无机微纳米粒子改性对碳纤维复合材料力学性能的影响

为评价无机微/纳米粒子改性对碳纤维复合材料力学性能的影响,采用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺分别制备了[±45/0/90]_S铺层角度下纳米SiO_2、纳米Al_2O_3、微米SiO_2、微米Al_2O_3改性碳纤维环氧树脂基复合材料(CFRP)。对其横向拉伸、损伤阻抗及损伤容限性能进行测试,通过扫描电镜和水浸超声C扫描检测观察试件内部损伤状态,对比分析无机微/纳米粒子对复合材料的增韧机理。实验结果表明,相比未改性CFRP,无机微/纳米粒子改性CFRP的冲击损伤初始阈值能量显著提高,冲击损伤面积明显减小,纳米SiO_2改性碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP/NSI)试件的横向拉伸断裂模式由单一的脆性断裂转为韧性断裂,最大冲击载荷和低速冲击后压缩强度(CAI)值达到了3484 N,62.4 MPa,相比未改性CFRP分别提升了30.4%,48.2%。[±45/0/90]_S铺层角度下试件的冲击损伤形状为花生状,冲击后压缩破坏模式为穿过中间损伤区域的压缩破坏(LDM)。     

铺层方式对CFRP-铝合金单搭接胶接接头低速冲击损伤及剩余拉伸性能的影响

采用热压罐成型方法制备铺层方式为[+45/-45]_4s、[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s的碳纤维复合材料层合板,通过胶黏剂与铝合金板进行粘接获得异质材料单搭接胶接接头。利用落锤冲击试验机和万能电子试验机分别对三种接头进行低速冲击与冲击后静态拉伸测试,获得接头接触力-时间曲线和拉伸强度。通过CT扫描技术和数字图像相关(DIC)方法表征接头冲击损伤模式及表面应变演化过程,研究了铺层方式对接头抗冲击性能、冲击损伤模式以及剩余拉伸性能的影响。结果表明,复合材料铺层方式为[+45/-45]_4s时,接头在冲击载荷作用下具有较高的抗冲击性能,但胶层界面脱粘损伤较为严重。与胶层界面脱粘相比,接头剩余强度对层合板分层损伤更为敏感。相较于[+45/-45]_4s,[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s铺层方式接头的胶层界面脱粘范围与冲击后失效载荷退化程度较小,同时接头冲击后拉伸载荷主要集中于临近胶层的0°铺层且失效模式较为复杂...     

表面带金属层的复合材料层合板低速冲击数值模拟

使用Abaqus/Explicit建立表面带金属层的复合材料层合板和复合材料裸板低速冲击有限元模型,与已有文献对比验证结果的可靠性,研究结果对复合抗弹结构有很好的借鉴和参考价值.采用Johnson-Cook本构关系模拟铝合金和钛合金层的力学行为,选用Hashin准则对复合材料层内损伤进行失效判断,用二次应力准则来模拟粘结层Cohesive单元的层间失效.结果表明,相同铺层与冲击能量下,表面带铝合金层合板对内部纤维的保护性能优于表面带钛合金层合板,表面带钛合金层合板的抗冲击性能优于复合材料裸板;[§/0°/90°/0°/90°/0°]s铺层层合板的抗冲击性能优于[§/-45°/90°/0°/45°/-45°]s铺层层合板的抗冲击性能;在子弹刚冲破层合板与子弹完全离开层合板阶段,表面带铝合金层合板对子弹动能吸收率最大.     

基于断裂韧性预报复合材料层合板的开孔拉伸强度

开孔层合板的强度预报往往取决于孔边的临界长度,它不仅与材料性能,而且与铺层、孔径都有关。本文基于线弹性断裂力学,提出了一种预报对称铺层层合板开孔拉伸强度的新方法,只需提供正交层合板的断裂韧性和无缺口层合板的拉伸强度,显著降低对实验数据的依赖性。首先,将临界长度表作为层合板断裂韧性和无缺口拉伸强度的函数,再通过正交层合板[90/0]_8s的紧凑拉伸试验和虚拟裂纹闭合技术,确定出0°层断裂韧性,进而计算得到任意对称铺层层合板的断裂韧性。本文测试了T300/7901层合板[0/±45/90]_2s和[0/±30/±60/90]_s的开孔拉伸强度,孔径分别为3 mm、6 mm和9 mm。理论预报结果与试验值吻合较好,最大误差为15.2%,满足工程应用需求。      

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

对缝纫层合板和无缝纫层合板进行低速冲击后压缩破坏实验,以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。采用C扫描、X射线、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量和对比。结果表明,界面不是很强的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击后受压时,层合板非冲击面的子层屈曲及其扩展是导致层合板冲击后压缩强度下降的重要因素,而且子层屈曲主要是沿垂直载荷的方向(90°)扩展;对于准各向同性板,屈曲子层中与母层相邻的铺层的方向一般为90°。层合板的剩余压缩强度与板的冲击损伤面积无直接关系。      

复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法

针对复合材料层板在冲击载荷下,各种损伤的产生和扩展是一个随载荷、时间和空间而演变的过程,发展了复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法.采用刚度退化技术和改进的Chang-Chang失效准则、显式有限元法来模拟复合材料层合板受到低速冲击下逐渐损伤过程.使用所发展的方法分析了[0m/90n/0m]铺层的复合材料层合板在低速冲击过程中的逐渐损伤扩展,结果表明本文的方法能较好地模拟复合材料层板在低速冲击下的损伤扩展及变形过程,计算结果与实验结果吻合较好;对不同冲击能量下层合板损伤扩展研究表明,冲击能量与分层损伤面积成线性关系.     

压缩载荷下碳/环氧复合材料的动力学响应行为

以铺层顺序为[45/0/-45/00-45/90/0]s的新型碳纤维增强改性环氧树脂复合材料为研究对象,采用分离式Hopkinson(SHPB)压杆装置为加载手段,在高速冲击载荷条件下,对复合材料层合板在厚度方向和平面内纵向的动态压缩性能进行实验研究,分别得到在四种不同应变率下的应力一应变关系;并借助SEM对复合材料断口损伤形貌进行表征.结果表明:在高应变率条件下,层合板厚度方向的动态压缩强度及失效应变明显大于平面内加载方向;基体开裂、分层及剪切断裂是复合材料在动态压缩条件下的主要损伤及断裂模式.     

层合板极限强度判据及其最大承载能力的工程设计

在研究层合板在复杂载荷下的极限强度时,提出了基于层合板基本强度和最佳应力比实验强度所确定的层合板张量型强度准则和层合板联合强度理论.通过建立新的层合板铺层刚度退化理论并用实验测定“均衡型刚度退化系数”,实现了LPF包络线预测;进而提出了层合板退化张量型强度准则.该准则是一种由单向板基本刚度、强度性能,辅助以均衡型刚度退化系数,预测各种铺层序列的层合板在复杂载荷下最大承载能力的强度判据和工程方法.上述强度准则与[±θ]s,层合板的单向拉伸,[±45]s、[0/90]s层合板平板拉剪,以及[0/90]s、[0/±45]s和[0/45]s层合管状件的双向载荷强度实验结果相当吻合.所提出的层合板极限强度判据和最大承载能力的估算方法,对玻纤复合材料层合结构的工程强度设计,具有实际的指导意义和实用价值.     

复合材料头盔壳体用超薄层合板冲击后的压缩性能

使用[0°/0°/0°]T、[45°/0°/45°]T两种铺层角度将碳纤维经面缎纹织物、碳纤维平纹织物预浸料、不同面密度芳纶纬编双轴向织物(MBWK)三种增强材料混杂铺层,制备出厚度为1.30 mm的复合材料头盔壳体用超薄层合板。测试分析了层板冲击后的压缩性能,用C扫描超声波检测仪测试了层合板冲击损伤图像,使用Image Pro Plus图像分析软件计算出不同冲击条件下的超薄层合板冲击损伤面积,研究了增强体结构类型、铺层角度对超薄复合材料层合板冲击后压缩性能的影响。结果表明,使用铺层角度为[45°/0°/45°]T的增强体结构可抑制层板沿纤维方向的冲击损伤裂纹的扩展,但是冲击点损伤破坏严重;纬编双轴向织物的面密度越大,则层板冲击后的凹坑深度越小。与其他铺层结构相比,当铺层角度为[0°/0°/0°]T时底层为碳纤维预浸料、中间层纬编双轴向织物面密度为630 g/m2、面层为碳纤维经面缎纹织物的复合材料超薄层板的冲击损伤面积与凹坑深度均最小,分别为225.28 mm2、0.16 mm,其剩余冲击后压缩强度达到最大值97.43 MPa,压缩强度保持率75.72%。这种结构,具有优异的冲击后压缩性能。     

铺层方式对CFRP-Al单搭接接头胶接性能的影响

使用热压罐制备[45/-45]_4s、[0/90]_4s和[0/45/-45/90]_2s三种铺层方式的CFRP层合板,然后在室温下与Al胶接制备出单搭接试样。使用电子万能试验机、数字图像相关法(DIC)和扫描电子显微镜(SEM)等手段测量胶接接头的拉伸载荷-位移曲线和应变分布并观察断口形貌。基于试验数据分析不同铺层方式下CFRP-Al单搭接接头的拉伸性能,研究了铺层方式对CFRP-Al单搭接接头胶接性能的影响和铺层方式胶接接头的破坏机制。结果表明,在拉伸过程中[45/-45]_4s试样出现塑性变形阶段其拉伸位移最大,而[0/45/-45/90]_2s和[0/90]_4s试样的拉伸位移较小且发生了脆性断裂。铺层方式从[45/-45]_4s到[0/45/-45/90]_2s再到[0/90]_4s,试样的极限载荷和纤维束断裂数量增加、层间剪切力减小、应变集中程度和分层破坏程度降低。