含环氧-SiC复合微/纳米纤维的层合板制备及其力学性能

应用同轴静电纺丝技术制备环氧包覆纳米SiC 复合微/ 纳米纤维, 将该复合微/ 纳米纤维收集成无纺布薄膜引入层合板层间界面并固化成型, 研究其对层合板力学性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM) 和透射电子显微镜( TEM) 分析了微/ 纳米纤维的形貌和结构, 并测试了微/ 纳米纤维薄膜的拉伸性能。应用三点弯曲、短梁剪切和简支式冲击实验测定了层合板的弯曲性能、层间剪切强度和冲击韧性。结果表明, 一定厚度及一定SiC 含量的微/ 纳米纤维无纺布薄膜对层合板的力学性能无显著影响。      

MWCNTs对碳纤维非褶皱无纺布/环氧层合板力学性能的影响

将羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)添加到TDE85环氧树脂中,然后与碳纤维非褶皱无纺布(C-NCF)复合,制备成[0°/90°/+45°/-45°]_S层合板。采用三点弯曲、短梁剪切和单边切口弯曲测试方法以及动态力学性能分析方法,研究了不同含量的MWCNTs对层合板弯曲性能、层间剪切强度(ILSS)、Ⅱ型层间断裂韧性(G_ⅡC,以及玻璃态转变温度(T_g)的影响。并采用SEM对Ⅱ型试样的断面进行分析。结果表明,MWCNTs的加入显著提高了NCF层合板的力学性能。与空白试样相比,当MWCNTs在树脂中的质量分数为2.0%时,弯曲强度和模量分别提高了约26%和6%;当MWCNTs的质量分数为0.5%时,ILSS、G_ⅡC、T_g分别提高约14%、27%和14%。     

层间环氧纳米纤维薄膜对层合板力学性能的影响

应用静电纺丝技术制备环氧纳米纤维, 将收集的纳米纤维无纺布薄膜插入层合板的层间界面并固化成型, 研究其对层合板力学性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM) 和透射电子显微镜( TEM) 分析了纳米纤维的形貌和尺寸, 并测试了纳米纤维薄膜的拉伸性能; 应用三点弯曲和短梁剪切方法测试了层合板的力学性能。结果表明, 一定厚度的纳米纤维无纺布薄膜对层合板的力学性能无显著影响。因此, 应用该方法可以制备一种新型的功能复合材料。      

无纺布插层共固化双马树脂基复合材料的力学和阻尼性能

利用尼龙无纺布(PNF)和芳纶无纺布(ANF)为插层材料,采用共固化工艺制备了结构阻尼复合材料。利用动态力学分析仪测试并分析了复合材料的损耗因子和储能模量等动态力学指标;通过弯曲实验和短梁剪切实验评价其静态力学性能。此外,通过单悬臂梁强迫共振实验和自由振动衰减实验研究了复合材料层合板的共振频率和损耗因子。结果表明,添加2种无纺布能够与基体树脂在层间形成非反应双连续的相结构,插入ANF的[0°]16铺层复合材料归一化的弯曲强度和模量比空白样品提高了约10%,[±45°]4s铺层复合材料的弯曲强度提高约50%,且均高于插入PNF的复合材料。此外,由于层间富树脂区的形成和界面数目的增加提高了共固化复合材料的阻尼性能,插入15层PNF的[0°]16铺层复合材料的损耗因子达到0.0026,比空白样品提高了约116.7%,[±45°]4s铺层复合材料的损耗因子达到0.0064,比空白样品提高了约14.3%。     

玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂复合材料的层间增韧及其低温下低速冲击性能

采用真空辅助成型工艺(VARI)制备了四种无纺布(聚酰胺(PA)、聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、共聚酯(PEs))层间改性的玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂(GF/EVER)复合材料层合板.在温度为20℃下进行落锤冲击实验,对比分析了不同层间改性的GF/EVER复合材料层合板的低速冲击响应特性和...     

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。     

含碳纳米管的PEI纤维膜对环氧树脂力学性能的影响

采用高压静电纺丝法制备了含多壁碳纳米管(MWCNTs)的聚醚酰亚胺(PEI)纳米纤维取向薄膜, 用SEM和TEM观察其微观形貌。将PEI纳米纤维薄膜铺放于环氧树脂中, 通过实验测试其冲击和拉伸性能。结果表明, 含MWCNTs的PEI纳米纤维膜对环氧树脂具有良好的增韧效果。Ⅰ型层间断裂韧性(G_IC)测试表明, 用含质量分数3%活性碳纳米管(a-MWCNTs)的PEI纤维膜对T700碳纤维/环氧树脂复合材料进行层间增韧能够明显改善其层间断裂韧性。     

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.     

含碳纳米管的PEI纤维膜对环氧树脂力学性能的影响

采用高压静电纺丝法制备了含多壁碳纳米管(MWCNTs)的聚醚酰亚胺(PEI)纳米纤维取向薄膜,用SEM和TEM观察其微观形貌.将PEI纳米纤维薄膜铺放于环氧树脂中,通过实验测试其冲击和拉伸性能.结果表明,含MWCNTs的PEI纳米纤维膜对环氧树脂具有良好的增韧效果.Ⅰ型层间断裂韧性(GIC)测试表明,用含质量分数3％活性碳纳米管(a-MWCNTs)的PEI纤维膜对T700碳纤维/环氧树脂复合材料进行层间增韧能够明显改善其层间断裂韧性.     

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。      

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。      

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。      

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。      

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。      

外突褶皱及其打磨处理对层合板压缩失效行为影响

评估打磨处理对含外突褶皱结构承载能力的影响，是开展复合材料制造质量评定与制定装配策略的重要依据。本文采用实验与数值模拟相结合的方法研究了外突褶皱及打磨处理对层合板压缩失效行为的影响。实验方面，借助数字图像DIC技术监测加载过程表面应变分布，采用电子显微相机捕捉损伤过程，分析试样的压缩承载行为和破坏模式。数值模拟方面，采用Hashin失效准则与内聚力方法构建高保真度含褶皱层合板层内/层间失效分析有限元模型，探讨含外突褶皱及打磨褶皱层合板的应力分布特征及失效机制并分析褶皱高度对层合板压缩强度影响。结果表明：外突褶皱降低层合板压缩承载能力，而打磨处理会进一步降低层合板的承载能力与刚度。本文所建立的数值模型与实验结果吻合较好。对于外突褶皱层合板，层合板向褶皱凸起一侧屈曲，褶皱上方发生分层损伤并向端部扩展，纤维损伤从褶皱下侧铺层波谷处向其他层扩展；对于打磨褶皱层合板，主层板向褶皱凸起的相反方向屈曲，首先在打磨断层处发生面外拱起分层损伤，随后褶皱上方纤维层发生拱起断裂，纤维损伤向其他层扩展。随外突褶皱高度的增加，含褶皱层合板及打磨褶皱层合板的压缩失效载荷均显著降低。以上研究可为含外突褶皱复合材料结...     

Z-pins对层合复合材料非对称分层增韧作用参数分析——Ⅰ型层间韧性

假设纤维Z-pins的桥联力与嵌入厚度成正比,建立适于非对称分层(分层位于层合板厚度方向上的任意位置)的Z-pin细观力学模型并构造相应的Z-pin单元,结合考虑一阶剪切变形的梁单元,建立了用于分析含浅部分层采用Z-pins增韧的双悬臂梁(Double cantilever beam,DCB)有限元模型,并在分层裂纹面上引入接触单元以防止分析过程中2个分层子梁在分层前缘处的相互嵌入。通过数值算例分析了Z-pins对含非对称分层的DCB试件Ⅰ型层间韧性的增强作用。参数分析表明,当分层位置靠近层合板的表面时,Z-pins的增韧作用明显下降,其较薄分层子层的厚度是决定Z-pins对Ⅰ型层间韧性增强效果的关键参数。     

单向碳纤维增强树脂基复合材料的超低温力学性能

采用真空袋-热压罐工艺制备单向碳纤维增强树脂基复合材料(CFs/EP)层合板,并将高低温试验箱与万能试验机相结合,通过合理使用低温胶和低温引伸计,并在降温过程中实施应力-应变实时调零等关键技术,在室温和液氧超低温度(-183℃)下对单向CFs/EP层合板进行拉伸和弯曲试验,研究了其超低温力学性能,并根据室温和超低温试验后试样的微观和宏观特征,揭示了超低温环境下复合材料力学性能变化机制。结果表明,与室温力学性能相比,单向CFs/EP层合板超低温拉伸强度下降约为9.5%,而拉伸模量上升约为6.2%,主要是由于超低温环境下,树脂的收缩使绝大部分碳纤维与树脂间形成了强界面,拉伸后试样呈"劈裂式"破坏形式,无法使每根纤维都充分发挥其强度,拉伸强度下降,同时超低温也限制了树脂大分子链的运动,所以导致单向CFs/EP层合板拉伸模量上升;单向CFs/EP层合板超低温弯曲强度和弯曲模量分别提高约54.75%和11.64%,这是由于单向CFs/EP层合板的常温和超低温的弯曲破坏形式均为分层剪切破坏,超低温下复合材料的界面增强,提高了单向CFs/EP层合板抵抗剪切分层的能力,进而使CFs/EP的弯曲性能得到提高。     

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。      

褶皱缺陷影响L型层合板失效行为:实验和数值研究

通过实验和数值分析相结合的方法开展了褶皱缺陷对L型复合材料层合板承载能力和失效过程影响的研究。实验方面,通过“横条法”人为引入褶皱缺陷,制备了含两种缺陷大小的L型层合板,研究了其在弯曲载荷作用下的承载能力和损伤扩展形式,并与无缺陷L型层合板进行对比分析。数值分析方面,基于3D Hashin失效准则的渐进损伤失效模型, 研究其失效过程中应力分布特征和失效模式,探求褶皱缺陷对L型层合板失效行为的影响机制。实验结果表明,褶皱缺陷会显著降低曲梁的承载能力,并使分层损伤演化的空间扩展特征从无褶皱试样的逐层扩展转变为褶皱区域的聚集式扩展。数值预测与实验现象吻合,并共同表明褶皱处横向应力和面法线应力的集中是导致结构提前失效的主导因素,且褶皱区域的应力集中改变了损伤过程中应力逐层重分配的趋势,导致含褶皱试样呈现出聚集式扩展的破坏特征。该工作可扩展应用于含褶皱缺陷L型层合板的安全性能评估及损伤容限设计。      

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...