斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤及多尺度数值模拟研究

机织复合材料在服役过程中不可避免地遭受低速冲击而引起内部损伤,导致材料性能减退。本文以斜纹机织热塑性复合材料为研究对象,通过实验与模拟相结合的方法研究其在低速冲击下的损伤行为。构建了微观、介观和宏观串行的多尺度模型对斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤行为进行预测,并在5和10 J的冲击能量下,对其进行低速冲击试验以验证该多尺度模型的正确性。结果表明,微观、介观和宏观串行的多尺度模型能够准确地预测出斜纹机织热塑性复合材料的冲击损伤特性;在较大的冲击能量下,材料正面和背面均出现了损伤,且损伤以纤维断裂为主;低速冲击数值模拟所预测的力响应曲线与试验结果表现出良好的一致性,数值模拟损伤面积的误差在10%以内。     

混合机织复合材料低速冲击损伤有限元分析

将二维机织碳布和单向碳布预浸料按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点.采用基于三维非协调层合元的动力学有限元分析方法,对由二维机织缎纹碳布和单向碳布混合铺设而成的复合材料层合板进行了低速冲击有限元计算分析.针对二维机织碳布的特殊力学性质,提出了修正的分层扩展判据,建立了低速冲击损伤面积的分析方法.在不同冲击能量下,针对不同铺层结构和厚度的计算结果与试验结果皆吻合的很好.分析结果表明,由于分层破坏机理不同,加入机织铺层后能够有效降低低速冲击导致的分层损伤.     

混合机织复合材料刚度、强度及低速冲击性能试验研究

将二维机织碳布和单向预浸料碳布按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点。试验测定不同比例的混合机织复合材料的面内刚度、强度,采用落锤法进行多个能量级别的低速冲击试验和准静态横向压缩试验,用超声波C-扫描法记录各试验件的内部损伤面积,并测量剩余压缩强度,分析这种混合机织复合材料在综合考虑刚度、强度以及低速冲击损伤容限等因素下的最佳铺层比例。     

平纹机织与2.5D机织复合材料平板弹道冲击特性对比

为研究碳纤维平纹机织和碳纤维2.5D机织复合材料平板的弹道冲击响应及失效模式,在空气炮装置上使用圆柱弹体对其进行了弹道冲击试验。通过弹道极限速度、吸能总量、单位面密度吸能量和单位厚度吸能量等指标评估其弹道冲击特性,并采用超声C扫描和CT扫描唯象分析其冲击损伤。结果表明：在等厚度下,碳纤维平纹机织复合材料平板与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,展现了更优的弹道冲击性能。碳纤维平纹机织复合材料平板的主要失效模式为分层失效,碳纤维2.5D机织复合材料平板主要为剪切充塞失效。与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,平纹机织复合材料平板弯曲变形明显,大量的纤维拉伸失效增加了平板吸能量,提高了弹道极限速度,但分层会导致平板损伤区域大,完整性较差;碳纤维2.5D机织复合材料平板损伤区域小,完整性好。     

复合材料低速冲击永久凹坑深度预测方法

基于赫兹接触定律,建立了复合材料层板低速冲击模型,在此基础上提出了复合材料层板冲击后永久凹坑的理论计算方法。通过对T700/5428和T300/5428两种材料层板低速冲击永久凹坑计算结果与试验结果的对比,证实了这种方法在较小冲击损伤情况下的可行性与有效性。通过这种方法,可以为复合材料冲击性能的预测提供一种参考。     

PBO-C/ E 复合材料的界面及压力容器性能

研究了PBO纤维与T700碳纤维混杂复合材料的界面性能和压力容器性能。采用层间剪切强度测试和吸水率测试研究了不同混杂比对混杂复合材料界面粘接性能和吸水性能的影响。研制了PBO纤维与T700碳纤维混杂复合材料Ф150 mm压力容器,对容器的水压爆破性能和轴压承载性能进行了测试。结果表明:混杂复合材料的层间剪切强度随着混杂比增大逐渐升高,当T700碳纤维含量较低时,混杂复合材料界面粘接性能提高并不明显;混杂复合材料的吸水率介于PBO纤维和T700碳纤维复合材料之间,近似符合"混合定律",界面数对混杂复合材料吸水性影响较大;混杂复合材料Ф150 mm容器的PV/W随着混杂比增大逐渐降低,混杂工艺能够使PBO纤维复合材料容器的轴压承载性能提高31%。     

三维机织复合材料弹道冲击试验研究

先进复合材料具有高比强度、高比模量等优点，是航空发动机应用研究的热点。本文通过弹道冲击试验研究三维机织复合材料平板在高速物体冲击下的损伤失效机制及其力学行为，采用高速相机记录下了靶板受冲击损伤变化过程，分析了不同速度对三维机织复合材料平板损伤形貌的影响。试验结果表明，三维机织复合材料具有优异的抗裂纹萌生和扩展性，冲击表面的主要破坏模式是纤维剪切破坏和基体破碎，在出口表面主要破坏模式是纤维拉伸断裂和基体开裂。本研究可用于支撑验证碳纤维增强树脂基复合材料包容性，为航空发动机复合材料机匣研制提供基础。     

基于碳纳米纸传感器的复合材料结构低速冲击损伤监测

针对复合材料对冲击载荷比较敏感、内部损伤不易发现的问题,提出一种利用碳纳米纸薄膜作应变传感器的复合材料结构件低速冲击损伤监测方法。在拉伸条件下,对圆形和矩形碳纳米纸薄膜进行不同方向的传感系数测试,发现圆形碳纳米纸传感器具有较高且稳定的传感系数155.63,可以作为全向传感器监测冲击损伤。复合材料结构的冲击损伤由传感器的电阻变化率和超声C扫描结果同步表征。研究结果表明,传感器的电阻随着冲击能量的增加而增加,基于全向碳纳米纸传感器的结构健康监测不仅可以灵敏感知低速冲击损伤,为损伤程度评估提供客观数据,而且通过分析不同方向BP传感器的电阻变化可以判断损伤位置。进一步与传统C扫描结果相比较表明,全向碳纳米纸传感器可以有效预判低速冲击损伤,用于航空航天复合材料结构件的实时在线健康监测。     

不同冲击能量对层合板损伤及剩余强度的影响

基于三维逐渐损伤理论和全程分析方法,对复合材料层合板在冲击载荷及冲击后静载荷下的损伤过程进行分析,重点研究不同冲击能量对两种不同铺层参数、不同几何尺寸的T300/BMP-316复合材料层合板的损伤产生与扩展过程以及剩余强度的影响规律.结果表明:复合材料层合板存在可使其剩余强度急剧下降的冲击能门槛值.对于T300/BMP-316复合材料层合板而言,其冲击能量的门槛值介于5.0～5.5J之间;在冲击过程中,冲头下落速度具有一定的波动性,且不同铺层参数将影响冲击后复合材料层合板表面的凹痕深度.      

芯材高度对三维中空夹芯复合材料低速冲击性能的影响

选取芯材高度分别为5、6、7 mm 的三维中空夹芯复合材料为研究对象,采用落锤式低速冲击试

验装置分别对上述材料进行8 J 能量的低速冲击测试,研究材料的低速冲击性能;利用Instron 3385H 型万能材

料试验机分别测试上述材料受到低速冲击载荷前后的压缩强度,研究材料受到低速冲击载荷后的压缩损伤容

限。结果表明:三维中空夹芯复合材料对低速冲击载荷比较敏感;随着芯材高度的增加,材料抗低速冲击性能

有所增加;低速冲击载荷使材料的剩余压缩强度大幅下降。

     

树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究

通过拉伸、弯曲、压缩等实验,评价了4种不同结构的三维机织角联锁织物增强的碳/树脂基复合材料结构与力学性能的关系.结果表明:对于纤维体积含量相近的4种不同结构的3D机织复合材料而言,它们之间的拉伸、弯曲、压缩性能差异很大,在2倍左右;衬经纱和衬纬纱可以显著改善力学性能;纤维与树脂之间的界面破坏-脱粘是3D机织复合材料最先发生失效的形式;带衬经衬纬的No.1结构复合材料的综合力学性能最佳.可以推断,改进界面结合力能大大提高3D机织复合材料的力学性能.     

预制体结构对炭/炭复合材料氧化行为的影响

以短纤维树脂模压、炭布叠层和针刺毡为预制体,采用CVD方法制备了3种C/C复合材料,并研究了其氧化行为,计算了氧化反应动力学数据。结果表明在氧化失重率小于60％时,其氧化失重率与氧化时间呈线性关系,而且3种样品在700℃前后具有不同的表观活化能,由此导致不同的控制机制:700℃以下为动力学控制区,700℃以上为扩散控制区。C/C复合材料的氧化速率与预制体结构有关,这主要是因为不同的预制体结构导致形成了不同的热解炭组织,比较起来炭布/CVD炭复合材料的抗氧化性能最差,短纤维树脂模压/CVD和针刺毡/CVD炭复合材料具有较好的抗氧化性能。3种材料的氧化过程基本一致,都是首先从材料内空隙缺陷处开始氧化,伴随着炭纤维和基体炭同时氧化,炭纤维变得越来越细,最后基体炭只剩下很薄的一层,有的基体炭甚至已经氧化脱落而只剩下炭纤维裸露着,或者在炭纤维周围分布着极不均匀的多孔状热解炭。     

国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料拉伸载荷下的失效模式分析

通过常温干态、常温湿态、高温干态、高温湿态四种环境条件下,对5种国产碳纤维与T300碳纤维复合材料进行纵向拉伸试验,采用宏微观相结合的方法,从数据表现、宏观形貌以及微观形貌(电镜扫描照片)三个方面对其失效模式和损伤机理进行了研究.结果表明国产纤维复合材料虽然在拉伸性能上基本能超越T300复合材料,但是其失效模式却不尽相同,特别是由于界面性能的不同而造成的失效模式的差异尤为明显.因此,国产碳纤维复合材料要得到更为广阔的应用,还需进一步改进其界面性能.      

2D C/SiC 复合材料的静压痕力的损伤表征

为考察2D C/SiC 复合材料在外力作用下产生的不可见损伤对其力学性能的影响。通过静压痕实验引入损伤,采用红外热波成像和残余性能测试的方法,表征2D C/SiC 复合材料的损伤。结果表明:施加能量为0.75 J时,复合材料内部开始产生损伤, 施加能量为1.8 J(接触力1 700 N、压痕深1 mm)时,损伤模式发生转变;随着损伤程度的加重,残余压缩强度下降率约为残余拉伸强度下降率的2倍。     

航空发动机复合材料机匣弹道冲击特性

为获得复合材料作为风扇包容机匣时遭受叶片冲击载荷时的动态响应、损伤与失效模式,在空气炮装置上使用叶片形弹体对Kevlar织物层合板开展了弹道冲击试验,结果发现:复合材料靶板厚度提高25%,复合材料靶板吸收的能量提高约92%;随着叶片弹体速度的增加,复合材料靶板的损伤破坏逐渐严重,从轻微的压痕,转变为横向和纵向裂纹与分层损伤,再转变为矩形穿孔,同时靶板背面出现纤维断裂、纤维拔出与分层失效等现象;在叶片弹体撞击下,靶板上在与弹体接触的局部区域形成鼓胀变形,并在弹体击穿或反弹后发生变形回复;叶片弹体的横滚角将导致叶片的作用范围增大,使得靶板抗冲击性能有所提高。      

二维叠层C/SiC复合材料低能量冲击损伤实验

C/SiC复合材料是航空航天器中的耐高温材料,其服役环境存在低能量冲击源且关于此类冲击事件的研究相对较少。本文主要采用落锤冲击系统性地揭示2D叠层C/SiC复合材料平板的抗低速低能量冲击性能,通过改变冲击能量考核不同单层厚度和平板厚度的抗冲击性能变化,并利用CT技术进行冲击后无损检测,分析结构内部细观损伤。结果表明：冲击载荷下,C/SiC复合材料按冲击载荷变化可分为线性、屈服和回弹3个阶段;典型冲击损伤形式包含局部压溃、分层、纤维断裂及基体微裂纹;同等结构厚度,单层厚度越大C/SiC复合材料平板冲击变形和冲击损伤越小,冲击阻抗值越高;同等单层厚度下,结构总厚度较大的C/SiC复合材料平板冲击损伤较小,冲击阻抗较大。因此,C/SiC复合材料的预制体层数与结构厚度对低能量冲击源较为敏感,且减小单层厚度及增加结构总厚度可明显提高其抗冲击性能。     

M40-T300／BADCy混杂复合材料的研究

利用单向铺层模压工艺制备了M40-T300/BADCy单向层内和层间混杂复合材料,研究了混杂方式、混杂比及铺层顺序对混杂复合材料的拉伸性能、弯曲性能及层间剪切性能的影响规律.结果发现,层内混杂复合材料的性能介于两种单一复合材料之间,T300纤维含量越高,强度越大,M40纤维含量越高,则模量越大.以T300纤维为芯层,M40纤维为外层的层间混杂复合材料([(M40)1/(T300)3]s)具有与M40/BADCy复合材料相近的弯曲模量及与T300/BADCy复合材料相近的层间剪切强度,适合作为航天飞行器结构材料使用.