratio increased. Then the relationship between compaction pressure and volume strain was revealed. The aspect ratio range of the optimal compaction effect was 0.6–1.0, and the fluctuation degree of relative density was only 1.03%. The aspect ratio had less effect on the micromorphology distribution in the axial direction of the compacts. The micro hardness value of the upper surface was higher than that of the lower surface, and the edge position was greater than the center position.     

碳纤维/聚醚醚酮单向带各向异性导电行为的尺度效应

具有导电各向异性的高分子复合材料(ACPCs)在场发射装置及传感器设计领域具有重要应用。常规的ACPCs很难获得超大导电各向异性系数,且力学性能有限。本文采用碳纤维(CF)宽展、表面浸润与树脂复合一体化超薄热塑性单向带制备方法,制备厚度为0.04 mm和0.1 mm的CF增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料单向带,以PEEK纤维为纬线制备CF/PEEK复合材料单向编织布,采用热成型工艺制备CF/PEEK复合材料单向层合板。利用数字万用表和霍尔效应系统测试层合板面内及厚度方向的电阻率和面内的电子迁移率;采用超景深显微镜观察CF/PEEK复合材料单向层合板面内和厚度方向的纤维排列形貌。结果表明,超薄CF/PEEK复合材料单向层合板面内(纤维方向与横向)导电率之比高达377,而面内横向和厚度方向的导电率之比接近1,表明CF/PEEK复合材料获得了良好的横观各向同性;超薄化CF/PEEK复合材料的面内电子迁移行为同样具有巨大的各向异性,这一结果为CF/PEEK复合材料在场发射器件、传感器设计及其灵敏度调控方面提供了实验基础。