2D-C/SiC复合材料开孔试件拉伸特性和失效分析

通过对2D-C/SiC复合材料4mm和6mm开孔试件进行拉伸试验,研究了开孔试件的拉伸特性和失效模式,与标准试件拉伸试验结果比较获得了开孔尺寸对试件强度的影响。相比于标准拉伸试件,4mm和6mm开孔试件的拉伸强度分别减小了1.0%和6.6%。通过在开孔试件不同位置粘贴应变片,获得了试件在拉伸过程中最小净截面上的应变变化规律,直观地体现了试件拉伸过程中的应变集中现象,并通过有限元对开孔试件的应变分布进行模拟,模拟结果与试验值吻合较好;通过在试件表面粘贴声发射探头,获得了拉伸过程中试件材料的损伤参量变化规律,反映了试件的宏观损伤演化规律,并结合试件断口照片分析了开孔试件的失效行为。     

含中心圆孔复合材料层合板失效分析及强度预测研究

对复合材料结构进行开孔将会导致结构强度显著下降。以含中心圆孔的复合材料层合板为研究对象,根据ASTM D 5766标准对三种不同铺层比例的含中心圆孔复合材料层合板进行拉伸试验,研究不同铺层比例对复合材料开孔拉伸试验件的拉伸性能和失效模式的影响。基于连续介质损伤力学,分别采用最大应变失效准则和基于物理失效机制的三维非线性Puck失效准则预测纤维和基体损伤的起始,通过应变表征损伤演化,建立含中心圆孔复合材料层合板的三维有限元模型;并进行数值分析,通过与试验结果对比,表明该模型能有效预测含中心圆孔复合材料层合板的拉伸强度和损伤扩展过程。     

复合材料层压板开孔拉伸力学性能探究

针对碳纤维复合材料层压板力学性能进行理论计算分析,并结合对某型号飞机上的复合材料层压板进行开孔拉伸试验。在层压板试验件上粘贴应变片,记录载荷应变—应力曲线,分析层压板的破坏过程,且通过比较不同的铺层,分析铺层角对层压板力学性能的影响,结合试验后试件照片,分析开孔拉伸试件的破坏模式和失效行为。最后,通过有限元分析软件对层压板进行仿真分析,仿真结果与试验吻合度很高。     

碳纤维/聚酰亚胺树脂基复合材料开孔件的连接力学性能

针对碳纤维/聚酰亚胺树脂基复合材料不同的开孔连接形式的力学性能进行研究.采用了平板轴向拉伸试验方法,对复合材料开孔件、复合材料开孔后铆接金属件、复合材料预埋开孔金属件等开孔连接形式试件的拉伸性能进行了比较,并进行有限元分析.     

平纹编织C/SiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

通过单向拉伸试验,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在室温和高温(1300℃,包括惰性气氛和湿氧气氛)环境下的宏观力学特性,并采用光学显微镜和扫描电镜对试件断口进行显微观察,分析其损伤模式和破坏机理。结果表明:C/SiC复合材料的室温和高温拉伸行为通常表现为非线性特征,在低应力时就开始出现损伤;纤维与基体之间界面滑行阻力的降低使C/SiC复合材料在高温惰性气氛环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的高;碳纤维的氧化严重影响材料的承载能力导致高温湿氧环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的低;C/SiC复合材料室温和高温下的拉伸均呈现韧性断裂,断口较为相似,只是纤维拔出长度和断口的平齐程度有所不同,其中高温惰性气氛环境下纤维拔出最长,高温湿氧环境下试件断口有明显的被氧化痕迹;0°纤维束表面基体开裂、明显的层间分层以及0°纤维和纤维束的拔出和断裂同时携带90°纤维束拔出是C/SiC复合材料在室温和高温下的拉伸破坏机理。     

C/C机织复合材料开孔板强度有限元模拟

三维机织复合材料已在航空航天领域得到广泛应用,研究开孔C/C机织复合材料在拉伸和压缩状态下的损伤机理具有重要工程价值。建立开孔C/C三向正交机织复合材料试验件的镶嵌有限元模型,在孔周范围内按照材料的细观结构建立细观尺度有限元模型,采用基于细观力学的强度准则对其拉伸和压缩损伤演化过程进行模拟,并预测其极限拉伸、压缩载荷和拉伸、压缩强度。结果表明:在拉伸与压缩载荷下,由于缝线与纤维束接触区域的应力集中,使得开孔板经纱多处区域出现损伤起始,开孔板损伤区域均呈"X"形扩展。     

超薄碳纤维预浸料复合材料国内外发展现状和趋势

超薄碳纤维预浸料复合材料是近年来复合材料研究的新趋势,国内超薄碳纤维预浸料复合材料的相关研究起步较晚,研究方向单一,系统地总结归纳有助于未来研究方向的调整与研究目的的明确.本文综述了2000年至今国内外大部分超薄碳纤维预浸料与常规碳纤维预浸料复合材料的对比试验,包括无损拉伸试验、开孔拉伸试验、无损压缩试验、机械连接试验、冲击试验、疲劳试验以及环境影响等,通过对比分析认为:薄层化后的预浸料复合材料在抗裂纹萌发和裂纹扩展方面具有显著的性能优势,从而影响了碳纤维预浸料复合材料成品的各项性能参数,表明超薄碳纤维预浸料复合材料优异的应用前景.     

含裂口损伤复合材料层合板拉伸试验及数值模拟分析

通过对无损、含损(不同长度的裂口损伤)的碳纤维复合材料层合板进行拉伸试验,研究了裂口损伤形式对碳纤维复合材料层合板拉伸性能的影响。经试验研究,碳纤维复合材料无损层合板的拉伸强度为517.37MPa;且裂口损伤使碳纤维复合材料层合板的拉伸性能显著降低。相比无损层合板的拉伸性能,裂口为5mm的层合板拉伸强度降低26.3%,裂口为15mm的层合板拉伸强度降低23.4%。采用基于三维渐进损伤失效准则编写的子程序对碳纤维复合材料层合板进行拉伸数值模拟分析,模拟了含损层合板的损伤起始过程。通过与试验结果进行比较,验证了模型的合理性。     

基于渐进损伤理论的复合材料开孔拉伸失效分析

为研究碳纤维复合材料在受载情况下损伤的萌生、扩展及材料失效行为,采用三维Hashin失效准则预测材料的初始失效,基于渐进损伤理论提出了一种用于材料损伤后的刚度折减方案。利用编写的UMAT用户子程序对碳纤维复合材料板开孔拉伸进行数值分析,并将数值计算结果与碳纤维复合材料板开孔拉伸实验结果进行对比分析,结果表明数值分析对极限载荷的预测和失效过程的预测结果与实验结果吻合较好。     

冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板典型力学性能的影响

采用CYCOM 7701/7781玻纤环氧织物预浸料和中温固化工艺制造复合材料单向层压板试件。将试件分为三组,分别在低温干态(cold temperature dry,CTD)、室温干态(room temperature dry,RTD)和高温湿态(elevated temperature wet,ETW)三种温度和试件吸湿情况下,测试复合材料单向层压板的无缺口拉伸强度、开孔拉伸强度、无缺口压缩强度、开孔压缩强度和冲击后压缩强度,研究冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781复合材料单向层压板典型力学性能的影响。结果表明:在CTD、RTD和ETW三种环境下,开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板平均拉伸强度均有十分不利的影响,拉伸强度下降约50%;开孔明显地降低了复合材料层压板的拉伸强度的变异系数;在CTD和RTD情况下,冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板平均压缩强度均有十分不利的影响,两种情况的影响比较接近,均下降45%~55%;在ETW环境下开孔使压缩强度下降约为50%,冲击损伤使压缩强度下降30%左右,表明开孔对压缩强度的影响比冲击损伤更为显著。     

超低温用碳纤维增强树脂基复合材料的性能研究

根据低温液氧贮箱的缠绕工艺与特殊使用环境要求,分别针对3种自制的环氧树脂体系进行系统的工艺特性与低温抗裂纹性能研究。在此基础上以T700纤维复合材料为研究对象,详细考察其在超低温和高低温循环条件下的力学性能稳定性,并对其液氧相容性进行测试。最终以小型碳纤维复合材料筒体进行综合性能验证。研究结果表明,SFC-3环氧树脂具有较好的缠绕工艺特性,且在超低温和高低温交变条件下具有优异的抗裂纹特性。T700/SFC-3环氧复合材料分别经过高低温交变和超低温处理后,拉伸性能保留率在92%以上,且该复合材料具有良好的液氧相容性。T700/SFC-3环氧树脂复合材料筒体具有极好的耐高低温稳定性和气密性。     

压力浸渍过程中P-55纤维和铝合金界面反应的控制

 压力浸渍法是制造金属基复合材料方便而廉价的方法。在这种工艺过程中,能独立控制纤维预制件温度T_p、熔融金属温度T_m、浸渍压力P和冷却速度等重要工艺参数。在金属基复合材料中,纤维与基体间的界面反应使纤维强度下降,复合材料性能恶化,从而限制了复合材料的广泛使用。本文主要研究如何控制无涂层的P-55纤维与1100Al和Al-0.34％Ti合金之间的界面反应,讨论压力浸渍法工艺参数对P55/Al和P55/Al-Ti复合材料组织、性能的影响。结果表明:通过控制工艺参数来缩短纤维与熔融金属铝之间的接触时间和在基体中加入钛元素以降低碳在熔融铝中的活性可以制造出高性能的复合材料。     

植入FBG的碳纤维复合材料全寿命周期结构状态研究

将光纤光栅传感器与碳纤维复合材料进行一体化集成设计,在碳纤维复合材料内部植入光纤光栅传感器,验证了埋置工艺的可行性,确认了其可实时监测环境温度值,研究了植入光纤光栅传感器后碳纤维复合材料的结构强度变化及光纤光栅的信号传递率。试验结果表明:碳纤维复合材料埋入光纤光栅传感器前后结构强度变化率小于10%,光纤应变信号传递率高于90%,光纤光栅传感器可以作为碳纤维复合材料结构进行从加工固化、使用过程直至破坏的全寿命周期的结构强度监测的有效手段。     

纤维增强基于α-BPDA 聚酰亚胺复合材料性能

为了考察基于α-BPDA聚酰亚胺复合材料的高温性能,制备了纤维增强复合材料,进行了高温力学和热物理性能的测试。研究结果表明纤维增强复合材料的T5d分解温度为565℃;Tg超过471℃;在450℃下的弯曲强度保持率大于42%,弯曲模量保持率大于55%,短梁剪切强度保持率超过44%;400℃空气热老化50 h后碳纤维复合材料的弯曲强度保持率66%,弯曲模量保持率为95%;300、500℃的石英增强复合材料的热导率分别为0.503和0.657 W/(m.K)。     

碳-铝复合材料低应力破坏原因探讨

本文主要就碳-铝复合材料的纵向抗拉强度低于混合律估算值,纤维的增强作用不能充分发挥,发生低应力破坏的原因进行探讨。研究了M40/LD_2,T300/LD_2,上碳/LD_2等碳-铝复合材料经液氮深冷—150℃冷热循环处理和不同温度加热真空处理,产生不同程度的界面反应和界面状态所引起抗拉强度的变化。分析探讨碳-铝复合材料发生低应力破坏的原因。 试验结果表明碳-铝复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应,造成碳纤维损伤,生成界面反应层,使纤维与铝基体的界面结合增强。过强的界面结合使裂纹易于向碳纤维内部扩展,造成脆断。界面结合强弱对碳-铝复合材料的破坏过程和抗拉强度有重要影响,控制碳纤维与铝基体的界面结合是获得高性能碳-铝复合材料的关键。通过适当的处理改善界面结合状态可使M40/LD_2复合材料抗拉强度提高25～40％。     

基于高温树脂传递模塑工艺的碳纤维/聚酰亚胺复合材料连接环制备与验证

根据连接环的结构特点,结合复合材料的力学特性及成型工艺要求设计了一种隔热/承载一体的碳纤维增强聚酰亚胺复合材料连接环,采用高温树脂传递模塑成型（RTM）整体成型工艺制备了复合材料连接环样件。超声检测结果显示,连接环内部质量良好。常温静强试验结果表明,在150%使用载荷下,连接环能保持良好的结构完整性,其最大应变仅为-491.0 με,满足常温静强度设计要求。520℃严酷热载荷下的静热联合试验结果显示,连接环在118%使用载荷下发生根部连接螺钉断裂失效,连接环本体未出现明显残余变形和损伤,满足热强度设计要求。有限元分析结果显示,常温条件下复合材料连接环的应力危险点出现在孔边,破坏方式主要为孔边的挤压破坏和层间剪切失效,高温条件下复合材料连接环失效位置主要出现在其外侧隔热层及螺栓孔处,对结构承载能力影响较小。     

T700碳纤维增强树脂复合材料性能试验研究

为了降低碳纤维复合材料制造成本,采用价格相对低廉的碳纤维T700替代T300作为复合材料增强相.本文主要介绍碳纤维T700和T300不同表面形态,并对其制成的复合材料力学性能进行对比试验和分析,结果表明复合材料采用碳纤维T700替代T300在方法上和试验上是可行的.     

复材制件固化过程温度控制的探讨与实践

复合材料制件在成型过程中温度均匀性的控制,是影响产品各项力学性能的关键因素之一。通过对实际生产中典型碳纤维/环氧复合材料固化过程进行分析,分别从零件构型、工装结构和热电偶模拟方式3个方面对碳纤维/环氧复合材料制件固化过程热温度控制进行研究。分析得出该类复材制件固化时零件温度控制的一般规律,为后续同类型零件的温度控制研究打下基础。     

混杂碳／碳复合材料超高温拉伸断裂模式

通过电子扫描电镜 (SEM)研究了混杂碳 /碳复合材料的组分微结构形态、内部微缺陷产生的原因以及随温度升高的演化规律 ,结合超高温拉伸试件断口的形貌分析 ,揭示了超高温条件下混杂碳 /碳复合材料的断裂机理。在温度和载荷载的作用下 ,基体内的孔洞和微裂纹逐渐融合、扩展、长大 ,纤维 /基体界面结合减弱、脱开 ,形成大的裂纹并沿着纤维 /基体界面迅速扩展 ,使得材料的性能退化 ,最终在某薄弱截面破坏