开孔三维编织复合材料的压缩性能

为研究机械开孔对三维编织复合材料压缩性能的影响,测试了2种三维编织复合材料试验件的压缩性能。1种为基本编织(100%编织纱)结构,另1种为含有编织纱/轴向纱(58/42)的结构,试验件编织角约为±12°。根据相关标准要求,分别进行有开孔和无开孔的复合材料试验件准静态压缩试验,并与层合板的压缩性能进行对比。研究结果表明:2种三维编织结构无缺陷材料的压缩强度较为接近,但引入开孔后,无增强纱结构可保留更高比列的压缩强度;引入开孔后,2种三维编织复合材料保留的压缩强度均高于层合板;在失效形式上,2种三维编织复合材料的宏观失效形式较为相似,均为剪切失效,表现出横向断裂且无分层现象。     

三维五向编织复合材料纤维束真实形态观测

为了对三维五向编织复合材料细观纤维束的真实形态进行描述,采用显微计算机断层扫描技术（Micro-CT）获得三维五向编织复合材料的内部结构切片图像。通过调节灰度差值保留复合材料中纤维束的真实挤压形态,进而利用多层截面堆积的方式提取纤维束的真实形态。在此基础上,利用图像处理技术成功提取纤维束的横截面形状,建立坐标系,计算每一个截面的面积、截面中心点位置、截面偏转角度等纤维束参数,并对其进行分析。结果表明：纤维束在空间中表面存在螺旋状纹路,不同位置的截面变形情况也会不同;编织纱截面形状为凸透镜形,在编织过程中截面形状基本不变;轴纱截面形状呈三角形和扇形过渡变化,在2h/8和6h/8处截面面积最大,4h/8处面积最小;编织纱截面积大小随着花节高度增加呈近正弦式变化,在4h/8处截面积最小,截面偏转角度也最小。研究结果可为后期建立精细化三维五向编织复合材料模型奠定基础。     

含轴纱三维编织复合材料的弹性模量

对包含有轴纱的三维编织复合材料的拉伸弹性模量和弯曲弹性模量进行了试验研究和理论分析。研究结果表明,引入合适比例的轴纱不但可以减少编织工作量,还可以提高构件的轴向受力性能;在交织纱和轴纱的比例分别为50/50和75/25时,材料的拉伸弹性模量和弯曲弹性模量达到最佳值。     

三维管状编织复合材料的弯曲性能研究

以1 200 tex的E型玻璃纤维为原料,采用3DB-J100-8型模块化组合三维编织平台制备三维四向、三维五向管状编织物;以E51环氧树脂、H023聚醚胺组成树脂基体,与上述编织物复合制成三维管状编织复合材料;利用Instron 3385H型万能材料试验机测试并观察材料的弯曲性能,研究编织结构、编织角等结构参数对三维管状编织复合材料弯曲性能的影响规律。结果表明:三维管状编织复合材料破坏特性均表现为明显的脆性破坏;三维五向管状编织复合材料的抗弯性能明显好于三维四向管状编织复合材料;三维管状编织复合材料的弯曲性能均随编织角的增大而增加。     

不同长度的三维四向编织复合材料T型梁模态性能研究

文章分别用实验和有限元模拟方法研究了碳纤维三维四向编织复合材料T型梁的模态性能,分析了悬臂梁自由端长度的变化对其固有频率的影响以及固有频率与阻尼性能的关系,并对比了实验和有限元模拟固有频率。结果表明:三维四向编织复合材料T型梁的固有频率随着其自由端长度的增加而降低;其固有频率和其阻尼性能没有明显的相关关系;模拟结果与实验结果相一致。     

热氧老化对三维四向编织碳/环氧复合材料压缩性能的影响

文章分别采用失重法、XPS分析法以及压缩性能测试,研究了三维四向编织碳/环氧复合材料以及环氧树脂浇注体在140℃下加速热老化168h、360h、720h、1200h以后的热氧老化规律和老化机理。结果表明:随着老化时间的延长,基体被氧化,发生了化学老化,单位面积失重和压缩强度保留率均随老化的进行而下降。     

基于桥联模型预报三维五向编织复合材料的刚度和强度

基于三维五向编织复合材料细观单胞模型,将材料内部、表面、棱角区域内具有相同走向的纤维束简化为单向复合材料,利用桥联模型,确定了单向复合材料的柔度矩阵,将具有不同材料主向的单向复合材料的刚度通过体积进行平均,得到了三维五向编织复合材料的总体刚度矩阵,进一步计算得到材料的工程弹性常数;以单向复合材料为基础,宏观上基于等应变假设,结合桥联模型,确定出材料内各组分(纤维束和基体)的细观应力分布,对纤维束采用Hoffman失效准则,基体采用Mises失效准则,预报了三维五向编织复合材料的拉伸强度。结果表明,三维五向编织复合材料的刚度和强度的预测值与实验值吻合较好,验证了本文分析模型的有效性。     

三维编织复合材料压缩损伤声发射特性分析

论述了声发射技术在三维编织复合材料压缩过程中的应用及实验方法,给出了声发射在三维编织复合材料中压缩过程的特征。结果表明,声发射参数可描述复合材料在不同情况下内部变形的损伤机制。表面编织角是影响三维编织复合材料力学性能的主要参数,编织角小于30°,三维编织复合材料具有较好的压缩性能;编织角大于40°,三维编织复合材料压缩力学性能明显降低。为分析复合材料的力学性能,改善材料复合工艺提供理论基础。     

异制件用三维编织复合材料的拉伸性能

通过对具有不同减纱结构参数的三维编织复合材料试件做纵向拉伸实验,分析了该类材料的拉伸性能随编织工艺参数的变化规律以及材料的失效形式。结果表明,纤维体积含量相同时,减纱使复合材料的强度有所降低,初始模量变化不大;减纱点缺陷对复合材料拉伸性能影响较小,试件断裂断面位置具有随机性;如出现一段纱线空缺对性能影响较大,试件大都在减纱截面断裂;如必须减纱才能完成制件的外形尺寸,应使减纱点在整个制件内均匀分布,每个截面的减纱数量不超过总数的10%。     

二维二轴编织铺层复合材料压缩性能的研究

利用二维编织机,设计编织用芯模尺寸,编织成不同层数的编织铺层复合材料。讨论多层碳纤维/环氧树脂编织铺层复合材料的压缩性能,并分析不同层数、不同编织角的编织铺层复合材料的平均压缩模量的变化规律及压缩破坏模式。结果表明,随着层数的增加,编织铺层复合材料的平均压缩模量呈下降趋势;在同一块编织铺层复合材料板内,编织角影响编织铺层复合材料的平均压缩模量,其随编织角增大而减小;编织铺层复合材料的压缩破坏模式主要是分层现象较明显,其次是树脂剥离、碳纤维脆断。     

碳/芳纶混编三维编织复合材料拉伸性能

为分析三维编织复合材料拉伸性能和失效机制,分别以碳纤维和芳纶纤维为轴纱和编织纱织造了三维五向、三维六向碳/芳纶混编复合材料。采用数字图像相关法采集试样在单轴拉伸过程中表面全场应变信息得到的泊松比。结果表明：三维编织复合材料泊松比受编织结构的影响较大,同种编织结构下,碳纤维为轴纱的复合材料基本保持了碳纤维三维编织复合材料的拉伸强度和模量,同时提高了断裂伸长率;芳纶纤维为轴纱的复合材料则显著提高了断裂伸长率,但拉伸强度和模量损失较为明显;同种混编方式下,三维五向编织复合材料的拉伸强度和拉伸模量较三维六向高,断裂伸长率无明显差异。编织纱分别为碳纤维和芳纶纤维的三维编织复合材料高应变区分别类似点阵分布和波浪线分布,三维五向和三维六向编织复合材料高应变区分别呈均匀分散分布和横向分布。     

三维编织复合材料T型梁的低温场弯曲性能

为研究三维编织复合材料T型梁低温环境下的弯曲力学性能,以指导耐低温抗弯曲三维编织复合材料结构设计,采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备不同筋高高度三维编织复合材料T型梁,自制低温环境箱,与MTS 810.23型材料测试系统相结合测试三维编织复合材料T型梁在不同低温下的弯曲力学性能。结果表明:随测试温度的降低,三维编织复合材料T型梁载荷增加,位移增大,能量吸收增加;随筋高高度的增加,三维编织复合材料T型梁载荷增加,位移减小,能量吸收增加,抗弯刚度增强;三维编织复合材料T型梁由较高温度下不同程度的屈服断裂转变为低温下的脆性断裂,随着筋高高度增加,失效模式由弯曲失效转变为剪切失效。     

含变异结构的三维机织复合材料的轴向拉伸性能

为克服加纱或减纱造成三维机织预制体交织结构的局部变异,进而对复合材料的力学性能产生一定的影响,采用加纱和减纱相结合的方法分别制备了4种三维机织石英纤维树脂基复合材料,结合拓扑方法建立了加减纱区域的路径,利用数字图像相关技术研究了拉伸过程中全场纵向应变变化。结果表明:引入加、减纱变异结构试样的拉伸强度和拉伸模量的保留率分别大于93.0%和88.0%,断裂伸长率无明显差异,且与未引入加、减纱试样在拉伸过程中的力学响应规律、断裂失效模式基本一致;应变云图表明损伤起始于交织点,引入加减纱的试样其高应变集中在加减纱“点”处,同时存在富树脂低应变区域与之对应。     

三维六向编织SiCf/SiC复合材料的力学行为及其损伤机制

为解决陶瓷基复合材料在服役过程中因拉伸和弯曲导致的失效问题,以三维六向编织SiC_f/SiC复合材料为研究对象,分析了受力过程中复合材料力学行为与纤维及结构的联系机制。采用微计算机断层扫描技术获得材料结构及孔隙的三维图像,对复合材料纵向和横向进行拉伸、弯曲性能测试,并阐明其损伤机制。结果表明:复合材料呈现明显的各向异性特性,纵向拉伸强度和弯曲强度分别是横向的10.37、5.06倍;复合材料不同方向受力的损伤模式不同,拉伸载荷下纵向试样裂纹沿着六向纱呈Z字形扩展,而横向试样裂纹沿着编织轴向扩展,最终导致拉伸破坏;弯曲载荷下裂纹沿着厚度方向扩展,并最终导致纵向及横向试样的韧性断裂,且纵向韧性优于横向。     

二步法三维编织物仿真模型

为给二步法编织物的微观结构和相关力学性能分析提供基础模型,以二步法矩形三维编织物为例,在分析编织运动规律和纱线屈曲形态的基础上,将数学计算与图解法相结合,寻找编织物内交叉2根纱线间距离最小处.以压紧状态下交叉2根纱线相互接触却不相互干涉为条件,确定了编织物最小节长.以纱线在编织物内部呈直线、在编织物表面呈椭圆弧为中心路...     

光纤布拉格光栅在复合材料连续状态健康监测中的应用

为实现三维编织复合材料状态健康连续监测,根据三维编织复合材料的编织工艺,将光纤布拉格光栅(FBG)传感器嵌入到复合材料制件中,分析拉伸承载下的制件内部应变与FBG传感器信号变化的关系.实验结果表明,FBG传感器信号与制件应变具有较好的线性关系,复合材料的表面编织角对FBG的信号具有一定影响,嵌入FBG传感器对复合材料的...     

形状记忆复合编织圆管的制备及其热致回复性能

为分析编织角、回复温度对形状记忆编织圆管力学性能与形状回复性能的影响,采用改进的双螺杆挤出工艺制备连续碳纤维/形状记忆聚氨酯复合长丝,通过二维编织技术制备得到编织角为15°、30°、45°、60°、75°的圆管,对比分析了其径向支撑力和形状回复率。结果表明：制备的复合长丝中连续碳纤维被形状记忆聚氨酯均匀包覆,且基本位于复合长丝中心位置;编织圆管的径向支撑力与编织角大小成正比关系,编织角为45°时圆管的形状回复率最高,编织角度越接近45°形状回复率越高;回复温度对形状记忆性能有一定的影响,回复温度越高圆管的回复速率越快,形状回复率越大;该圆管结构具有优异的形状回复率,最高可达96%。     

嵌入碳纳米线的三维编织复合材料损伤监测

为实现对三维编织复合材料制件损伤情况进行实时监测,提出了通过三维五向四步法在三维编织复合材料中嵌入碳纳米线传感器的方法,由于碳纳米线传感与碳纤维具有相似性,因此碳纳米线嵌入三维编织复合材料制件的对其承载性能几乎没有影响。通过三点弯曲实验分析了碳纳米线在三维编织复合材料制件遭受外界应力时其电阻变化率与应力应变的相关性。实验结果说明显示其相关性为指数拟合关系,因此,三维编织复合材料的损伤状况可通过嵌入其中的碳纳米线传感器的电阻变化率与制件所承载的应力应变函数映射关系来进行实时监测。