三维六向编织复合材料拉伸性能的实验研究

通过三维六向编织T700/TDE86复合材料的纵向拉伸实验,从宏观角度研究了其力学行为,获得了这些材料的主要力学性能参数及破坏规律.实验结果表明,影响三维六向编织复合材料力学性能的最主要参数是编织角,材料的拉伸弹性模量和拉伸强度受编织角的影响显著;编织角较小时,拉伸应力-应变曲线接近于线性,材料表现为脆性特征.本文还利用OLYMPUS体视显微镜对试件断口进行了观察,并对三维六向编织复合材料的破坏机制进行了分析.所得结论为进一步研究三维六向编织复合材料的刚度和强度预报奠定了实验基础.     

三维五向编织复合材料宏细观力学性能分析

基于三维五向编织复合材料的细观结构胞元,采用细观有限元方法建立了材料宏观等效弹性性能的力学分析模型。模型数值结果与拉伸试验数据基本吻合,说明模型可用于该材料的宏观力学性能预测。经分析其细观应力分布及变形,表明基于胞元分析的力学模型能有效预测含周期性结构材料的细观力学响应。由于该模型能给出较为合理的细观应力应变场,为进一步开展三维五向编织复合材料的失效分析奠定了基础。
     

基于均匀化方法的三维编织复合材料等效弹性性能预测

由于三维编织复合材料具有复杂的空间拓扑结构,其力学性能分析通过宏观有限元方法往往因为占用大量的计算机内存而难以实现。从细观结构入手,计算材料的等效弹性模量可大大降低计算量。现建立了等效弹性模量的均匀化列式及有限元求解方法,运用该方法对三维编织复合材料的等效弹性性能进行了预测,并提出了三种单胞模型的周期性边界条件的施加方法。通过该方法得到等效弹性模量与实验结果较为吻合,从而有利于进行下一步的细观应力场计算。     

三维编织细编穿刺炭/炭复合材料拉伸与压缩性能及试件尺寸效应研究

通过对三维编织细编穿刺炭/炭复合材料的Z向和XY向进行的拉伸、压缩宏观实验,观测了不同载荷形式下和不同几何尺寸的试件的破坏模式和断口形貌,得到了材料在拉伸、压缩载荷下不同的破坏机理及材料的力学性能与试件几何尺寸的相关性。研究表明,材料Z向拉伸破坏时为平断口,XY向拉伸破坏时为台阶状断口,压缩载荷作用下Z向和XY向都为与受力方向成45°的剪切型破坏,Z向和XY向的压缩强度随试件的几何尺寸的变化具有相同的变化趋势,但Z向变化趋势较XY向更明显。所获结论为进一步进行该材料的刚度和强度预报以及强度准则的建立奠定了必要的实验基础。     

单层编织增强复合材料力学特性计算

单层编织增强复合材料具有优异的比强度、比刚度和变形特性,逐渐被应用于空间可展结构。其一般采用薄壳形式,应用基于均匀化ABD刚度矩阵的壳体理论可提高结构计算效率。对于非对称编织增强物,如按经典复合材料理论计算,中性面偏移会导致不准确的耦合效应。本文提出了一种基于单胞模型的多尺度方法,通过确定中性面并施加周期边界条件,计算任意单层编织复合材料的ABD刚度矩阵和模量值。对比试验验证了方法的准确性,预测了平纹、破斜纹1/3、斜纹1/3编织增强复合材料刚度及模量随编织密度的变化趋势,给出了单胞的合理应变分布。     

三维多向编织复合材料压缩性能的试验研究

采用短标距薄板试件法对三维五向和六向编织复合材料试件进行了压缩试验。该方法可以避免试件产生整体屈曲和端部纤维束开裂破坏,适用于三维编织复合材料的压缩试验。同时,在试验的基础上,分析了该类材料的纵向压缩刚度、压缩强度和泊松比随编织工艺参数的变化规律以及材料的失效形式。三维五向和六向编织复合材料在破坏前基本保持线弹性,纵向压缩破坏具有脆性特征。编织角的增大导致了材料纵向压缩性能下降。减小四向编织纱线的细度,有利于提高材料的纵向压缩性能。此外,三维六向编织复合材料的纵向压缩性能低于三维五向编织复合材料。     

三维编织复合材料细观结构参数对有效弹性模量影响

应用细观力学方法对三维编织结构复合材料的有效性能进行预测是研究编织复合材料宏观性能的重要途径。细观结构参数决定编织体内纤维束的结构形态特征及复合材料的各种性能。根据作者提出的三维四向编织复合材料代表单元模型 ,文章应用选择平均法 (SAM)详细的分析了主要细观结构参数(单步步长、纤维束弯曲半径 )与编织体有效弹性模量之间的变化关系 ,分析了细观结构参数对编织体有效弹性模量的影响 ,为材料优化设计奠定基础     

三维编织复合材料细观结构参数对有效弹性模量影响

应用细观力学方法对三维编织结构复合材料的有效性能进行预测是研究编织复合材料宏观性能的重要途径。细观结构参数决定编织体内纤维束的结构形态特征及复合材料的各种性能。根据作者提出的三维四向编织复合材料代表单元模型，文章应用选择平均法(SAM)详细的分析了主要细观结构参数(单步步长、纤维束弯曲半径)与编织体有效弹性模量之间的变化关系，分析了细观结构参数对编织体有效弹性模量的影响，为材料优化设计奠定基础。     

考虑孔隙缺陷三维编织C/C复合材料渐进损伤及强度预测（英文）

为研究三维编织C/C复合材料单轴拉伸渐进损伤与失效强度,考虑了材料内部纤维增强相、基体相和界面随机孔隙缺陷,建立了三维编织C/C复合材料单胞有限元模型。基于Linde等人提出的破坏准则描述纤维束纵向拉伸剪切破坏和横向破坏,基体采用最大主应变破坏准则,界面采用双线性内聚力本构模型和二次应力破坏准则,建立了与单元特征尺度、局部应变以及断裂能相关的指数型损伤演化律。采用有限元法结合周期性边界条件模拟了材料细观损伤起始、演化与失效过程,并预测了材料轴向拉伸强度。结果表明;材料轴向拉伸强度主要由纤维棒纵向拉伸强度控制,与不考虑材料孔隙缺陷的模拟结果相比,考虑材料孔隙缺陷的强度预测值与实验值更加接近,此外,孔隙缺陷对材料拉伸强度的影响大于对拉伸模量的影响。     

“东丽卡”T1000超高强度碳纤维及其复合材料性能

高强度、中摸量碳纤维“东丽卡”T1000已研制成功。用树脂浸渍束丝试样,测得的T1000纤维的拉伸强度>7GPa,拉伸弹性模量为294GPa,断裂极限伸长率为2.4％。它的高拉伸强度很好地反映于其复合材料中。当它同合适的树脂系统结合时,得到的复合材料拉伸强度达3.5～3.8GPa。断裂伸长率达2.0％。     

损伤形式对三维编织复合材料细观结构和弯曲性能的影响

通过分析损伤前后三维编织复合材料细观结构的变化,建立了剩余纱线长度的计算公式.对损伤前后三维编织复合材料试件进行了三点弯曲实验,分析了材料弯曲强度和弯曲弹性模量的变化规律和失效形式.主要讨论了2种编织角和4种损伤方案,包括沿宽度方向单边切割、沿宽度方向双边切割、沿厚度方向单边切割、沿宽度和厚度方向同时切割.实验结果表明,损伤前后的弯曲性能均随编织角的增大而减小;沿宽度方向切割对弯曲性能影响不明显,沿厚度方向切割对弯曲强度和模量影响较大,沿厚度和宽度同时切割的试件力学性能下降最大,接近60%.切割面受拉试件比切割面受压试件的弯曲性能降幅稍有增大.     

炭／环氧三维多向编织复合材料圆管相贯接头承载有限元分析

对三维多向编织复合材料圆管相贯型接头进行材料设计。从采用微观力学反算法确定组分材料性能出发,由刚度平均化方法基于单胞模型确定复合材料的本构特性,利用Patran/M arc对炭/环氧三维多向编织复合材料圆管相贯型接头的承载性能进行有限元应力分析,讨论细观结构形式和编织角对接头结构受力变形行为的影响。结果表明,大编织角三维六向编织复合材料的特性更接近各向同性,有利于提高接头的承载性能均衡性,该分析方法和结果为三维异型整体多向编织复合材料结构的材料设计提供参考。     

轴棒法编织三维四向C/C复合材料压缩及弯曲性能

通过对轴棒法编织三维四向C/C复合材料进行压缩、弯曲实验,观测了材料在不同载荷下的应力-应变曲线以及压缩性能和弯曲性能数据,采用扫描电镜对断面形貌进行分析,并研究了材料的破坏机理.结果表明,轴棒法编织三维四向C/C复合材料具有良好的力学性能,编织结构对复合材料性能有较大影响,材料的轴向压缩强度大于径向,但轴向弯曲性能低...     

缝合密度对缝合C/C-SiC-ZrC复合材料的力学性能的影响

采用碳纤维无纬布缝合预制体,经"CVI+PIP"混合工艺制备了缝合C/C-SiC-ZrC复合材料。比较不同缝合密度对C/C-SiC-ZrC复合材料力学性能的影响,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料断口的微观形貌。结果表明,在一定范围内,随着缝合密度的提升,缝合C/C-SiC-ZrC复合材料的拉伸强度有所下降,然而剪切强度有明显提升,最大可达24.94MPa。从SEM结果可以看出,无纬布缝合C/C-SiC-ZrC复合材料的拉伸破坏有明显假塑性断裂特性,在剪切载荷作用下,Z向纤维可有效抑制材料层间分层损伤。     

一种全复合材料卫星天线承力筒的研制

针对卫星天线承力筒轻质、高轴向模量、低轴向热膨胀的需求,文章开展了承力筒总体成型方案设计、材料基础热力学性能测试及产品试制等工作,并通过了实验考核。结果表明:对于材料的热力学性能,按经纬向比例1︰2编织的M40J炭布层压板在常温下纬向拉伸模量为118GPa,纬向拉伸强度为771MPa;在(?190~150)℃范围内,纬向热膨胀系数为(0.3~1.4)×10?6℃?1,经向热膨胀系数为(0.3~5.3)×10?6℃?1。该复合材料承力筒比铝质承力筒质量减少40%以上。复合材料承力筒经过(?170~120)℃/24h、6.5个循环的高低温循环实验考核,产品无残余变形,内部未出现开裂、分层等现象。     

工艺条件对粉末浸渍CF/PEEK预浸料层压板力学性能的影响

为获得浸渍效果良好、力学性能优异的连续碳纤维增强聚醚醚酮耐高温热塑性复合材料(CF/PEEK),分别采用粉末浸渍槽法(方法1)、二次粉末涂覆法(方法2)、二次粉末涂覆+熔融浸渍法(方法3),制备了3种CF/PEEK预浸带。在380℃,20MPa条件下,通过模压成型制备了CF/PEEK复合材料层压板,并研究了其力学性能。结果表明:碳纤维含量均为61%时,通过方法3制备的CF/PEEK层压板综合性能最高。采用该工艺制备的单向层压板拉伸强度为2 238.41 MPa,拉伸模量为104.80GPa,弯曲强度为2 157.50 MPa,弯曲模量为142.01GPa,层间剪切强度为116.22MPa。双向层压板拉伸强度为1 114.17MPa,拉伸模量为62.84GPa,弯曲强度为1 317.34MPa,弯曲模量为70.82GPa,层间剪切强度为96.74 MPa。测试了CF/PEEK层压板的耐高温性能,150℃条件下的弯曲强度保持率为73%。     

柔性基体TWF复合材料弹性性能研究

利用碳纤维三向编织物（Triaxial Woven Fabric TWF）作为增强材料，与合适的柔性基体材料（例如硅橡胶）复合，制成兼具一定柔性和刚性的碳纤维三向编织物复合材料壳膜结构，作为可折叠展开的卫星天线反射器，是一种新型的高精度可展开天线实现方案。文章对采用硅橡胶的TWF复合材料进行了弹性性能的研究。采用细观方法，通过研究纤维和基体之间的相互作用，确定复合材料宏观力学性质与组份材料特性及细观结构之间的定量联系，对表征编织复合材料结构特性的三维单胞进行了均匀化有限元分析，最终将得到整个复合材料的弹性模量。首先，考虑纤维束交织情况（起伏波动）对单胞进行了精细几何建模，通过混合规则得到纤维束的材料特性；接下来，对单胞进行了有限元的分析，施加周期性边界条件，应用均匀化的方法通过6个独立加载分析得到体积平均应力、应变，从而得到刚度矩阵，最终获得工程常数。目前国内外对于柔性基体TWF复合材料的研究较少，对该材料弹性性能的研究，为今后该材料性能的进一步深入研究打下了坚实基础。     

芳纶/炭混编三维编织复合材料力学性能实验

基于三维五向和三维六向编织结构,设计并制备了4种芳纶/炭混编三维编织环氧复合材料,对比分析了芳纶/炭纤维混编方式(混编比)对三维五向和三维六向编织复合材料纵向拉伸性能、纵向和横向弯曲性能的影响。结果发现,同一种混编方式下,芳纶/炭三维五向编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能均高于三维六向编织复合材料,而其横向弯曲性能均低于三维六向编织复合材料;同一种编织结构下,炭纤维为轴纱/六向纱的芳纶/炭混编三维编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能较高;炭纤维为编织纱、芳纶纤维为轴纱的三维五向编织复合材料和芳纶纤维为编织纱、炭纤维为轴纱/六向纱的三维六向编织复合材料的横向弯曲性能和抗裂纹扩展能力明显提高。通过设计芳纶和炭纤维的混编方式,可进一步实现三维编织复合材料性能的可设计性。     

针刺预制体参数对C/C复合材料力学性能的影响

通过针刺与化学气相沉积分别制备碳纤维预制体与碳基体,获得针刺C/C复合材料.研究了针刺密度、针刺深度、网胎面密度等预制体成型工艺参数对C/C复合材料力学性能的影响,并探讨了预制体体积密度与C/C复合材料力学性能关联关系.结果表明,针刺密度在20～ 50针/cm2之间时,C/C复合材料拉伸强度先增后减,而层间剪切强度一直上升;针刺深度在10～16 mm之间时,拉伸强度和层间剪切强度随针刺深度的提高而增加;网胎面密度在100～300 g/m2之间时,拉伸强度和层间剪切强度随网胎面密度的提高而降低;当只改变针刺密度、针刺深度、网胎面密度其中一个成型参数时,拉伸强度和层间剪切强度受预制体密度影响显著,预制体密度可作为预测C/C复合材料力学性能的一个宏观成型参数.     

针刺预制体参数对C/C复合材料力学性能的影响（英文）

通过针刺与化学气相沉积分别制备碳纤维预制体与碳基体,获得针刺C/C复合材料。研究了针刺密度、针刺深度、网胎面密度等预制体成型工艺参数对C/C复合材料力学性能的影响,并探讨了预制体体积密度与C/C复合材料力学性能关联关系。结果表明,针刺密度在20~50针/cm2之间时,C/C复合材料拉伸强度先增后减,而层间剪切强度一直上升;针刺深度在10~16 mm之间时,拉伸强度和层间剪切强度随针刺深度的提高而增加;网胎面密度在100~300 g/m2之间时,拉伸强度和层间剪切强度随网胎面密度的提高而降低;当只改变针刺密度、针刺深度、网胎面密度其中一个成型参数时,拉伸强度和层间剪切强度受预制体密度影响显著,预制体密度可作为预测C/C复合材料力学性能的一个宏观成型参数。