混杂复合材料高速拉伸动态力学性能

本文利用摆锤式单杆冲击拉伸装置对几种单一纤维复合材料及其混杂复合材料进行了高速拉伸动态力学性能的研究,探讨了混杂复合材料的应变率效应以及冲击拉伸破坏机理。结果表明,单一纤维复合材料和混杂复合材料在高速拉伸时均出现“高速应变强化”现象,且冲击拉伸破坏机理亦不同于静态拉伸破坏机理。     

玄碳混杂增强树脂基复合材料混杂比优化设计

对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强树脂基复合材料最优混杂比范围进行研究。以碳纤维与玄武岩纤维平纹织物为增强体,制备9种具有不同混杂比的混杂纤维复合材料(Hybrid Fiber Reinforced Polymer,HFRP)试样,并进行拉伸实验。依据平纹织物结构特点,计算得出平纹织物单胞性能参数,在ANSYS中,以SHELL181壳单元体建立HFRP有限元模型。该模型对试样刚度的模拟值与实验值近似。分析模型受力时的应力云图发现,存在将HFRP破坏形式分为一次破坏与二次破坏的临界混杂比。有限元模拟研究树脂含量为45%时,不同混杂比的HFRP刚度、强度和拉伸极限应变。当混杂比为60%时,可保证HFRP强度无折减的情况下,较玄武岩复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)刚度提高93.4%,较碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)拉伸极限应变提高11.3%。     

PBO纤维复合材料的拉伸性能研究

对PBO纤维的干纱、复丝以及单向复合材料的拉伸性能进行实验测试，探讨了测试标准对PBO复丝性能的影响，采用SEM观察了PBO纤维表面形貌和复合材料拉伸破坏断口特征，并与F-12纤维相应的拉伸性能进行了对比。结果表明：PBO纤维单向复合材料比F-12纤维具有更为杰出的拉伸性能，拉伸强度比F-12高约28．3％～55．4％、拉伸模量高约80％。PBO纤维复丝性能因测试标准不同其拉伸强度和拉伸模量相差较大。SEM观察到PBO纤维表面极光滑，与树脂界面粘结差，其复合材料拉伸破坏断口呈“皮芯”抽离和纤维撕裂破环特征。     

多向混杂纤维复合材料拉伸行为的研究

本文采用工程上常用的铺层角，保持铺层角度序列不变，通过改变混杂方式对多向混杂复合材料在拉伸载荷作用下的力学行为进行了实验分析研究，并与单向混杂纤维复合材料力学行为进行了比较，为混杂纤维复合材料准确地进行选材和材料设计，为混杂复合材料更广泛运用提供了理论基础。     

混杂纤维复合材料混杂效应的理论估算与实验

 对碳纤维、玻璃纤维混杂复合材料的层间、层内及夹芯结构试样在拉伸试验中混杂效应的理论估算与实验研究,揭示出了混杂比、分散度对混杂效应的影响规律,建立了估算混杂效应的经验公式,其计算结果与实验结果较为一致。     

混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能

为了考察混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能,采用碳纤维织物或玻璃纤维织物与芳纶纤维织物复合材料层共固化的方式,利用热压罐成型工艺制备了几种具有不同面密度及铺层结构的混杂纤维复合材料层板,并进行抗弹冲击性能测试、表观形貌观察和无损检测分析。结果表明:纯芳纶纤维及混杂纤维复合材料层板的钢弹冲击破坏模式相同,均为表层剪切破坏,中间层分层破坏,背层拉伸断裂破坏;层间混杂顺序对复合材料层板的分层缺陷面积有较大影响,当碳纤维层作为背层时,层板的分层缺陷面积为12 863. 6 mm2小于玻璃纤维层作为背层时(17 400. 5 mm2);当芳纶层作为背板时,混杂纤维复合材料层板冲击后分层缺陷面积与纯芳纶的相当(14 151. 0～14 927. 0 mm2)。混杂纤维复合材料对层板的抗弹冲击性能有较大影响,混杂后复合材料的弹道极限速度(v50)均有一定程度的提高,其中玻璃纤维/芳纶复合材料的v50从纯芳纶复合材料层板的193. 08提高至204. 33 m/s。将碳纤维层或玻璃纤维层作为着弹面层的混杂纤维复合材料层板具有更优异的抗弹冲击性能,其贯穿比吸能(BPI)均优于纯芳纶复合材料层板。     

混杂纤维复合材料的冲击特性

 本文通过Charpy冲击试验,对混杂纤维复合材料的冲击强度、冲击韧性指数随混杂比、界面数变化的规律以及冲击混杂效应作了研究,并且建立了冲击强度估算模型。     

SiC/SiC mini复合材料拉伸性能分散性的数值仿真方法

建立了一种能够高效计算连续纤维增强SiC/SiC陶瓷基复合材料力学性能统计分布函数的数值仿真方法。建立SiC/SiC mini复合材料简化二维胞元模型,输入组分材料力学性能参数的概率分布函数,得到胞元的力学性能。将胞元作为mini复合材料二维模型的单元对模型进行网格划分,并赋予其材料性能参数,从而得到mini复合材料的拉伸应力-应变曲线。经多次重复计算得到了mini复合材料拉伸应力-应变曲线的概率分布函数。从结果中发现,SiC/SiC mini复合材料拉伸强度满足威布尔分布,且相比于纤维和基体强度的模数,复合材料拉伸强度的模数增大,即分散性减小,同时尺度参数降低,表明mini复合材料出现概率最大的拉伸强度值变小;随着纤维和基体强度概率分布威布尔模数的增大,mini复合材料拉伸强度的尺度参数有增大的趋势。      

三维中空夹芯复合材料拉伸性能的有限元分析

利用有限元软件Workbench,建立了三维中空夹芯复合材料结构模型,进行拉伸性能研究。利用该模型,探讨了材料在1 mm拉伸位移载荷作用下纤维、树脂和复合材料的应力、应变分布。结果表明:三维中空夹芯复合材料在拉伸载荷作用下,"X"形芯材交叉处应力最大,最容易发生拉伸破坏;上下面板应力最小,最不容易发生拉伸破坏;复合材料在承受拉伸载荷作用时,增强体纤维起主要承载作用,基体树脂起次要作用;当拉伸位移载荷达到1 mm时,材料的破坏模式主要为树脂破裂。     

缠绕复合材料壳体爆破压强的预测

针对缠绕复合材料壳体在内压作用下的破坏问题，基于连续损伤介质力学方法，建立了一种缠绕复合材料渐进损伤破坏分析模型。模型中考虑了纤维破坏、基体损伤和纤维/基体开裂3种破坏模式，并针对缠绕复合材料面内剪切非线性的实际，建立了面内剪切非线性模型。通过子程序UMAT将模型嵌入ABAQUS/Standard中，对含缺口缠绕复合材料试件拉伸过程进行了仿真计算，验证了模型的正确性。采用该模型对缠绕复合材料壳体的水压破坏过程进行了仿真分析，结果表明:内压作用下缠绕复合材料的最终破坏是由于纤维断裂导致的，且纤维破坏主要出现在环向层，基体破坏主要出现在纵向层。      

短纤维增强热塑性树脂复合材料断裂机理研究

测定了两种短碳纤维(CF)增强热塑性树脂复合材料(CF/PPS和CF/PES-C)的抗拉强度(σ_y)、杨氏模量(E)反断裂韧性(K_(IC)等性能随碳纤维体积分数(0～40vol％)的变化。杨氏模量随CF含量增加而线性增加,Krenchel系数为0.05。σ_y和K_(IC)随CF增多而增大,在25vol％处出现峰值。根据裂纹钉扎模型,结合对负载-位移曲线及断口形貌,着重从界面结合力特征进行分析;计算得两种复合材料的等效裂纹张力分別为26kJ/m和2.1kJ/m。     

热压工艺对SiO2f／SiO2复合材料结构与力学性能的影响

采用真空热压烧结工艺制备了SiO2短纤维补强增韧的SiO2玻璃陶瓷基复合材料，研究了烧结温度和保温时间对其显微结构和力学性能的影响规律，结果表明，SiO2f/SiO2复合材料的强度和韧性较石英玻璃有明显改善；延长热压保温时间、提高烧结温度、虽有利于材料致密化，但析晶量增加和纤维退化更严重，复合材料的强度和断裂韧性随之下降。     

复合材料断口形貌与性能

本文用扫描电镜分析复合材料断口形貌的方法,研究了基体性能、固化过程中的加压时机对复合材料力学性能的影响。并分析了断口形貌与力学性能的内在联系。研究结果可供设计复合材料参考。     

碳纤维和石墨纤维增强铝复合材料界面反应与性能的关系

 研究了碳纤维和石墨纤维增强纯铝复合丝的界面反应产物A1₄C₃的量与温度、复合丝的室温拉伸强度与A1₄C₃量及温度的关系。对各类复合丝的断口形貌进行了扫描电镜分析,对应于不同的热暴露温度及强度有三种断口特征。用盐酸溶液脱去了经不同温度热暴露后复合丝中的铝基体,分析了脱铝纤维的表面形貌,测定了拉伸强度,得到了复合丝中纤维受到损伤的温度范围。     

混杂纤维复合材料吸湿行为研究

 本文采用80℃水浸的方法,研究了不同类型混杂复合材料层压板的吸湿行为,找到描述混杂复合材料吸湿规律方程。同时,从理论上对混杂复合材料的平衡吸湿量及湿扩散系数进行了分析,建立了数学表达式,理论与实验较好吻合。     

二维和三维纺织结构复合材料弹性性能的研究

提出了预测纺织结构复合材料弹性模量的理论方法,该法考虑了结构中实际存在的纬向纤维束和经向纤维束的曲屈对纺织结构复合材料弹性性能的影响,建立了复合材料弹性性能与织物结构参数——纬向和经向纤维束平均取向角之间的关系;并通过实验测试考察了以二维和三维织物制备的碳纤维织物／环氧树脂复合材料的弹性性能,将弹性模量的理论计算结果和实验数据相比较,证明了所提出的计算模型是精确的     

单向纤维增强复合材料的压缩弹塑性微屈曲

本文讨论单向纤维增强复合材料在沿纤维纵向承压时的贯穿型细观失稳。文中提出纤维弹塑性微屈曲的观点,并由弹塑性稳定理论导出层状周期排列的纤维复合材料的临界失稳载荷参数式。结合压缩应力应变关系可进一步确定弹塑性失稳点的位置,从而导出压缩强度的理论公式。所得理论预测值与4种主要纤维增强复合材料的实验结果均能定量符合。借助该理论公式,可分别对由脆性和由韧性纤维增强的压缩折带破坏模式作出定性解释。