圆弧形单向纤维增强树脂复合材料的I型层间断裂韧性测试及分析

层合板的I型层间断裂韧性的测量方法通常为单向纤维增强树脂复合材料的末端切口(End notched flexure, ENF)试样的双悬臂梁(Double cantilever beam, DCB)试验。为了得到带有弧度的层合复合材料结构的I型层间断裂韧性,对圆弧形末端切口(Arc-ENF)试样进行DCB试验。基于梁的弯曲理论和Irwin-Kies公式得到Arc-ENF试样的柔度公式与I型临界能量释放率G_IC公式,并且利用ABAQUS软件对DCB试验进行数值模拟。最终,通过对比分析理论公式计算结果、数值模拟结果和DCB试验结果来验证柔度公式和G_IC公式的合理性和有效性,对带有任意弧度的DCB试样的I型层间断裂韧性的测试与分析具有参考价值。      

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。      

超细纤维增强复合材料Ⅰ型层间断裂韧性分析

采用静电纺丝技术制备了厚度约0.1mm的超细纤维无纺布薄膜, 并入层合板中间界面, 固化成型后加工为双悬臂梁(DCB)试样。根据ASTM D5528标准测试了 Ⅰ 型层间断裂韧性。实验结果表明, 增强试样比空白试样的 Ⅰ 型临界应变能释放率(G_{Ⅰ C})提高了约35％。同时采用有限元分析方法研究了含无纺布薄膜试样和空白试样的裂纹扩展过程, 数值结果与实验结果吻合较好, 更好地解释了含无纺布薄膜层合板的层间断裂机理。      

低温环境下测试复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的简易方法

目前ASTM复合材料Ⅰ型层间断裂韧性测试标准需不断观测裂纹扩展长度。然而在低温环境下,裂纹扩展长度不易测量且过程繁琐。为克服这一缺陷,本文采用双柔度法测试复合材料低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性,该方法的步骤与ASTM标准基本相同,但不需观测裂纹扩展长度便能获得低温下Ⅰ型层间断裂韧性。为了验证该方法的可靠性和精度,采用5件碳纤维增强环氧树脂基复合材料双悬臂梁（DCB）试样在-10℃环境下进行Ⅰ型层间裂纹扩展实验,应用ASTM标准所推荐的三种方法及本文的双柔度法进行数据处理获得复合材料Ⅰ型层间断裂韧性。结果表明:ASTM标准的三种方法与双柔度法得到的Ⅰ型层间断裂韧性结果一致,相对差别小于5%,而本文的双柔度法不需测量裂纹扩展长度,因此更简单,为测试低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性提供了一种准确、简单的新方法。      

织物增强复合材料层合板I型层间断裂特性

采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性与断裂行为。为了评价测试温度和试样几何尺寸的变化对层间断裂韧性的影响,分别在室温(RT)和液氮温度(77K)条件下对不同尺寸的试样进行了双悬臂梁试验。采用扫描电镜对分层断裂面进行了观察,分析和验证了层间断裂特性。      

织物增强复合材料层合板Ⅰ型层间断裂特性

采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性与断裂行为。为了评价测试温度和试样几何尺寸的变化对层间断裂韧性的影响，分别在室温(RT)和液氮温度(77K)条件下对不同尺寸的试样进行了双悬臂梁试验。采用扫描电镜对分层断裂面进行了观察，分析和验证了层间断裂特性。     

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。     

PBO纤维增强环氧树脂复合材料层间Ⅰ型断裂韧性的DIC技术测量

Ⅰ型双悬臂梁(DCB)试验通常用于单向复合材料的层间抗拉性能研究,目标是测量Ⅰ型层间断裂韧性,其可作为复合材料分层扩展及失效机制研究的重要输入参数。在DCB试验中必须经常暂停试验以实现多次测量裂纹长度,这不仅会对裂纹传播产生潜在影响,造成测量误差且多次反复试验的时效性较差。数字图像相关(DIC)测试技术应用于裂纹扩展长度测量具有实时跟踪、精确定位的优点,可有效提高Ⅰ型断裂韧性试验的测量效率,但应用于非连续变形行为仍存在局限性,且易受到图像噪声的干扰,产生测量误差。本文发展了一种基于DIC测试技术的实时获取裂纹长度的检测方法,通过图像匹配算法获取试件的非连续变形位移场,并提出一种根据全局横向位移离散程度的辨别方法,实现了裂纹尖端的实时捕捉。再通过DCB试验,与传统测量方式对比,裂纹长度的测量误差平均不超过2.76%,验证了该方法的准确性和高效性,同时也克服了聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)/环氧树脂复合材料侧表面毛糙、散斑质量较差及纤维桥接对测量结果的干扰,最终获取了有效的Ⅰ型层间断裂韧性初始值及稳态扩展值。     

碳纤维增强树脂复合材料-热成型钢超混杂层合板层间力学性能

通过双悬臂梁试验(DCB)研究了金属表面处理和界面插层协同作用对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-热成型钢超混杂层合板层间力学性能的影响。试验结果表明,采用金属表面处理与界面插层协同增韧方案,可以极大地提升层合板的I型层间断裂韧性。其中,喷砂/界面胶膜插层试件(GB36#/AF)的I型层间断裂韧性相比于脱脂试件提高了343%;喷砂/界面纯树脂插层试件(GB36#/EP)相比于脱脂试件,其Ⅰ型层间断裂韧性提高了129%。并基于内聚区模型对CFRP-热成型钢超混杂层合板分层失效进行了有限元模拟。最后借助激光共聚焦扫描显微镜(LSM)、接触角测量仪(CAG)、扫描电子显微镜(SEM)等对热成型钢表面形貌和试件的断裂面进行了表征并揭示了层间增韧的机制。      

缝合层合板的Ⅰ型层间断裂韧性研究

通过缝合的方法改善织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性.采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了缝合层合板的层间断裂韧性与断裂行为.为了评价缝合工艺参数(缝合密度)对层间断裂韧性的影响,用改进的插入型夹具在实测不同缝合工艺层合板的Ⅰ型层间断裂韧性值(G_IC)的基础上,分析和阐明了缝合工艺参数(缝合密度)与G_IC间的关系;以提高层合板的平均层间断裂韧性值为目标,以拉伸和弯曲强度为约束条件优化了缝合工艺;采用摄影显微镜对分层断裂面进行了观察,分析和考察了缝合对其它性能的影响.结果表明:改进的插入型夹具可方便地完成缝合层合板的Ⅰ型层间断裂韧性测试;缝合后裂纹不连续扩展,缝合密度对裂纹扩展行为有较大影响;随着缝合密度的增大,层间断裂韧性值增大,但拉伸和弯曲强度降低,缝合密度存在最佳值.     

冲击载荷下CFRP及GFRP层板断裂韧性的研究

利用Hopkinson杆加载装置, 对带有单边切口的炭纤维增强复合材料(CFRP)及玻璃纤维增强复合材料(GFRP)层板试件进行冲击拉伸加载实验。根据一维应力波理论求得作用于试件上的载荷P(t)和试件加载点的位移δ(t)。 根据试样中应力随时间的变化历史σ(t), 并基于断裂韧性测试原理, 建立了动态应力强度因子K_Ⅰ (t)响应曲线。利用柔度变化率方法确定起裂时间, 分别得到在两种加载速率下CFRP、 GFRP层板的动态断裂韧性。结果表明, 随着加载速率的提高, 这两种复合材料的断裂韧性降低。      

基于界面单元的复合材料层间损伤分析方法

为了研究复合材料层间损伤, 建立了一种新型零厚度界面单元模型, 可以准确地预测复合材料 Ⅰ 型层间裂纹扩展。模型包括本构关系建立、损伤准则和损伤演化引入, 并在大型商用有限元软件ABAQUS用户单元子程序VUEL中实现, 采用显示积分方法求解, 不存在收敛性问题, 同时允许使用较粗的有限元网格。最后将该模型应用于国产碳纤维增强树脂基复合材料(CCF300/5428)双悬臂梁试验(DCB)模拟分析中, 结果表明, 此界面单元模型能够准确模拟复合材料层板 Ⅰ 型裂纹扩展, 为复合材料层间损伤分析提供了一种有效的方法。     

苎麻短纤维层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料

采用热压机层压成型工艺制备了苎麻短纤维(SRF)层间增韧碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层压板,研究了SRF的长度、面密度及其表面偶联处理对CF/EP复合材料层间断裂韧性的影响,并进一步研究了SRF的铺入对复合材料弯曲、拉伸性能的影响。研究结果表明,层间SRF的铺入明显改善了CF/EP复合材料的I型和II型层间断裂韧性(G_(IC)和G_(IIC)),当表面偶联处理的纤维长度为6mm、面密度为12g·m~(-2)时,增韧效果最佳,GIC由497.48J·m~(-2)增加到667.54J·m~(-2),提高了34.24%;GIIC由508.52J·m~(-2)增加到862.11J·m~(-2),提高了69.54%。此外,铺入SRF对复合材料的弯曲、拉伸性能也有一定程度的提高。通过SEM观察发现,SRF的增韧机制与其层间桥联以及裂纹扩展过程中从基体中拔出与劈裂等现象有关。     

微胶囊层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的超声导波评价

选用微胶囊作为改性材料,采用热压机层压成型工艺制备出微胶囊层间增韧T300碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料。通过双悬臂梁(DCB)Ⅰ型层间断裂试验评估了CF/EP复合材料的增韧效果。利用超声导波技术对普通CF/EP复合材料和增韧CF/EP复合材料层间力学性能进行评价。通过SEM对CF/EP复合材料层间断面微观形貌进行观察,以揭示微胶囊的增韧机制,同时对超声导波检测结果进行辅助说明。结果表明,微胶囊以团聚形式分布在层间基体中,可以有效提高CF/EP复合材料的层间断裂韧性。微胶囊的填充改变了CF/EP复合材料层间基体特性,增加了导波传播过程中的衰减,导致响应信号峰值降低。同时,团聚的微胶囊改变了CF/EP复合材料对于中心频率125 kHz五峰波激励的振动响应,导致中心频率在信号频谱中的幅值低于普通CF/EP复合材料。      

缝合层合板的I型层间断裂韧性研究

通过缝合的方法改善织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性.采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了缝合层合板的层间断裂韧性与断裂行为.为了评价缝合工艺参数(缝合密度)对层间断裂韧性的影响, 用改进的插入型夹具在实测不同缝合工艺层合板的I型层间断裂韧性值(GIC)的基础上, 分析和阐明了缝合工艺参数(缝合密度)与GIC间的关系; 以提高层合板的平均层间断裂韧性值为目标, 以拉伸和弯曲强度为约束条件优化了缝合工艺; 采用摄影显微镜对分层断裂面进行了观察, 分析和考察了缝合对其它性能的影响.结果表明 改进的插入型夹具可方便地完成缝合层合板的I型层间断裂韧性测试; 缝合后裂纹不连续扩展, 缝合密度对裂纹扩展行为有较大影响; 随着缝合密度的增大, 层间断裂韧性值增大, 但拉伸和弯曲强度降低, 缝合密度存在最佳值.     

铺层方向和裂纹混合比对复合材料层压板混合型断裂韧性影响的试验研究

试验研究了复合材料层压板的铺层方向以及裂纹混合比对层间裂纹分层扩展的影响规律。试验结果显示: 在非0°单向板的 Ⅰ 型层间裂纹分层扩展过程中, 会出现层间裂纹穿过分层开裂面的铺层而偏离到相邻铺层间扩展的现象, 而0°铺层具有阻止该裂纹偏离扩展的作用; 在不同裂纹混合比的层压板分层开裂试验中, 相应的0°单向板的断裂韧性均可以作为下限值而偏安全; 混合断裂韧性( Ⅰ 型断裂韧性+ Ⅱ 型断裂韧性)随着裂纹混合比的变化呈现类似正弦曲线的变化规律。      

复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性

本文采用铰链式双悬臂梁试件对碳/双马来酰亚胺复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究,分析比较了层间断裂韧性G_IC的表达方法,用三次多项式和幂函数拟合实验柔度的方法得到的结果比较满意,实验结果表明纤维桥连对单向层合板的G_IC的影响是显着的,用刀片切割桥连纤维后G_IC值下降百分之二十,分散性也有显着下降。另外发现G_IC值随试件厚度增加而增大。      

缝合复合材料II型层间断裂特性研究

分别采用测量ENF试样加载点位移与测量其端部剪切位移CSD(Crack Shear Displacement)的试验方法,研究了缝合复合材料层合板的II型层间断裂韧性以及缝合密度,缝合线的直径等缝合参数对于缝合复合材料层合板II型层间断裂韧性和分层模式的影响。结果表明,缝合降低了层合板初始分层韧性G_IIi,但对于分层的扩展有良好的抑制作用。缝合参数对此有较大影响。      

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。      

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...