基于纤维束增强树脂基复合材料测试的单向层合板层间剪切性能的预估方法

纤维束增强树脂基复合材料（FBC）及其单向层合板在标准Iosipescu剪切实验中表现出非常相似的破坏特征,然而测量得到的剪切强度却有明显差异。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了3种FBC和单向层合板,对FBC剪切强度和单向层合板层间剪切强度进行了测量与分析。应用界面单元方法分析了纤维束与基体之间的界面应力场,发现FBC剪切试件中纤维束/基体界面附近的应力状态为拉剪耦合,而单向层合板中界面处于纯剪切应力状态,这一差异导致FBC剪切实验测量的强度低于单向层合板的剪切强度。本文基于Yamada-Sun强度理论建立了FBC剪切强度与单向层合板剪切强度之间的关系模型,应用该模型预测的单向层合板剪切强度与实测强度之间达到良好的一致性,相对偏差为10%左右。根据本文提出的方法,通过制样较简单的FBC试验能够预测和评估相应单向层合板的层间剪切性能。     

UHPC与混凝土基体间界面剪切强度的影响因素

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)具备优异的力学与抗渗性能,在混凝土结构补强加固工程中有着广阔的应用前景,如何提高UHPC与既有基体间的粘结性能成为土木工程领域普遍关心的重要课题。本文利用标准养护条件制备的试件开展试验研究,首先研究了UHPC水胶比与混凝土基体初始含水饱和度对二者间界面剪切强度的影响规律。此外,选取特定配合比的UHPC,研究了其与不同饱和度混凝土间界面剪切强度随龄期的演化规律。向UHPC中掺入预湿轻骨料以实现内养护,考虑UHPC中轻骨料取代率、混凝土基体含水饱和度的影响,研究了不同龄期养护后轻骨料UHPC与混凝土基体间界面剪切强度的演化规律。利用扫描电镜技术观测了UHPC与混凝土间界面的微结构。结果表明：(1)对于未掺轻骨料的UHPC：不论水胶比如何变化,其与饱水基体间的界面剪切强度最高,而与干燥基体间的界面剪切强度最低;其与干燥基体间的界面剪切强度随水胶比的升高而降低,与预湿基体间的界面剪切强度随水胶比的升高而先增长后降低。(2)水胶比为0.154的UHPC与不同饱和度基体间28 d时的界面剪切强度均较7 d时显著增长;90 d时,其仅与50%饱和度基体间的界面剪切强度进一步显著增长。(3)低轻骨料取代率能够提高UHPC与干燥基体间7 d时的界面剪切强度,而高轻骨料取代率能够显著提高UHPC与干燥基体间28 d和90 d时的界面剪切强度;28 d和90 d时,轻骨料UHPC与50%饱和度基体间的界面剪切强度显著高于干燥基体;7 d时,不同轻骨料取代率的UHPC与饱水基体间便可形成一定的界面剪切强度,且该强度在28 d和90 d时均进一步增长。

     

单向EMC层合板折叠变形时面内/面外屈曲形式的判据

形状记忆聚合物复合材料(Elastic Memory Composite,EMC)是一种新型功能材料,具有高极限应变、高比刚度和低密度等优点,在未来空间展开技术中极具应用潜力。在热激活温度下,EMC层合板基体呈现高弹态,其剪切模量极低,不能提供对纤维的有效约束。在该状态下,层合板承受弯曲载荷作用时,压缩区的纤维能够通过微屈曲实现较大折叠变形。该文依据极小势能原理分别计算其发生面内和面外屈曲各自所产生的总势能极小值,而实际发生的纤维屈曲形式应是极小总势能值相对较小的那一种,从而确定其最终屈曲模式。经实例验证,理论结果与实验结果相符。     

树脂基体对导电胶拉伸剪切强度影响分析

以不同环氧官能团数量的环氧树脂和不同添加量的固化剂为原料制备了导电胶,通过红外光谱、扫描电子显微镜等手段测试其结构和性能。结果表明,拉伸剪切强度随环氧官能团数目的增加而降低,其中双官能团的环氧树脂DER331所对应的树脂基体和导电胶的拉伸剪切强度最大,树脂基体为31MPa,导电胶为9MPa;随固化剂添加量的增加而增加,当环氧树脂和固化剂质量比为25∶7时,树脂基体为32MPa,导电胶为10MPa;与树脂基体的固化收缩率呈反比关系。     

试验夹具对定向有机玻璃层间剪切强度的影响EI北大核心

研究了定向有机玻璃层间剪切强度试验中试验夹具的自动对中装置、夹持方式、后挡块高度等因素对剪切强度的影响。结果表明,采用有自动对中装置、弹簧螺栓共同定位、高背后挡块的试验夹具,能够真实地反映定向有机玻璃的层间剪切破坏。     

基于纤维束/环氧树脂复合材料试验的单向层合板横向拉伸强度预测方法

实验研究表明,纤维束/环氧树脂复合材料试件的横向拉伸强度与工程上常用的单向层合板横向拉伸强度在趋势上具有很好的相关性,但是数值上存在一定差距。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了三种纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板,并分别测量了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度,以及环氧基体的拉伸强度。在实验基础上,应用Griffith断裂强度理论建立了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度的关系模型,通过两种复合材料实验的结果拟合了该模型中的参数。利用第三种复合材料实验进行校验,发现该模型预测的单向层合板横向拉伸强度与实测强度之间达到很好的一致性,相对偏差为9%。采用本文提出的方法,可以用较为简单的纤维束/环氧树脂复合材料和环氧基体拉伸试验预测单向层合板的横向拉伸强度。     

基于应变能耗散的复合材料层合板面内缺口强度分析CDM模型

基于伴随能量释放的渐进损伤演化思想,建立了复合材料层合板面内失效分析的连续介质损伤力学（CDM）分析模型,该模型包含损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3个方面。基于CDM模型,通过引入损伤状态变量表征损伤,建立了平面应力状态下的材料损伤本构模型。采用损伤参量 f_E改写Hashin准则,以判定损伤的起始。损伤演化由特征长度内的应变能释放密度控制,建立了损伤状态变量关于等效应变的渐进损伤演化法则。模型中还同时考虑了面内剪切非线性和网格敏感性,并进行了对比分析。对含缺口的[90/0/±45]_3s和[（±θ）₄]_s 2类典型复合材料层合板的面内拉伸失效进行了分析,结果表明,本文中的模型能有效预测复合材料层合板的面内拉伸强度。     

双马体系对T—50／酚醛环氧复合材料层间剪切强度的影响

本文研究了在酚醛环氧树脂基体中加入的不同双马为酰亚胺树脂及其添加剂量和固化工艺条件对Ｔ－５０／酚醛环氧复合材料层间剪切强度（ＩＬＳＳ）的影响。采用ＳＥＭ分析了复合材料剪切口形貌。结果表明，改性双马来酰亚胺树脂的加入可以使复合材料的ＩＬＳＳ值提高１０％以上。     

制备工艺对单向连续碳纤维增强聚醚砜复合材料层间结合强度的影响

采用溶液浸渍和热压成型制备了以聚醚酚为基体的单向连续碳纤维增强复合材料,研究了不同树脂浓度和热压工艺参数下复合材料的层间剪切强度。结果表明:成型温度高的复合材料具有较高的层间剪切强度,适当延长保温时间能够大幅度提高复合材料的性能。扫描电镜和热重分析表明树脂基体与碳纤维之间结合紧密,不同树脂含量的复合材料在热压成型过程中,界面处有不同的作用机理。     

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。     

层合板强度分析的双增量法

本文提出了一种关于复合材料层合板强度分析的新方法——双增量法,并给出了双增量法的计算公式和编程方法。算例表明:双增量法不仅比单增量法具有更明确的物理意义,而且其计算结果更接近实测值。      

含面内波纹缺陷的复合材料层合板刚度性能

基于经典层合板理论（CLT）,并考虑面内波纹引起的拉伸-弯曲耦合作用,提出了含面内波纹缺陷的复合材料层合板刚度预测模型,定量研究了波纹比、纤维偏转角和波纹位置等面内波纹参数对其三维刚度性能的影响。结果表明：理论模型预测值与文献中的结果吻合较好;面内波纹对纵向弹性模量、横向弹性模量、面内剪切模量、主泊松比和面内弯曲刚度均产生了显著影响。该建模方法为研究波纹缺陷对复合材料力学性能影响提供了参考。     

双马体系对T－50／酚醛环氧复合材料层间剪切强度的影响

本文研究了在酚醛环氧树脂基体中加入的不同双马来酰亚胺树脂及其添加量和固化工艺条件对Ｔ－５０／酚醛环氧复合材料层间剪切强度（ＩＬＳＳ）的影响。采用ＳＥＭ分析了复合材料剪切断口形貌。结果表明，改性双马来酰亚胺树脂的加入可以使复合材料的ＩＬＳＳ值提高１０％以上。     

碳纤维表面物理结构对复合材料界面剪切强度的影响

以3种典型碳纤维为研究对象,通过碳纤维断面形貌的扫描电镜分析,采用Photoshop对纤维截面特征进行有效提取并由Matlab编写程序,获得了碳纤维表面沟槽深度、宽度、个数等参数的统计信息,据此进一步计算了圆形度、沟槽深宽比、表面不规整度以及沟槽密集程度等物理量,建立了碳纤维表面物理沟槽结构的定量表征方法。在此基础上研究了原丝制备过程中的凝固环境对碳纤维表面物理结构的影响,并发现:当凝固浴温度由25℃升高至45℃时,碳纤维表面的沟槽深度及宽度均会逐渐减小,深宽比降低,沟槽形状逐渐趋于平缓,同时碳纤维的表面不规整度减小了约7.5%,而沟槽密集程度增加了约50%。采用上述具有不同表面物理结构特征的碳纤维作增强体制备复合材料,微滴脱粘测试结果表明:碳纤维复合材料的界面剪切强度(IFSS)随纤维表面的沟槽尺寸、沟槽深宽比及表面不规整度的增大而逐渐提高。     

γ-射线辐照APMOC纤维对AFRP层间剪切强度的影响

采用γ-射线辐照方法对APMOC纤维进行改性处理．探索辐照条件对AFRP层间剪切强度（ILSS）的影响．结果表明,在低辐照剂量15－35kGy和高辐照剂量500kGy条件下,AFRP的ILSS的增加较大,辐照剂量率对ILSS影响不显著．     

复合材料层合板剪切稳定性试验及强度预测

对无损伤及含冲击损伤的复合材料层合板进行了剪切稳定性试验,基于数字图像相关方法 (Digital image correlation,DIC)对层合板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明：引入冲击损伤后,复合材料层合板剪切屈曲波形、屈曲载荷无明显变化,失效模式转变,承载能力下降了9.69%。随后,基于断裂面失效理论,建立了考虑剪切非线性效应的复合材料渐进损伤失效模型,并对复合材料层合板剪切失效过程进行了模拟。模型采用软化夹杂法将冲击损伤等效简化,直接将损伤区的几何边界信息写入材料模型中,不需要对冲击损伤区进行切割,从而保证了整体网格质量。与试验结果对比发现：模型考虑剪切非线性对屈曲载荷预测无明显影响,对后屈曲承载能力的预测精度影响较大,不考虑剪切非线性效应时的误差可达20%以上;软化夹杂法可以有效地模拟冲击损伤,预测的含冲击损伤的复合材料层合板的屈曲载荷、破坏载荷误差分别为-3.17%、-1.27%。     

聚合物基复合材料界面剪切强度的测试

用声发射技术确定纤维断裂的位置,从而决定纤维断裂段的长度分布。采用含有单纤维丝的聚合物基复合材枓试件,应用细观力学模型,根据纤维断裂段的长度,确定纤维和基体之间的界面剪切强度。这种方法适用于不透明的复合材料基体,有可能用来测定金属基和陶瓷基复合材料的界面剪切强度。     

基于纤维正交单元层合板面内零膨胀的模型优化分析

基于经典层合板理论,推导出纤维正交单元复合材料层合板面内两个方向热膨胀系数的计算表达式。从理论上分析了不同的纤维体积含量、环氧树脂种类对纤维增强复合材料层合板面内两个方向热膨胀系数的影响。分析结果表明,纤维正交单元层合板面内热膨胀系数与其铺层角度、铺层顺序、层数均无关;采用纤维方向有较大负热膨胀系数的纤维,并调节纤维的体积含量,可以得到面内近零膨胀的复合材料。