Z-pin增强复合材料层合板断裂韧性试验研究

针对Z-pin增强复合材料层合板, 开展了断裂韧性的试验研究。研究选取了3种Z-pin直径(0.28、 0.52、 0.80mm)且每种直径下分别以3种分布形式(5×5、 8×8、 10×10)排布Z---pin的增强方式, 为了确定比较基准, 试验中同时测试了不含Z-pin的复合材料层合板试样。通过Z-pin拔出试验测试了3种直径Z-pin从基体拔出过程中的载荷位移关系。利用双悬臂梁试验和端部开口弯曲试验分别测试了不含Z-pin和含Z-pin试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC、 Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC。试验结果表明:? 与不含Z-pin的结构相比, Z-pin增强试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC增大了83%~1110%, Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC增大了23%~438%; 在相同Z-pin体积含量下, 与增大Z-pin直径相比, 增大Z-pin分布密度能更有效地提高复合材料层合板的断裂韧性。      

Z-pin增强CMC层间Ⅰ+Ⅱ混合型断裂韧性

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,采用CVI工艺在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备了Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料。通过三点弯曲试验测定了Ⅰ+Ⅱ混合型应变能释放率,分析了材料的裂纹扩展行为和Z-pin增强机理。结果表明:随着裂纹扩展长度的增大,Ⅰ+Ⅱ型裂纹扩展阻力不断增大,相同裂纹扩展长度,增加Z-pin植入密度可以提高粘结强度,增大止裂作用。Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料裂纹扩展的耗能途径主要是层间界面剥离、Z-pin弹性剪切和拉伸变形。     

玻璃纤维增强复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性

介绍了玻璃纤维增强复合材料Ⅰ型层间断裂韧性“RoundRobinTest”的结果随着偶联剂浓度的改变，Ⅰ型裂纹的扩展方式从稳态向非稳态转变这类断裂韧性强烈地依赖界面性能关键词##4界面性能;;Ⅰ型断裂韧性;;裂纹扩展;;稳态;;非稳态     

玻璃纤维增强复合材料的I型层间断裂韧性

介绍了玻璃纤维增强复合材料Ⅰ型层间断裂韧性“Ｒｏｕｎｄ Ｒｏｂｉｎ Ｔｅｓｔ”的结果。随着偶联剂浓度的改变，Ｉ型裂纹的扩展方式从稳态向非稳态转变。这类断裂韧性强烈地依赖界面性能。     

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接头弯曲性能

为了研究Z-pin对单搭接头弯曲性能的影响,制备了不同参数Z-pin增强单搭接头试样,研究了Z-pin单搭接头在三点弯曲载荷下连接性能.结果表明:Z-pin(直径0.5mm)体积分数从0％～1.5％时,弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而增加,体积分数在1.5％～3.0％范围内时,试样的弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而下降,Z-pin体积分数为1.5％时达到最大值1303.2N;Z-pin直径为0.3～0.7mm时(体积分数1.5％),峰值载荷随着直径的增加而增加,0.7mm增强接头的弯曲载荷比0.3mm增强接头高出27.9％.Z-pin植入角度对单搭接头弯曲性能影响不大.另外,随着搭接长度的增加,单搭接头的弯曲性能提高.     

双马来酰亚胺复合材料Z-pin制备及性能研究

采用拉挤成型工艺制备了一种基于双马来酰亚胺树脂的微径炭纤维复合材料细杆(Z-pin),通过差示扫描量热方法(DSC)研究了双马来酰亚胺树脂的固化反应特性,并由此确定其拉挤工艺参数.通过动态热机械分析仪测定了双马来酰亚胺树脂的玻璃化转变温度,结合复合材料Z-pin纤维体积含量及层间剪切强度对比分析发现,双马来酰亚胺树脂基...     

Z-pin增强陶瓷基复合材料I型应变能释放率

碳纤维平纹编织物和碳纤维Z-pin制备的预成型体,通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板。通过双悬臂梁试验研究Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板的层间I型应变能释放率和增强机理。研究Z-pin面积密度对层间I型应变能释放率的影响。结果表明:Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板主要增强机理表现为层间裂纹扩展受阻,Z-pin与层压板界面解离,Z-pin桥联裂纹和Z-pin拔出;增大Z-pin面积密度,层间I型应变能释放率增大。     

T型接头蒙皮厚度对Z-pin增强效果的影响

在关于拉脱载荷下Z-pin增强T型接头的有限元模拟方法基础上,通过对2组蒙皮厚度分别为7.2 mm和4.0 mm的试验件的试验结果进行分析,研究了T型接头蒙皮厚度对Z-pin增强效果的影响。结果表明:Z-pin增强效果随着蒙皮厚度的减小而增大。蒙皮厚度大于5 mm,Z-pin不能提高结构的最大承载能力,但可显著提高结构首次掉载后的承载性能,使T型接头在较大的加载位移下仍保持较高的承载能力;无论蒙皮厚薄,结构首次掉载后,各Z-pin增强T型接头可达到的载荷平台是相当的,且该载荷平台随蒙皮的变厚有降低的趋势。      

Z-pin/缝合对复合材料T型接头剪切承载能力的影响

利用三维有限元模型对Z-pin/缝合增强试验件进行有限元分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元来模拟Z-pin/缝合的增强机制,非线性弹簧元的力学性能（桥联律）由细观力学方法获得。通过与试验结果的对比发现,由于未进行界面增强的T型结构的剪切承载能力已较高,Z-pin/缝合增强较难提高T型接头的剪切承载能力。从少数几种可提高T型接头的剪切承载能力的增强方案中可看到,应选择拉伸强度较高而拉伸模量较低的缝线来进行T型接头剪切界面增强设计。     

低温环境下测试复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的简易方法

目前ASTM复合材料Ⅰ型层间断裂韧性测试标准需不断观测裂纹扩展长度。然而在低温环境下,裂纹扩展长度不易测量且过程繁琐。为克服这一缺陷,本文采用双柔度法测试复合材料低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性,该方法的步骤与ASTM标准基本相同,但不需观测裂纹扩展长度便能获得低温下Ⅰ型层间断裂韧性。为了验证该方法的可靠性和精度,采用5件碳纤维增强环氧树脂基复合材料双悬臂梁（DCB）试样在-10℃环境下进行Ⅰ型层间裂纹扩展实验,应用ASTM标准所推荐的三种方法及本文的双柔度法进行数据处理获得复合材料Ⅰ型层间断裂韧性。结果表明:ASTM标准的三种方法与双柔度法得到的Ⅰ型层间断裂韧性结果一致,相对差别小于5%,而本文的双柔度法不需测量裂纹扩展长度,因此更简单,为测试低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性提供了一种准确、简单的新方法。      

Z-pin参数对复合材料T型接头拉脱承载能力的影响

利用二维平面应变模型对Z-pin增强T型接头试样进行失效分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元模拟Z-pin的增强作用,非线性弹簧元的力学性能(桥联律)由细观力学方法获得,数值结果与试验值吻合较好。在已验证有限元方法的基础上,研究了Z-pin直径、密度及植入角度等对T型接头拉脱承载能力的影响。结果表明:Z-pin增强可显著提高T型接头的拉脱承载能力,与未Z-pin增强的T型接头相比,Z-pin增强明显延缓了掉载;T型接头的拉脱承载能力随Z-pin直径和密度的增加而增大,随植入角度的增大而减小;在所研究的角度范围内,当植入角度为60°时,T型接头的拉脱承载能力最好;Z-pin直径和密度对拉脱承载能力的影响远比植入角度的影响显著。     

Z-pin增强酚醛复合材料层合板的层间拉伸性能

本文探索研究了Z-pin的植入对酚醛复合材料层合板层间拉伸性能的影响。通过向酚醛复合材料层合板中植入体积分数为0.78%（植入间距5mm×5mm）的石英/酚醛Z-pin,对其进行层间拉伸性能测试,结果表明,随着Z-pin的植入,层合板的层间拉伸性能显著提高,并伴随破坏模式的变化、材料韧性的增加。最后,根据复合材料力学,建立Z-pin增强层合板的简单力学模型,通过桥率试验与层间拉伸试验,对其进行验证和修正,得出Z-pin植入对层合板的层间性能的影响规律。     

填充物、胶膜和Z-pin对复合材料T型接头强度影响对比

为提高复合材料T型接头结构的拉伸强度,对接头中胶膜属性、圆弧区填充物属性和Z-pin增强三种结构参数对T型接头强度的影响进行了研究。设计了两种不同胶膜属性、两种不同填充材料和有无Z-pin的同尺寸试验件,完成拉伸试验,测得极限位移和极限拉伸强度,并进行了对比分析,同时研究了不同T型接头的损伤演化过程。结果表明：J299胶膜复合材料T型接头的极限位移和极限载荷相比于J116B胶膜分别提高了57.8%和64.7%;ZXC195增强芯复合材料T型接头的极限位移和极限载荷相比于单向带材料分别提高了51.7%和30.3%;Z-pin钉对复合材料T型接头的极限位移和极限载荷分别提高了190.8%和31.9%。三种结构参数均只影响接头的极限载荷和极限位移的大小,接头的整体刚度没有改变。胶膜属性对接头极限载荷的提高影响最大,而Z-pin对接头的极限位移提高影响最大。     

正交复合材料Ⅰ型裂纹动态响应焦散线实验研究

利用高速摄影技术与光学焦散线技术相结合，对冲击下正交复合材料Ⅰ型裂纹尖端的动态应力集中问题进行了光测力学实验研究。记录了两种层状碳纤维／环氧树脂复合材料在冲击作用下Ⅰ型裂纹尖端的动态焦散斑图，提取反映材料局部应力集中问题的力学参数：焦散斑特征尺寸，进而比较两种复合材料的抗冲击性能。这些研究工作对于复合材料冲击性能评估具有工程应用价值和科学研究意义。     

超细纤维增强复合材料Ⅰ型层间断裂韧性分析

采用静电纺丝技术制备了厚度约0.1mm的超细纤维无纺布薄膜, 并入层合板中间界面, 固化成型后加工为双悬臂梁(DCB)试样。根据ASTM D5528标准测试了 Ⅰ 型层间断裂韧性。实验结果表明, 增强试样比空白试样的 Ⅰ 型临界应变能释放率(G_{Ⅰ C})提高了约35％。同时采用有限元分析方法研究了含无纺布薄膜试样和空白试样的裂纹扩展过程, 数值结果与实验结果吻合较好, 更好地解释了含无纺布薄膜层合板的层间断裂机理。      

斜缝与Z-pin混合增强泡沫夹层复合材料力学性能实验研究

结合斜缝合增强和Z-pin增强2种方法, 采用混合增强方法制备泡沫夹层结构, 并对这种结构材料的平压、 平拉和剪切力学性能进行了实验研究, 考察了不同混合比例对其力学性能和破坏模式的影响。结果表明, 夹层结构中, 随着Z-pin比例的增加, 压缩强度和模量增大; 随着斜缝合比例的增加, 拉伸强度、模量以及剪切强度增大; 但不同混合增强试样的剪切模量差别不大。      

Z-pin增强对泡沫夹层结构弯曲和振动性能的影响

通过试验研究了Z-pin增强泡沫夹层结构的弯曲性能,与未增强材料进行比较.提出采用树脂Z-pin对泡沫夹层结构进行横向增强,比较了碳pin和树脂pin的不同增强效果.结果表明,横向增强能够极大地改善泡沫夹层结构的弯曲性能,树脂pin的增强作用虽然弱于碳pin,但同样具有明显的增强效果.在此基础上,基于Z-pin增强泡沫夹芯的力学性能,对夹层结构的弯曲刚度和弯曲最大破坏载荷进行预测.最后考察了增强Z-pin各参数对泡沫夹层结构自振频率的影响,为其在航空航天等振动结构中通过合理的阻尼设计达到调频的目的打下基础.     

Z-pin增强陶瓷基复合材料拉伸和层间剪切性能

研究了Z-pin横向增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸和层间剪切性能。炭纤维平纹编织物和炭纤维Z-pin制备的预成型体, 通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料。通过单轴拉伸试验及加-卸载试验研究材料拉伸力学性能参数及破坏规律。采用双切口压缩试验测试材料的层间剪切强度。结果表明, Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线具有非线性特性; Z-pin嵌入降低了平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强度, 显著提高了陶瓷基复合材料层间剪切强度, 使原来单纯层间基体与织物表面的脱离转变为Z-pin的剪切破坏和层间基体与织物的脱离双重破坏机理。     

PBO纤维增强环氧树脂复合材料层间Ⅰ型断裂韧性的DIC技术测量

Ⅰ型双悬臂梁(DCB)试验通常用于单向复合材料的层间抗拉性能研究,目标是测量Ⅰ型层间断裂韧性,其可作为复合材料分层扩展及失效机制研究的重要输入参数。在DCB试验中必须经常暂停试验以实现多次测量裂纹长度,这不仅会对裂纹传播产生潜在影响,造成测量误差且多次反复试验的时效性较差。数字图像相关(DIC)测试技术应用于裂纹扩展长度测量具有实时跟踪、精确定位的优点,可有效提高Ⅰ型断裂韧性试验的测量效率,但应用于非连续变形行为仍存在局限性,且易受到图像噪声的干扰,产生测量误差。本文发展了一种基于DIC测试技术的实时获取裂纹长度的检测方法,通过图像匹配算法获取试件的非连续变形位移场,并提出一种根据全局横向位移离散程度的辨别方法,实现了裂纹尖端的实时捕捉。再通过DCB试验,与传统测量方式对比,裂纹长度的测量误差平均不超过2.76%,验证了该方法的准确性和高效性,同时也克服了聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)/环氧树脂复合材料侧表面毛糙、散斑质量较差及纤维桥接对测量结果的干扰,最终获取了有效的Ⅰ型层间断裂韧性初始值及稳态扩展值。     

织物增强复合材料层合板Ⅰ型层间断裂特性

采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性与断裂行为。为了评价测试温度和试样几何尺寸的变化对层间断裂韧性的影响，分别在室温(RT)和液氮温度(77K)条件下对不同尺寸的试样进行了双悬臂梁试验。采用扫描电镜对分层断裂面进行了观察，分析和验证了层间断裂特性。