基于热-力耦合模型的纤维丝束带铺放残余应力的模拟及实验研究

采用有限元分析计算和实验测试2种方法,在热-力耦合载荷作用下,对纤维丝束带铺放成型时的残余应力进行了研究。首先,建立纤维丝束带铺放的热-力耦合模型,利用有限元分析研究了不同温度和压力参数条件下纤维丝束带铺放残余应力的模拟结果。其次,对结果进行分析比较得到各个因素对纤维丝束带铺放残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对纤维丝束带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究,以验证热-力耦合有限元模型计算结果的正确性。结果表明:2种方法得到的残余应力分布基本一致,只是残余应力的最大值之间存在着差别。      

自动铺放过程双马树脂预浸料温度与黏度

通过对自动铺放成型工艺的分析,探索了自动铺带成型过程中预浸料温度对复合材料黏性的影响规律。对影响预浸料温度的热风温度和铺放速度两个因素进行了研究,从理论上建立了热风加热温度和铺放速度与预浸料温度之间的关系,提出了控制预浸料温度的具体实施方案,指导自动铺带成型过程。根据双马树脂预浸料黏度和温度曲线,分别在不同的热风温度和铺放速度条件下进行实验,得到在热风温度为90℃、铺放速度为10~20m/min时,预浸料黏度满足铺覆性要求,验证了预浸料热风温度和铺放速度对复合材料制品质量的影响,为自动铺带工艺提供参考。     

自动铺放工艺制备罐外固化复合材料的力学行为

针对碳纤维增强树脂基复合材料IM7/CYCOM5230-1罐外固化预浸料,研究了自动铺放（AFP）罐外固化（OOA）预浸料的制备过程并优化了铺放工艺参数,采用热分析手段研究了CYCOM5230-1树脂固化动力学及黏度特性,在此基础上开发了一种短时固化工艺,并评价了基于此工艺制备的OOA复合材料力学性能。结果表明,AFP铺放过程中预浸料间缝隙会影响OOA复合材料的成型质量,采用铺放压力为180 N、加热温度为50℃、铺放速率为0.20 m/s的铺放参数,可获得表面平整、成型质量优异的复合材料样件。热分析结果表明,罐外固化CYCOM5230-1树脂室温黏度大,满足OOA工艺中真空压实排气需求。短时固化工艺可达到与典型固化工艺相同水平固化度,提升了固化效率,且制备的复合材料可以达到59%的纤维体积分数及低于0.5%的孔隙率,其力学性能与典型固化工艺制备的复合材料相当,并且能够达到热压罐复合材料的水平。     

基于灰色关联分析和响应面法的复合材料缠绕成型多目标工艺参数优化

针对复合材料预浸带缠绕过程中制品的残余应力、孔隙率最小化和层间剪切强度（ILSS）最大化的多目标优化问题,采用Box-Behnken Design （BBD）原理设计四因素三水平的T300/环氧树脂预浸带缠绕实验;基于灰色关联分析（GRA）将多目标优化问题转化为单目标优化问题,利用主成分分析（PCA）法确定残余应力、孔隙率和ILSS对灰色关联度（GRG）的影响权重;通过对实验数据的回归分析,建立GRG与主要缠绕工艺参数（缠绕温度、张力、压辊压力和缠绕速度）的二阶预测模型;分析了各工艺参数对残余应力、孔隙率、ILSS和GRG的影响规律,确定缠绕工艺参数优化方案;利用响应面法（RSM）求解工艺参数优化问题并进行复合材料预浸带缠绕实验。结果表明:该优化方法获得的最优工艺参数组合可以有效改善残余应力、孔隙率和ILSS,提高预浸带缠绕制品的性能。      

单向碳纤维/环氧树脂预浸料叠层的面内变形行为

为了充分了解热隔膜成型过程中预浸料的变形行为，通过偏轴拉伸测试探索了热固性单向碳纤维/环氧树脂预浸料在高温条件下的面内变形机制。研究参数包括试验温度、拉伸速率、预热时间和铺层顺序等。利用数字图像相关技术，在测试过程中监测单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形和纤维的旋转情况。结果表明，提高试验温度或降低拉伸速率均有利于促进单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形。铺层顺序对单向碳纤维/环氧树脂预浸料铺层的变形行为有很大影响，[45/–45/90]_S铺层方式比 [45/90/–45]_S铺层方式更有利于纤维旋转，且[45/–45/90]_S铺层方式变形阻力更小。采用铰链连接网(Pin-joined net, PJN) 理论对单向碳纤维/环氧树脂预浸料铺层变形过程中纤维角度变化进行预测并与实验结果进行对比，结果表明，用PJN理论预测的纤维旋转角度值与测试值存在较大偏差，说明其并不适用于预测热固性单向碳纤维/环氧树脂预浸料变形过程中纤维角的变化。同时，80℃预加热可以提高单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形阻力。      

碳纤维增强环氧树脂基复合材料湿热残余应力的微Raman光谱测试表征

采用微Raman光谱仪对碳纤维增强环氧树脂复合材料CF/EP(纤维体积分数为30%)的湿热残余应力进行了研究。实验结果表明：湿热残余应力能够使碳纤维Raman光谱发生频移,根据频移可对纤维所受湿热残余应力进行表征;选择合适的试验点是复合材料湿热残余应力Raman测试成功的关键;在湿热环境下长期吸湿,纤维所受轴向残余应力由吸湿前的热残余压应力转变成吸湿后的湿热残余拉应力;由吸湿后碳纤维所受湿热残余拉应力减去吸湿前热残余压应力获得的吸湿拉应力非常大,平均为2272 MPa,接近所用碳纤维的拉伸强度(2800 MPa);适当的加工热残余压应力有利于降低吸湿导致的应力。     

SiC纤维增强钛基复合材料残余应力的数值模拟

采用有限元模拟方法研究了SiC纤维和SiC/Ti-6Al-4V复合材料的制备过程,用正交实验分析技术计算了不同参数对SiC纤维残余应力和复合材料致密度及残余应力的影响规律。结果表明,对于SiC纤维的制备过程,降低沉积温度和C涂层厚度则WC反应层中的轴向热应力降低。对于复合材料的热等静压过程,热等静压温度和包套厚度对复合材料致密度的影响较大,热等静压时间和纤维体积分数对致密度的影响较小,随着热等静压温度的升高和包套厚度的降低复合材料的致密度提高;适当提高热等静压温度和纤维体积分数、降低包套厚度能大大增大基体的径向残余应力和适当提高热等静压温度和包套厚度、降低热等静压时间,能大大降低基体的环向残余应力。建议热等静压温度为950-960℃,热等静压时间为9 h,包套的厚度为70-80 mm,纤维的体积分数为45%-50%。SiC纤维增强钛基复合材料残余应力模拟结果与用拉曼光谱法测试的数值有一定的不同,但是其变化趋势相近。     

单向碳纤维/环氧树脂预浸料热解特性

通过热重实验研究了单向碳纤维/环氧树脂预浸料的热解性能,利用FESEM测试分析了单向碳纤维/环氧树脂预浸料的热解残留物的形貌特征,得到其热解反应过程的物质参与。研究结果表明,单向碳纤维/环氧树脂预浸料的热解反应在空气中分为三个阶段,其中第一、二阶段是环氧树脂基体的热解,第三个阶段是碳纤维的热解。不同形态的单向碳纤维/环氧树脂预浸料在不同加热速率下的热解规律：随加热速率的增加,每个阶段的初始分解温度、反应最终温度及最大失重速率温度均向高温方向移动,热解温度范围逐渐扩大,质量损失明显增加。在相同的升温速率下,块状的单向碳纤维/环氧树脂预浸料相对于其粉末材料的热解时间较长,每个阶段的热解温度较高。     

树脂基纤维复合材料的热残余应力数值分析

以环氧树脂R368-1/硼纤维复合材料为研究对象,采用柱体单胞结构,建立了三维有限元分析模型。考虑试样加工制备过程和常温使用时的温度差,对残余应力分布特点和应力水平进行了讨论,给出了应力分布云图和应力沿径向的分布规律。进一步考察了纤维体积分数、温度差和附加界面层对残余应力分布的影响,结果表明,基体主要受拉伸应力作用,纤维主要受压缩应力作用,纤维体积分数增加和附加界面层有助于改善复合材料中残余应力的分布,试样制备温度的升高对纤维中应力的增加具有较大影响。     

YPH-23环氧树脂/预浸料的等温固化动力学研究

针对预浸料碳纤维树脂基复合材料成型的特点,采用差示扫描量热法(DSC)研究了碳纤维/YPH-23环氧树脂预浸料的DSC曲线,并与纯树脂的DSC曲线进行对比分析。研究结果表明:预浸料的DSC曲线与纯树脂存在差异;预浸料在130~160℃范围内的固化反应符合自催化固化反应模型,固化反应活化能为45.560kJ/mol;预浸料的动力学研究结果更能反映实际复合材料制造成型过程中的特征,可为实际复合材料的成型工艺优化提供参考。     

预浸料先进拉挤成型的固化传热过程数值模拟

对M21C碳纤维/环氧树脂复合材料预浸料在先进拉挤成型过程中的温度与固化度曲线进行了研究。使用DSC测得M21C预浸料在升温与恒温状态下的固化反应动力学方程,用于树脂固化反应的计算。基于有限元软件,结合有限差分法与体积控制法编写脚本解决热传导与树脂固化反应的计算,从而得到温度与固化度曲线,并在先进拉挤生产中测得实际的温度与固化度曲线,结果表明计算与实测曲线基本吻合,因此验证了算法的可行性。改变先进拉挤的工艺参数（加热温度区间、拉挤速度）再进行模拟计算,通过计算结果优化工艺参数,得到帽形梁先进拉挤三区间加热的理想工艺参数:模具加热温度区间为160-180-200℃;拉挤速度为1 cm/60 s。      

High Temperature Residual Properties of Carbon Fiber Composite Sandwich Panel with Pyramidal Truss Cores

A study on the mechanical property degradation of carbon fiber composite sandwich panel with pyramidal truss cores by high temperature exposure is performed. Analytical formulae for the residual bending strength of composite sandwich panel after thermal exposure are presented for possible competing failure modes. The composite sandwich panels were fabricated from unidirectional carbon/epoxy prepreg, and were exposed to different temperatures for different time. The bending properties of the exposed specimens were measured by three-point bending tests. Then the effect of high temperature exposure on the bending properties and damage mechanism were analyzed. The results have shown that the residual bending strength of composite sandwich panels decreased with increasing exposure temperature and time, which was caused by the degradation of the matrix property and fiber-matrix interface property at high temperature. The effect of thermal exposure on failure mode of composite sandwich panel was observed as well. The measured failure loads showed good agreement with the analytical predictions. It is expected that this study can provide useful information on the design and application of carbon fiber composite sandwich panel at high temperature.     

Micromechanics modeling of fatigue failure mechanisms in a hybrid polymer matrix composite

Initiation of fatigue damage for a hybrid polymer matrix composite material was studied via 3-Dimensional viscoelastic representative volume element modeling in order to gain further understanding. It was found that carbon fiber reinforced composites perform better in fatigue loading, in comparison to glass fiber reinforced composites, due to the fact that the state of stress within the matrix material was considerably lower for carbon fiber reinforced composites eliminating (or at least prolonging) fatigue damage initiation. The effect of polymer aging was also evaluated through thermal aging of neat resin specimens. Short-term viscoelastic material properties of unaged and aged neat resin specimens were measured using Dynamic Mechanical Analysis. With increasing aging time a corresponding increase in storage modulus was found. Increases in the storage modulus of the epoxy matrix subsequently resulted in a higher state of predicted stress within the matrix material from representative volume element analyses. Various parameters common to unidirectional composites were numerically investigated and found to have varying levels of impact on the prediction of the initiation of fatigue damage.     

Impact of volume fiber on distribution of thermal stress residual near fiber/epoxy interface using axisymmetric model

Thermal residual stresses are important in composite materials. The aim of this work is the computation of thermal residual stresses by finite element method and the effect of volume fraction on their distribution. In this work, two cases are considered by using an epoxy matrix with respectively glass and carbon fibers with a different volume fiber using an axisymmetric model. From the results of the numerical calculation, it is shown that the stresses are important and thus should be taken into account. The interface is affected by thermal stresses. The normal stresses and shear stress value have an influence on the behavior of the material. Hence, on the performance of composites during service, is an information of significance for the designers.     

共注射RTM成型一体化复合材料的热传导分析

依据已制备的碳环氧/泡沫/碳酚醛一体化复合材料结构,通过合理简化,建立了一体化复合材料结构热传导有限元模型.计算了指定热载荷条件下一体化复合材料结构内部温度分布,讨论了防热层厚度、隔热层厚度、隔热层热导率对一体化复合材料温度分布的影响.选用气凝胶复合材料为夹芯材料,计算得到了满足指定热载荷条件的隔热层的最小厚度,为以气凝胶复合材料为夹芯材料一体化复合材料热设计提供了依据.     

三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质的温度效应

采用实验和有限元方法,研究了三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在低温场（20、0、-50、-100℃）中横向压缩性质温度效应。研究结果表明：温度对碳纤维/环氧树脂横向压缩模量、屈服应力及切向模量均有不同程度影响。三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩后,试样表面形貌受温度影响显著。低温场中,表面鳞纹现象减弱,且纱线-树脂间界面出现开裂。温度降低导致碳纤维/环氧树脂内部产生热应力。热应力对碳纤维/环氧树脂力学性能影响有限,不是温度效应的主导因素。基体性质随温度变化是三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质温度效应的主要机制。     

基于锥形量热法的典型碳纤维/环氧复合材料燃烧特性

采用锥形量热仪实验研究环氧树脂基体、T300碳纤维/环氧复合材料及T300碳纤维/环氧-泡沫层合板(上下层为T300碳纤维/环氧复合材料,中间层为4mm厚的Divinycell H60泡沫芯材)在不同火灾环境下的燃烧性能。对比分析其点燃时间、热释放速率、总烟气释放量和CO生成速率等燃烧特性参数的变化规律。利用SEM测试T300碳纤维/环氧复合材料燃烧前、后表面形貌图像和环氧树脂基体和T300碳纤维/环氧复合材料燃烧形成炭层的形貌图像,分析碳纤维在碳纤维/环氧复合材料热解、燃烧过程中的影响作用。结果表明,随热辐射强度的增加,三种实验样品的平均点燃时间均缩短,热释放速率峰值和300s内热释放速率均值均增大,峰值出现时间提前,燃烧后残余率均降低。碳纤维对环氧树脂热解和燃烧起到抑制作用,其点燃、放热及达到热释放速率峰值的时间延后,T300碳纤维/环氧-泡沫层合板中泡沫芯材的燃点较低,使其平均点燃时间、热释放速率峰值出现时间及CO开始释放时间提前。T300碳纤维/环氧复合材料和T300碳纤维/环氧-泡沫层合板燃烧后均出现明显的分层现象,力学性能丧失,整体结构被破坏。碳纤维的存在能够有效抑制碳纤维/环氧复合材料的热解及燃烧,并能有效抑制在燃烧过程中产生融滴、喷溅和大量黑烟。