剪切载荷作用下碳/环复合材料层压板的损伤扩展特性

本文对含中心穿透裂纹的碳/环复合材料层压板在剪切载荷作用下的损伤扩展规律进行了研究。通过对以[±45/O_6]_s、[(±45)_3/O_2]_s、[O/±45/O]_s和[90/±45/90]_s四种层压板为主的多种层压板进行试验研究和理论计算,对工程上常用的以O°、±45°、90°三种铺层构成的各种π/4层压板在含裂纹时的板内应力分布、裂纹扩展方向、断裂机理和含裂纹时的极限强度(剩余强度)进行了分析。试件由T300/648E制成。研究表明,铺层组分比例的不同对裂纹的扩展方向和含裂纹层压板的极限强度有较大的影响。本文在探讨损伤扩展规律的基础上,也为工程应用提供了有意义的结果。     

z向纱对三维正交复合材料层间剪切性能影响

采用置换法增强体成形工艺和树脂传递模塑(RTM)固化工艺制备炭纤维三维正交复合材料。对比研究了不同z向纱体积含量的三维正交复合材料的细观结构、层间剪切性能和破坏形貌。结果表明,基于置换法成形工艺制备的三维正交预制体其3个方向的纱线具有优异的伸直性;z向纱的体积含量在1%~5%时,对材料的层间剪切强度及模量的增强作用明显;同时,随着固化成型压力的增加,材料的层间剪切强度呈上升趋势,但当压力增大到一定程度,纤维屈曲现象明显,从而降低层间剪切强度的增加幅度;在层间剪切载荷的作用下,材料的主要破坏模式包括纤维的断裂、抽拔以及z向纱与树脂的脱粘,但相应增加z向纱的细度,使z向纱与基体之间的孔隙尺寸减小,可防止材料分层现象的产生。     

纤维复合材料中孔隙的起因评述

文中介绍美国麦道宇航公司对纤维复合材料中产生孔隙原因的评述。热固性树脂基复合材料固化成型过程中产生孔隙的最简单机理是与挥发物的蒸气压相关联的。如果树脂凝胶前挥发物的蒸气压力超过树脂流体的压力,则会在层板中生成孔隙,而且孔会长大。介绍了影响树脂流体压力的试验结果,并讨论了诸如树脂体系化学组成,树脂体系的配置和预浸操作、铺层、加压以及固化工艺等因素对孔隙形成、长大的影响。     

不同截面炭纤维表面特性及其对复合材料界面粘接性能的影响

使用SEM、AFM、比表面积与孔体积测试分析仪(BET)和XPS对国产腰形截面炭纤维、圆形截面高强炭纤维和国外圆形截面T300炭纤维表面特性进行物理与化学表征与分析,并对炭纤维/环氧复合材料界面粘接性能进行了研究。表面形貌分析表明,腰形截面炭纤维比表面积大于圆形截面炭纤维,但其表面沟槽较圆形截面炭纤维浅。XPS分析表明,腰形截面炭纤维的表面活性略高于国产圆形截面炭纤维,但明显低于T300;界面剪切强度与层间剪切强度测试结果表明,腰形截面炭纤维/环氧复合材料的界面剪切强度和层间剪切强度均接近于T300/环氧复合材料,高于国产圆形截面炭纤维/环氧复合材料。     

高韧性热塑性复合材料的研制

文中探索了以PA—6为基体的热塑性复合材料的压制工艺。压制出铺层为12层的玻璃布层压板和铺层为18层的碳纤维单向板,并测试出两种板的基本力学性能。用冲击损伤度D和G_(ⅡC)来评定复合材料的韧性,发现PA—6基复合材料有优异的韧性。     

卫星飞轮支架的共固化阻尼减振设计

研究了应用共固化阻尼减振技术抑制某卫星星上飞轮支架的振动响应。共固化阻尼 减振是一种将阻尼层嵌入复合材料铺层中并共固化成型从而提高结构阻尼能力的振动控制技 术。首先,应用复合材料等代设计方法给出了无阻尼支架原型。然后,采用有限元法计算了 原型支架关键模态的应变能分布规律,确定出阻尼材料铺敷位置。参数化研究了阻尼层铺层 位置、阻尼层厚度对共固化阻尼减振效果的影响,确定了阻尼减振设计参数。最后,比较了 共固化阻尼支架与无阻尼支架的随机响应,验证了共固化阻尼减振设计效果。
     

大尺寸CFRP固体火箭发动机壳体湿法缠绕用树脂配方研制

针对大尺寸炭纤维增强复合材料（CFRP）固体火箭发动机壳体的制备要求,研制了一种具 有良好粘度－温度及粘度－时间特性的炭纤维复合材料湿法缠绕成型树脂配方A。采用差示 扫描量热法（DSC）、傅立叶红外光谱（FT-IR）等分析技术对树脂基体的固化反应进行了系 统地研究,并测试了配方的粘度、力学性能及容器爆破强度。结果表明,该树脂配方A的反应 表观活化能为41.71 kJ／moL,室温下粘度低（≤0.5390 Pa·s）,适用期较长 （＞48 h ） ,不仅完全满足大尺寸CFRP固体火箭发动机壳体的湿法缠绕成型工艺要求,而且其树脂基体 及其炭纤维复合材料表现出优良的力学性能。炭纤维复合材料界面粘接良好,缠绕的
Φ150 mm容器的PV／W均大于48 km,纤维强度转化率达到89.0％以上。
     

阶梯式胶接连接复合材料连接效率评价

对阶梯式胶接连接复合材料层合板的拉伸性能和弯曲性能进行了试验研究,分析了铺层角度、搭接长度对胶接连接后层合板拉伸和弯曲强度连接效率及失效模式的影响。试验结果表明,搭接长度对试件的刚度影响较小,强度影响较大,随着搭接长度的增加,连接效率逐渐增大;[0/90]4S铺层试件拉伸和弯曲强度的最大连接效率分别为23.5%和34.7%,[±45]4S铺层试件拉伸和弯曲强度最大连接效率分别为37.2%和106.0%;与斜接式胶接连接复合材料相比,阶梯式胶接连接效率低于斜接式胶接连接效率,[±45]4S铺层试件连接效率优于[0/90]4S铺层试件连接效率;拉伸试件主要的失效模式为胶层失效、分层失效和纤维撕裂。搭接长度较小的弯曲试件容易在胶接处断开,出现胶层失效和纤维撕裂,搭接长度较大的弯曲试件胶接处未完全断开,出现分层失效。     

复合材料孔板在湿热环境下的力学性能研究

研究了湿热环境对中心开孔复合材料层压板力学性能的影响.通过试验测定了室温和湿热环境下铺层为[45/45/90/0]s的玻璃纤维(MXB7701/7781)复合材料层压孔板的极限压缩破坏载荷及破坏应力,并对试验结果进行了数理统计处理分析；探讨了湿热环境对复合材料孔板强度及压缩设计许用值的影响.结果表明,湿热会降低由基底性...     

铺层结构对复合材料层合板固有频率的影响

搭建四角简支的复合材料层合板的模态振动实验平台。使用锤击单点激励法获取层合板不同测点位处的频响函数;利用DHDAS动态信号分析系统测得不同铺层结构复合材料层合板的前三阶固有频率,及对应的振型;进一步分析铺层结构对复合材料层合板的振动特性的影响。结果表明,改变测点位置对层合板整体的固有频率影响较小;复合材料层合板的铺层结构对固有频率有很大影响;[0°/90°/±45°]s4铺层结构的层合板的抗冲击性最强、结构整体的刚度最高。     

T-700/聚三唑树脂复合材料性能研究(英文)

热固性聚三唑树脂(PTA)具有突出的力学、热学性能,分子可设计性强,工艺性好,可与多种增强纤维复合制成高性能复合材料。通过浇注体研究了一种热固性PTA树脂的力学、热学性能,固化体系玻璃化温度接近200℃。采用扫描电镜(SEM)、单向板、NOL环等方法,对T-700炭纤维/PTA树脂复合材料性能及粘接界面进行了系统研究。结果表明,复合材料的拉伸、压缩性能与T-700炭纤维/E-51环氧树脂复合材料相当,剪切性能低20%~40%。通过SEM对复合材料粘接界面分析,破坏断面"拔出"纤维表面光滑,挂胶较少,界面粘接相对薄弱是影响复合材料性能的主要因素。     

M40/环氧648准各向同性层板力学性能分析

以M40石墨纤维为增强材料与环氧648-三氟化硼单乙胺为树脂基体材料组成的M40/环氧648复合材料,已成为我国应用卫星结构的主要材料之一。文中通过对其单向板工程常数测定,着重对M40/环氧648准各向同性层板的力学性能进行了分析和讨论。     

超低温对T700碳纤维/环氧复合材料弯曲性能的影响

研究正交铺层的碳纤维增强环氧树脂基复合材料（CFRP）在超低温的环境下的弯曲性能和损伤破坏形式。对复合材料试样进行不同时间的液氧浸泡处理和不同次数的常温/液氧温度热循环处理来模拟液氧燃料贮箱使用工况,通过配有超低温试验装置的力学试验机研究CFRP在不同超低温条件处理前后的低温弯曲强度和弯曲模量的变化规律;采用扫描电子显微镜（SEM）对破坏前后试样的微观形貌进行分析。结果表明,经过液氧浸泡及常温/液氧温度热循环处理的CFRP的超低温弯曲强度和模量变化趋势基本一致,均随时间和循环次数的增加先下降后上升,这种变化规律与其超低温环境下材料的微观结构变化密切相关。结合CFRP破坏前后的宏观和微观结构特性以及微裂纹的扩展规律,揭示了正交铺层CFRP超低温弯曲性能变化的 机理。     

增韧剂含量对国产高强中模炭纤维环氧复合材料耐冲击性能的影响

采用国产CCF800H高强中模炭纤维增强高温固化环氧制备了复合材料,研究了不同热塑粉料含量对复合材料抗低速冲击及冲击后压缩性能的影响。研究表明,采用层间增韧方式,随着聚芳醚酰亚胺含量的提高,层合板的损伤阈值载荷值(DTL)逐步提高,而DTL峰值与谷底之间的载荷差值逐渐降低,内部损伤区域逐渐减少,显示冲击阻抗提高,而损伤形式由大面积的分层逐渐转变为树脂基体开裂与增强纤维断裂的模式,冲击后压缩强度(CAI)获得显著提升,证明采用层间增韧技术获得的高韧相结构能够大幅提升层合板耐低速冲击性能。     

航天用纤维增强金属层合板

迄今铝合金仍是航空航天产品的主要结构材料,但它目前正受到纤维增强聚合物和新近崛起的纤维增强金属层合板(FRML)的强有力的挑战。这些新颖材料具有强度高、质量轻、模量高、膨胀系数低和耐疲劳性能好等优点。因而自它们一出世,就受到航空航天界的重视,文中对纤维增强金属层合板的制作方法和它的力学性能作了简要介绍。     

纤维增强复合材料的界面裂纹分析

用界面裂纹接触区模型模拟界面缺陷，分析了碳纤维增强碳化硅复合材料界面裂纹尖端应力场的奇异性。由数值求解方法推导得出，减小界面缺陷尺寸或增加纤维与基体的弹性模量比，可以使该复合材料剪应力强度因子的水平值明显提高。实验结果证明了理论推导的正确性。     

混杂纤维增韧SiC基复合材料的强度分布

以采用化学气相渗透法(CVI)制备的SiC纤维和C纤维混杂增韧SiC基复合材料((SiC-C)/SiC)的弯曲强度数据为依据,以Weibull分布为假设,采用图解法结合逐步回归优选法进行参数估计,并采用Kolmogorov-Smirnov法对(SiC-C)/SiC复合材料的强度分布进行假设检验。结果表明,(SiC-C)/SiC复合材料的强度统计服从Weibull分布。依据获得Weibull分布函数预测(SiC-C)/SiC的强度值与实验值偏差仅为0.19%,复合材料强度可靠性较好。     

纺丝工艺对炭纤维缠绕复合材料强度转化率的影响

通过不同纺丝工艺的聚丙烯腈基炭纤维表面状态、NOL环及Φ150 mm容器的实验研究,分析了不同纺丝工艺对湿法缠绕复合材料聚丙烯腈基炭纤维强度转化率的影响。结果表明,干喷湿纺炭纤维比湿法纺丝Φ150 mm容器环向纤维强度转化率要高出11.9%~15.4%,湿法纺丝的炭纤维复合材料NOL环层间剪切强度要比干喷湿纺炭纤维复合材料高7.4~34.1 MPa。因此,干喷湿纺的炭纤维可应用于固体火箭发动机缠绕壳体、压力容器等主要承受拉伸应力的领域,可充分发挥其纤维强度;而湿法纺丝工艺制成的炭纤维与树脂基体结合紧密,利于载荷的传递,可应用于承受压缩剪切等复杂载荷的领域,从而发挥这两种纤维各自不同优势。     

复合材料界面强度微脱粘测定技术的研究

研究了测定复合材料中纤维与基体间界面剪切强度的微脱粘方法及仪器，该仪器可直接对取自实际复合材料的微小样品进行单纤维原位测量，不必专门制备样品，并且精密度高，成功地表征了碳纤维增强复合材料界面性能，它对于复合材料两相间界面粘结状况、界面设计的研究是一种十分有效的手段。