碳纤维复合材料假脚冲击后的疲劳试验

针对一种新型结构的碳纤维复合材料假脚,开展了自由落体冲击试验及冲击后疲劳寿命试验,分析了不同铺层参数、不同冲击能量等因素对其冲击损伤及疲劳寿命的影响规律。结果表明,不同铺层参数对碳纤维复合材料假脚U形结构件的冲击损伤具有显著影响,且随着0°铺层含量的降低,试件的冲击损伤面积增加,外观损伤越来越严重;碳纤维复合材料结构件的疲劳性能对冲击能量比较敏感,随着冲击能量的增加,碳纤维结构件的冲击损伤面积明显增大,其疲劳寿命逐渐降低。在冲击能量从4J增加到10J的情况下,碳纤维复合材料假脚的疲劳寿命大幅度降低了66.8%;尽管随着冲击能量的增加,试件的疲劳寿命逐渐降低,但二者之间并不符合线性关系,即冲击能量存在一门槛值,当冲击能量超过该门槛值后,其对碳纤维结构件疲劳寿命的影响将减弱;仅当碳纤维复合材料假脚的后龙骨厚度为2.7mm,且冲击能量≤4J的情况下,其疲劳寿命才可较好地满足相关安全标准的要求。     

碳纤维复合材料假脚工艺参数对其冲击后疲劳性能的影响

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚的冲击及冲击后疲劳破坏过程进行分析,研究了不同的复合材料体系、几何尺寸、纤维铺设方式等工艺参数对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层;复合材料体系的横向和法向拉伸强度以及剪切强度等参数越小,假脚的冲击损伤面积越大,所能承受的疲劳循环次数越低;随着后龙骨厚度的增加,基体开裂损伤面积越来越大,分层损伤面积略有减小,而纤维压缩损伤几乎没有变化。尽管随着后龙骨厚度的增加,假脚的疲劳循环次数逐渐增大,但是相对于厚度的增加量,疲劳循环次数的增加量相对较小;不同铺层参数对碳纤维复合材料假脚的冲击损伤模式几乎没有影响。适度增加0°铺层的含量,可有效提高碳纤维复合材料假脚的疲劳性能。     

复合材料层板低速冲击后疲劳性能实验研究

通过对T300/5405复合材料层板进行低速冲击后的压-压疲劳实验,研究含不同冲击损伤层板的压缩性能与其在多级应力水平下的疲劳寿命与损伤扩展,并讨论冲击能量、应力水平、损伤扩展对层板疲劳寿命的影响。结果表明:冲击损伤明显降低层板的剩余强度;在低应水平下,冲击能量越大,含冲击损伤层板的疲劳寿命越小;疲劳实验中损伤经历平稳扩展和快速扩展两个阶段,其中平稳扩展阶段约占总体寿命的80%,快速扩展阶段约占总体寿命的20%,损伤扩展速率随着应力水平降低而减小。     

碳纤维复合材料层压板低速冲击损伤性能分析

碳纤维(Carbon fiber,CF)增强环氧树脂(Epoxy resin,EP)基复合材料因其优异的抗冲击性而被广泛应用在飞机结构件。考虑到飞机在飞行过程中部分结构会遭受多次冲击的工况,设计CF/EP复合材料层合板的多次冲击及冲击后压缩试验。通过对多次冲击的力学响应曲线分析及内部损伤图观测,得到不同冲击载荷对复合材料多次冲击的力学性能影响及多次冲击过程中的主要损伤机制和损伤传播模式。在此基础上,对冲击后的剩余压缩强度及失效形貌进行了分析,得到了CF/EP复合材料层合板在冲击后的损伤容限及失效模式。结果表明：冲击次数的提高将导致复合材料的吸能性下降,抗冲击性下降。在多次冲击过程中,复合材料层合板的损伤模式为自下而上。此外,随冲击能级变化,复合材料在冲击后压缩过程中的主要损伤模式有所变化。     

碳纤维/环氧树脂复合材料高速冲击性能

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料,通过空气炮冲击实验研究树脂韧性和碳纤维类型对复合材料抗高速冲击性能的影响,并对高速冲击后的试样进行压缩性能测试,研究高速冲击损伤对复合材料剩余压缩性能的影响。结果表明:树脂的韧性可以降低复合材料遭受高速冲击时的内部损伤程度,大幅提高复合材料的抗高速冲击性能和冲击后剩余压缩性能;T700S碳纤维增强复合材料抗高速冲击性能优于T800H碳纤维增强复合材料;复合材料的破坏模式与冲击速率有关,冲击速率较低时,复合材料弹击面出现圆形凹坑,背弹面出现鼓包;冲击速率较高时,复合材料弹击面出现圆形通孔,背弹面出现沿纤维方向撕裂断口。     

吸湿后碳纤维复合材料正交层板拉伸疲劳性能

湿环境下复合材料疲劳性能会严重退化,影响结构的使用安全,在确定复合材料结构寿命时须考虑湿环境的影响.对常温下湿态和干态下碳纤维复合材料正交层合板的拉伸疲劳性能进行实验,研究饱和吸湿对正交层合板拉伸疲劳性能的影响,获得了两种环境下层合板的S-N曲线.在此基础上,建立有限元模型,并对吸湿后正交层合板的疲劳寿命和损伤演化情况进行预测,计算结果与实验结构吻合较好,证明了模型的有效性.结果表明,饱和吸湿对正交层合板的拉伸疲劳性能影响很大.吸湿后正交层合板的拉伸疲劳寿命明显低于干态情况,而且S-N曲线的斜率稍低,层合板的纤维损伤起始与扩展情况与干态情况也有较大差别.     

电热作用对碳纤维增强树脂基复合材料层板冲击性能的影响

针对航空结构用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层板结构在低电流(安培级)作用下对其冲击性能和吸能特性的影响进行研究。结果表明,电热作用使得CFRP层板的温度迅速升高,随着电流强度增加,电热作用产生的焦耳热显著增加;同时,CFRP层板的电阻率随电流强度增大而降低,呈现出温敏效应。在相同冲击能量下,随着加载电流强度增加,CFRP层板的冲击响应完全不同,临界损伤冲击应力和最大冲击应力随加载电流强度增大而减小,且下降幅度随之增大;随着加载电流强度增加,CFRP层板对冲击能量吸收显著增加。冲击损伤分析可知,在相同冲击能量下,CFRP层板的冲击损伤面积随着电流强度增加而增大,损伤程度越严重,失效机制由基体裂纹、微小分层转变为大量纤维断裂、基体破碎等,即冲击损伤模式由微弱的冲击损伤转变为可见的冲击损伤;冲击凹坑深度也随着电流强度增加而显著加深,冲击凹坑回弹率也显著降低。     

电热作用对碳纤维增强树脂基复合材料层板冲击性能的影响EI

针对航空结构用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层板结构在低电流(安培级)作用下对其冲击性能和吸能特性的影响进行研究。结果表明,电热作用使得CFRP层板的温度迅速升高,随着电流强度增加,电热作用产生的焦耳热显著增加;同时,CFRP层板的电阻率随电流强度增大而降低,呈现出温敏效应。在相同冲击能量下,随着加载电流强度增加,CFRP层板的冲击响应完全不同,临界损伤冲击应力和最大冲击应力随加载电流强度增大而减小,且下降幅度随之增大;随着加载电流强度增加,CFRP层板对冲击能量吸收显著增加。冲击损伤分析可知,在相同冲击能量下,CFRP层板的冲击损伤面积随着电流强度增加而增大,损伤程度越严重,失效机制由基体裂纹、微小分层转变为大量纤维断裂、基体破碎等,即冲击损伤模式由微弱的冲击损伤转变为可见的冲击损伤;冲击凹坑深度也随着电流强度增加而显著加深,冲击凹坑回弹率也显著降低。     

电热载荷对修补碳纤维增强复合材料冲击后压缩性能的影响

为了研究碳纤维复合材料(CFRP)修补结构在电热载荷环境下的冲击性能,采用自制的电热损伤测试平台,测试了修补后CFRP层板在不同电流下试样的表面温度分布和电阻变化规律,对修补后CFRP层板进行了低速冲击和冲击后剩余压缩强度(CAI)测试,并对冲击损伤失效特征进行了对比分析。结果表明:低电流对修补后CFRP层板的抗冲击性能影响较小,CAI呈现略微增长的趋势;随着电流强度的增加,电热产生的高温对修补界面层产生破坏,导致材料抗冲击性能减弱,CAI明显降低。     

预氧化Cf/SiC陶瓷基复合材料及其构件的抗疲劳特性研究

采用在线销钉集成技术实现了二维C_f/SiC复杂构件的近尺寸成型,并考察预氧化C_f/SiC销钉集成构件的高周疲劳寿命及破坏模式。实验结果表明:C_f/SiC构件在不同激振加速度条件下均表现为由销钉断裂所引起的整体分层破坏,层板连接处为C_f/SiC构件的振动疲劳薄弱部位。通过ANSYS振动应力分析和微观组织分析可以推论出,疲劳试验时,裂纹容易沿着层板间的基体扩展,在基体开裂失效后,全部应力施加于销钉处,最终在疲劳应力作用下销钉发生断裂,导致构件整体分层破坏。     

复合材料汽车轮毂的成型工艺及性能研究

研究了不同冲击方向下复合材料的冲击力学性能,设计不同纤维布料裁剪方式并分析原材料的使用率,设计易于铺层操作以及产品脱模的三片式模具,优化热压罐成型工艺,并进行了车轮冲击测试。结果表明,冲击测试时的冲击方向对复合材料的冲击性能有较大影响,相较于垂直于铺层方向的冲击性能,冲击方向平行于铺层方向的复合材料冲击性能更高,产品铺层中应根据冲击工况进行优化铺层设计;采用合适的裁剪结构设计提高了操作便利性,并且使材料利用率达到83.8%,大大节约了材料成本;采用优化热压罐成型工艺制备的复合材料轮毂在冲击静载荷为600 kg的13°冲击测试中未出现断裂情况,满足汽车车轮冲击测试的装车要求。     

C_f/PMMA-PMA复合材料疲劳行为及生物活性

以甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸甲酯(MA)为起始原料,过硫酸钾(KPS)为引发剂,1.5 wt%聚丙烯腈基碳纤维为增强相,采用悬浮聚合的方法,制备了碳纤维增强PMMA-PMA基复合材料(Cf/PMMA-PMA)。研究了疲劳周期对Cf/PMMA-PMA复合材料抗弯强度的影响及其生物活性。采用X射线衍射分析(XRD)对复合材料的结构进行了表征,应用万能材料试验机测试了复合材料的抗弯强度,并利用扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的断面显微形貌进行了分析。结果表明,在0~5000次的循环次数内,复合材料的抗弯强度没有显著变化,试样表面的受力处也没有出现裂纹等现象。随复合材料在模拟体液(SBF)中浸泡时间的延长,复合材料表面沉积的羟基磷灰石(HA)颗粒增多,说明复合材料具有良好的生物活性。此外,SBF的浸泡对Cf/PMMA-PMA复合材料的力学性能几乎没有影响。     

(Al2O3)f/Al复合材料在强界面结合下的疲劳损伤模式

在拉-拉载荷下测定了(Al₂O₃)_f/Al复合材料的疲劳寿命(S-N)曲线。通过夭折试验以及SEM疲劳断口和纵截面组织结构分析,研究了复合材料的疲劳损伤模式。研究结果表明,(Al₂O₃)_f/Al复合材料的疲劳极限为750MPa,远高于SCS-6碳化硅纤维增强钛基复合材料。该复合材料兼有钛基和树脂基纤维复合材料疲劳损伤的特点,高应力下由单个裂纹的起源和生长导致复合材料的失效;低应力下,疲劳损伤模式包括纤维劈裂、众多基体裂纹和单个基体裂纹的横向扩展。其中纤维劈裂是主控机制。其更高的疲劳极限可归因于低应力下纤维的纵向劈裂。     

复合材料层合板冲击后压-压疲劳寿命预测方法

针对冲击后复合材料层合板, 发展了含冲击初始损伤层合板的压-压疲劳寿命预测方法。该方法基于无损单向板的力学性能和疲劳特性, 对不同铺层参数、 不同几何尺寸以及不同冲击条件下层合板的疲劳寿命进行预测。为消除人为假设冲击损伤造成的误差, 对层合板在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏进行全程分析, 即把冲击后层合板的实际损伤状态直接作为疲劳分析的初始状态。同时基于逐渐损伤思想, 推导了含冲击初始损伤层合板的应力分析过程, 建立了相应的三维逐渐累积损伤模型, 开发了参数化的复合材料层合结构冲击及冲击后疲劳破坏模拟程序, 为复合材料层合结构的抗冲击设计及其疲劳损伤扩展行为研究提供了较好的技术平台。      

高导热C/C复合材料的研究进展

综述了高导热C/C复合材料的研究现状及进展.从C/C复合材料的导热机理出发,分析了C/C复合材料的热物理性能以及影响其导热性能的因素.介绍了不同类型碳纤维、基体炭的导热性能,以及高导热C/C复合材料的制备及改性.     

Cf/SiC制备过程中纤维热应力损伤研究

采用束丝碳纤维和聚碳硅烷先驱体浸渍裂解工艺制成C_f/SiC丝束,并进行了分析表征,研究了其中的纤维受损情况。实验结果表明,由于先驱体聚碳硅烷在浸渍裂解时倾向于以纤维为依托进行热解,并且其中较多量的氧及杂质的存在将对纤维造成损伤,因而会形成较强的纤维基体界面;纤维基体热膨胀系数失配等因素造成的热应力将使纤维进一步受损。      

三维五向编织复合材料低速冲击损伤区域的量化表征

低速冲击损伤区域的可视化和量化表征对提高三维编织复合材料构件可靠性和承载效率极具意义。以三维五向编织复合材料为研究对象,使用落锤冲击仪对20°和40°编织试样开展了100 J低速冲击试验。在此基础上,利用Micro-CT对内部损伤区域进行了图像采集,并建立了基于阈值的整体损伤自动提取方法。之后,沿面内两个方向将损伤分别分割8部分获取了各截面的正面凹坑深度、背面凸起高度、损伤扩展长度、损伤面积和损伤体积等数据,并进行了三维统计分析。结果表明,损伤沿着冲击中心向四周拓展并呈现对称性,主要损伤分布依次是纤维损伤、基体损伤和界面脱粘。同时,20°编织试样比40°编织试样损伤更严重,且沿着轴纱方向,两种编织角试样的损伤扩展值更大。其中, 20°样品轴向损伤扩展长度和损伤堆叠面积分别可达50.481 mm和437.039 mm²,均远超过对应横向的23.582 mm和104.004 mm²。