多轴向三维机织复合材料的低速冲击力学性能

为了分析多轴向三维机织复合材料的低速冲击力学性能,研究结构内斜向纱对复合材料冲击损伤的影响,以碳纤维和环氧树脂为原材料,设计并制备了多轴向三维机织复合材料及三维正交机织复合材料,采用落锤冲击装置对两种材料进行了低速冲击实验,获得了冲击载荷和能量及时间曲线,通过观测试样外观及内部冲击形貌,对比讨论了多轴向三维机织复合材料的冲击损伤机理。结果表明:斜向纱的引入使得多轴向三维机织复合材料具有更高的承受低速冲击载荷能力和更好的吸能性能,材料以部分纤维断裂和层间裂纹扩展为主要失效模式,且冲击损伤在结构面内各纱线层的传播受纱线轴向的影响,0°经纱层、90°纬纱层的损伤区域近似呈椭圆,且椭圆的长轴方向沿经纱轴向或纬纱轴向;-45°斜向纱和+45°斜向纱之间是互相作用、互相影响的,斜向纱层内的损伤形貌同时受到本层-45°斜向纱或+45°斜向纱轴向,以及相邻层+45°斜向纱或-45°斜向纱轴向的共同影响,损伤区域形状近似为一组对边平行于-45°方向、另一组对边平行于+45°方向的平行四边形。     

三维夹芯层连织物透波复合材料性能研究

考察了玻璃纤维三维夹芯层连织物/氰酸酯(CE)复合材料的透波性能, 并与夹芯层连织物/环氧树脂复合材料和蜂窝夹层结构复合材料进行了对比。研究发现: 实验频段范围内三维夹芯层连织物/氰酸酯复合材料的平均透波率高于蜂窝夹层结构复合材料和夹芯层连织物/环氧树脂复合材料; 夹芯层连织物/氰酸酯复合材料的透波率受电磁波入射角度影响较小, 并且在芯柱高度为8 mm时有最大值, 平行经向入射的透波率略大于平行纬向入射的透波率, 8~12 GHz频率的透波率略大于12~18 GHz的透波率; 由于反射作用, 面板增强后夹芯层连织物/氰酸酯复合材料的透波率下降明显。      

三维机织夹芯复合材料的制备与压缩性能研究

以玻璃纤维为原料,采用2个系统经纱(一个为上下表层经纱,另一个为夹芯层经纱)、1个系统纬纱,在SU111型全自动剑杆织机上制织经向截面为“口”字形的新型三维夹芯织物.以环氧树脂E-44与9055型固化剂为基体体系,采用手糊成型工艺将上述机织物复合制成三维机织夹芯复合材料.研究三维机织夹芯复合材料的压缩性能,分析材料结构与压缩性能之间的关系,并与“8”字形中空复合材料进行比较.结果表明,芯材间距为5mm的“8”字形中空复合材料的压缩强度高于芯材间距为25 mm的三维机织夹芯复合材料,但是后者的弹性模量高于前者.实验结果对该类结构材料的优化设计与力学性能研究具有极其重要的指导价值.     

双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料弯曲性能

经纬纱和针织纱分别选用不同线密度的高模高强玄武岩纤维, 以不同衬纱方式编织出机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物, 并以其作为增强体, 采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料。对两种复合材料0°、 90°和45°方向的弯曲性能进行测试, 分析比较了弯曲应力-应变特征曲线及纱线强度。结果表明: 两种复合材料具有较好的弯曲性能, 0°和90°方向的弯曲性能均优于各自45°方向的, 弯曲应力-应变曲线均表现出一定的塑性破坏特征; MBWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能又分别高于CWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能; 复合材料中经纱和纬纱的屈曲程度不同, 致使MBWK织物增强复合材料的比模量和纱线强度均高于CWK织物增强复合材料, 两种复合材料的弯曲性能受不同衬纱方式的影响, 而两种复合材料试样的弯曲破坏形态相近。研究结果为双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料的应用提供了参考。     

双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料弯曲性能

经纬纱和针织纱分别选用不同线密度的高模高强玄武岩纤维,以不同衬纱方式编织出机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物,并以其作为增强体,采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料.对两种复合材料0°、90°和45°方向的弯曲性能进行测试,分析比较了弯曲应力-应变特征曲线及纱线强度.结果表明:两种复合材料具有较好的弯曲性能,0°和90°方向的弯曲性能均优于各自45°方向的,弯曲应力-应变曲线均表现出一定的塑性破坏特征;MBWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能又分别高于CWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能;复合材料中经纱和纬纱的屈曲程度不同,致使MBWK织物增强复合材料的比模量和纱线强度均高于CWK织物增强复合材料,两种复合材料的弯曲性能受不同衬纱方式的影响,而两种复合材料试样的弯曲破坏形态相近.研究结果为双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料的应用提供了参考.     

三维织物间隔复合材料的力学性能

三维织物间隔复合材料是一种由垂向机织物连接两个平行织物平面的三维机织间隔复合材料,具有整体性好、可设计性强等特点。以玻璃纤维、碳纤维为原料,对三维间隔织物的结构进行设计,制备三维织物间隔复合材料,研究材料在平压和三点弯曲载荷作用下的力学特性,并分析纤维种类、夹芯层间距等结构参数对材料压缩、弯曲性能的影响。结果表明:随着夹芯层间距的增加,材料的压缩强度逐渐降低;材料的弯曲强度也逐渐降低,且纬向弯曲强度大于经向;采用碳纤维与玻璃纤维分别作为纬纱进行织造,前者制备的复合材料的压缩和弯曲强度均高于后者。     

CIP/GF/CF/EP吸波复合材料的制备及力学性能

为制备兼具力学性能和电磁吸收性能的结构型吸波材料,采用真空辅助成型工艺设计制备一种以羰基铁粉(CIP)为吸收剂,玻璃纤维(GF)为透波层,碳纤维(CF)为反射层,环氧树脂(EP)为基体的吸波复合材料。研究了不同质量比CIP/EP对吸波复合材料力学性能和微波吸收性能的影响。通过FTIR和DSC分析可知CIP未与EP发生化学反应。SEM结果表明CIP能够在EP树脂基体中均匀分散,不趋向于纤维表面。力学测试分析结果显示:当CIP/EP质量比达到30%时,CIP/GF/CF/EP复合材料的力学性能最佳,拉伸强度为347.56MPa,拉伸模量为25.99GPa,较纯GF/CF/EP复合材料提升了4.3%和5.7%;弯曲强度为339.6MPa,弯曲模量为23.7GPa,较纯GF/CF/EP复合材料提升了18.2%和71.2%。矢量网络分析可知复合吸波板的吸波性能随CIP含量的增加而增加,且吸波损耗反射峰值朝低频段移动。     

多层多向层联三维机织复合材料的拉伸性能

设计制备了3种不同结构的多层多向层联三维机织复合材料(M3DAWC),利用非接触式全场应变测量系统和SEM对其拉伸性能进行了研究。研究表明,织物结构对M3DAWC的宏观力学行为有重要的影响,沿0°方向拉伸,破坏模式随着斜向纱体积分数的增加,从齐口破坏演变为斜向纱的抽拔失效,沿90°方向拉伸,破坏模式基本一致,表现为斜向纱的抽拔和滑脱。同时,斜向纱体积分数对M3DAWC的拉伸强度和拉伸模量也有显著影响,沿0°方向拉伸,随着斜向纱体积分数的增加,拉伸强度和拉伸模量逐渐减小,沿90°方向拉伸则表现出相反的变化规律。      

复合材料结构-功能一体化技术与吸能结构的研究

复合材料的结构一体化技术包括结构整体化和结构-功能一体化两个方面.复合材料吸能结构属于典型的结构-功能一体化结构.以复合材料管形件为基础,发现提高管形件轴向性能如增加编织结构的轴向纤维纱数,或调整预浸料复合材料铺层尽可能地平行于轴向,或提高复合材料层间韧性(即高CAI值)等,都有利于提高吸能效果.在整体化制造方面,研制和验证了织物复合材料正弦波梁的液态成型制造技术.     

芳纶捆绑对纬编双轴向多层衬纱织物增强环氧树脂复合材料层间性能的影响

将芳纶作为捆绑纱制备纬编双轴向多层衬纱(MBWK)织物增强环氧树脂复合材料，研究了MBWK织物增强环氧树脂复合材料层间性能及芳纶捆绑纱对其层间性能的影响。通过三点弯曲和短梁剪切测试，得到MBWK织物增强环氧树脂复合材料的弯曲性能和层间剪切性能，并通过Aramis V6三维场应变测量系统观察实验过程中层间应变变化。与传统涤纶低弹丝捆绑的MBWK织物增强环氧树脂复合材料相比，芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料的弯曲性能和层间剪切性能明显提升，弯曲强度和层间剪切强度分别提高了14.21%和12.70%；弯曲模量提高了25.49%。芳纶捆绑MBWK织物增强环氧树脂复合材料在受到面外载荷时，纵向应变(Epsilon X)和层间剪切应变(Epsilon XZ)在中性面区域内较大，且在受到面外载荷时，芳纶捆绑纱起到有效抑制复合材料分层的作用。      

三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在两种测量方法下的热响应机制对比

采用瞬态热线法和闪光法分别测量了多种结构参数的三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数。通过对3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料的有限元模拟可以看出,3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料内经纱、纬纱和Z向纱的导热作用在不同的受热形式下会发生变化。采用瞬态热线法测量时,2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数低于2.5D经向增强结构,同时高于3D正交结构,而采用闪光法测量时,2.5D经向增强和3D正交碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数均小于2.5D机织结构。这是由于在使用不同的测量方法时,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料内部相同的纱线系统在导热过程中所起的作用并不相同。随着纤维体积含量的提高,瞬态热线法和闪光法测得的2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数都在不断提高。由于经纱的屈曲,采用闪光法测量时,导热性能提升更加明显。研究结果表明,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在不同受热形式下具有不同的热响应机制。     

三维正交机织物结构的几何模型

以经、纬纱为直线, 捆绑纱为正弦和直线组合的曲线, 建立了三维正交机织物的几何结构模型。根据捆绑纱所限定纱线的截面积, 建立了以织物结构参数为未知量的非线性方程组, 使用数值计算方法求出了非线性方程组的近似解, 确定了捆绑纱曲线模型中的待定量。制织了纬纱捆绑和经纱捆绑两种玻璃纤维三维正交机织布, 并与不饱和聚酯树脂复合, 然后观察复合材料中捆绑纱的形态, 发现捆绑纱的测试曲线与模型曲线具有很好的一致性。进一步比较捆绑纱织缩率的测试值与计算值、纤维体积含量的测试值与计算值, 表明建立的织物结构几何模型, 能够较为真实地反映三维正交机织物的实际结构。      

Fractographical analysis on the mode II delamination in woven carbon fiber reinforced epoxy composites

Mode II delamination phenomena of woven fabric carbon/epoxy composites were investigated by scanning electron microscopy. End notch flexural (ENF) test was used to examine the mode II delamination. Woven fabric composites showed two peculiar crack propagation patterns due to the complexity of woven geometry. In warp yarn region, crack propagated with forming a shear band and breaking the fiber/matrix interface. In fill yarn region, however, no shear band was observed. Considering these crack patterns, matrix shear property and fiber/matrix interfacial strength played an important role in enhancing the delamination properties of woven fabric carbon/epoxy composites. Due to the woven geometry, matrix rich positions, which are interstitial and undulated region, were formed in woven carbon/epoxy composite. In these regions, matrix fracture and complex crack path were mainly observed.     

纬编双轴向织物/环氧树脂电加热复合材料电热及层间剪切性能

为开发一种可用于航空飞行器防/除冰防护的电加热复合材料,本文设计制备了三种纬编双轴向织物/环氧树脂复合材料,采用实验方法研究了纬编双轴向织物电阻丝排列密度对复合材料电热性能和层间剪切性能的影响。电加热复合材料上、下层均为玻璃纤维/环氧树脂预浸料,中间层为电加热纬编双轴向织物,织物衬经纱、捆绑纱和衬纬纱分别采用铜镍合金丝、涤纶和玻璃纤维。采用红外温度测试仪和材料万能试验机进行性能测试。结果表明:施加电压6 s后复合材料表面温度快速升高,在60 s左右温度达到最高平衡温度,复合材料表面最高平衡温度与施加电压成正比关系;当施加电压不变时,电阻丝排列密度越小,复合材料表面最高平衡温度越高;电阻丝排列密度越小,复合材料层间剪切强度越大。可见,纬编双轴向织物/环氧树脂电加热复合材料具有轻质高强、加热速率高、成型性好等特点,适合用于飞行器多个部位的防/除冰。      

Development & Characterization of Green Composites Using Novel 3D Woven Preforms

Green composites are the emerging materials made using natural fibers and environmentally degradable matrix such as green epoxy. Natural fiber composites are the motivation of researchers for low to medium impact applications as well as structural applications like automobiles. In this research work, 3D orthogonal layer to layer (LL) and through the thickness (TT) woven structures with different interlocking patterns, used as preforms in composites are presented. The mechanical properties of preform as well as associated composites are studied on equivalent fiber volume fraction. Jute yarn was woven into four layered 3D woven structures. The use of bridgeable and sustainable fiber, with its prospective use with the biodegradable matrix, is the objective of this work. The focus of this study is to improve mechanical performance by changing weave pattern, so that the resulting composite is robust in design.     

管道修复用涤纶-苎麻复合机织物性能试验

针对传统管道内衬修复材料施工中易出现内壁塌陷等问题,结合目前快速发展的绿色纤维复合材料,提出在涤纶机织物内衬材料中加入苎麻纱线,制作涤纶-苎麻复合机织物材料来提高树脂对管道修复用内衬机织物的浸透性能,增强内衬材料和管壁的粘结性能。以纤维外观、抽拔实验后纤维断面形貌的电镜观察,并通过树脂与织物接触角的测试、粘结实验,综合分析了涤-麻复合机织物的树脂浸透性,同时对涤纶-苎麻复合机织物力学性能进行测试来保障内衬复合材料满足强度的要求。实验结果表明,采用上述涤-麻复合织造的方法,可以显著提高树脂的浸透性能,有利于携带更多的树脂粘结剂提高树脂与管壁的粘结性,减少塌陷发生的可能性。同时加入麻复合的机织物,拉伸顶破性能都满足高压燃气管道的修复要求。     

上浆量对碳纤维的立体织造损伤及其复合材料拉伸性能的影响

结合立体织造技术和树脂传递模塑(RTM)工艺制备了不同上浆量国产碳纤维的2.5D经向增强复合材料。使用毛羽测试法、复丝拉伸法及SEM分析了不同上浆量预制织物中经纱、衬经纱和纬纱的织造损伤情况。结果表明:碳纤维织造损伤率随着上浆量的增加而减小;2.5D经向增强复合材料中纱线的损伤率大小依次为纬纱、经纱、衬经纱。复合材料拉伸性能测试结果表明:当国产碳纤维上浆量为2.01%时,2.5D经向增强复合材料的性能最佳。     

三维夹芯层连织物复合材料真空辅助成型工艺影响因素

三维夹芯层连织物复合材料是由纤维连续织造呈空芯结构的织物作为增强体制备而成的新型轻质复合材料, 本文中以三维夹芯层连织物复合材料为研究对象, 发展了适用于酚醛树脂的真空辅助成型工艺方法, 重点考察了影响复合材料制造质量的关键因素。结果表明, 芯柱高度对织物的抗压缩能力与厚度回复率影响显著, 热处理有利于织物的厚度回复; 注射过程中, 树脂沿织物平面纬向渗透速率大于经向, 使用高渗透率介质层、 降低树脂黏度有助于提高树脂在层连织物中的分布均匀性。      

Internal geometry evaluation of non-crimp 3D orthogonal woven carbon fabric composite

Measurements of the internal geometry of a carbon fiber non-crimp 3D orthogonal woven composite are presented, including: waviness of the yarns, cross sections of the yarns, dimensions of the yarn cross sections, and local fiber volume fraction. The measured waviness of warp and fill yarns are well below 0.1%, which shows that the fabric termed here “non-crimp” has nearly straight in-plane fibers as-produced, and this feature is maintained after going through all steps of fabric handling and composite manufacturing. The variability of dimensions of the yarns is in the range of 4–8% for warp and fill directions, while the variability of the yarn spacing is in the range of 3–4%. These variability parameters are lower than respective ranges of variability of the yarn waviness and the cross-sectional dimensions in typical carbon 2D weave and 3D interlock weave composites, which are also illustrated in this work for comparison.