T800碳纤维/PEEK热塑性复合材料的拉伸与剪切失效行为研究

采用T800碳纤维/聚醚醚酮(T800/PEEK)预浸料，以高温、模压方式制备了热塑性单向复合材料，通过拉伸、面内剪切试验方法对其模量和强度进行了测试分析，得到了不同载荷形式作用下的宏观失效破坏模式。针对T800/PEEK复合材料的微细观结构特点，建立了有限元代表性体积单元模型(RVE)和碳纤维、PEEK基体以及纤维/基体界面三种材料的本构关系，基于渐进损伤失效模型和内聚力模型得到了单轴拉伸/压缩、面内剪切载荷作用下单元模型的应力应变曲线和微细观失效模式。相比于试验测试结果，有限元模型预测得到的拉伸模量/强度相差最大为11%,剪切模量/强度相差最大为5%。     

混杂纤维复合材料受拉构件的最优混杂比研究

基于复合材料力学中的复合定律和断裂应变破坏准则,讨论了混杂纤维复合材料的断裂特性,得到了以纤维层拉伸强度和拉伸模量表示的两种纤维混杂复合材料受拉构件的临界混杂比和拉伸强度;并讨论了最优混杂比的选取方法。算例表明,文中给出的最优混杂比的确定,就是一种满应力的优化设计,它可用于固体火箭发动机混杂纤维缠绕壳体的初步设计。     

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。     

纤维增强复合材料静动态拉伸形变的碳纳米纸传感器监测

碳纳米纸可用作应变传感器监测纤维增强复合材料在静动态拉伸状况下的变形问题,这主要是通过测量与玻璃纤维增强复合材料一体固化成型的碳纳米纸传感器电阻变化来实现。试验结果表明,静态拉伸试验中,碳纳米纸传感器具有非常灵敏的应变传感性,在0~11 021με的应变范围内,其应变传感系数可达到22.1,在弹性极限点位置(应力为210MPa)电阻变化率发生突变;拉-拉疲劳试验中,当最大拉伸应力(215 MPa)大于弹性极限时,残余电阻变化率随疲劳周期增加明显加快;碳纳米纸传感器具有非常好的应变监测同步性和稳定性,完全可满足复合材料结构健康监测需要。     

高硅氧纤维增强苯并噁嗪树脂复合材料的制备及性能

以苯并噁嗪为基体树脂,短切高硅氧纤维为增强材料,制备了一种模压用复合材料。研究了该树脂的热性能、固化动力学性能及力学性能。结果表明,苯并噁嗪增强高硅氧纤维混合物随固化温度升高工艺窗口未发生显著变化,利用Kissinger、Crane法得到固化反应活化能为69.619 kJ/mol,反应级数为0.95。复合材料拉伸强度为35.5 MPa,,压缩强度为196 MPa,线烧蚀率为0.14 mm /s.     

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。     

针刺C/C复合材料高温力学性能试验及本构关系

为研究针刺C/C复合材料高温下力学性能,通过C/C材料试件不同温度下的拉伸、压缩及剪切性能试验,观察试件在高温和外载荷作用下的破坏模式,获得了材料不同温度下的应力-应变曲线。基于对Jones-Nelson-Morgan模型改进并引入温度系数,建立了C/C复合材料高温本构关系模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,在温度≤1800℃,针刺C/C材料为线弹性本构关系,C/C材料拉伸、压缩及剪切强度均随温度的升高呈先升高、后降低趋势,在温度≥1600℃后,强度逐渐降低;建立的高温本构模型计算结果与试验结果吻合较好; C/C材料整体表现为脆性破坏,拉伸破坏纤维拔出尺寸较短,压缩破坏断口呈现45°豁口。     

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。     

炭/芳纶混杂正交三向复合材料拉伸性能实验研究

设计制备了Z向纱为芳纶纤维、经纬纱为炭纤维和经纬纱间隔排列芳纶纤维与炭纤维的混杂织造的2种炭/芳纶混杂正交三向织物增强环氧树脂复合材料,采用基于全场位移的数字图像相关(DIC)方法,进行了其材料级拉伸性能试验,通过与炭纤维、芳纶纤维2种非混杂的正交三向复合材料对比,分析了炭/芳纶混杂方式对复合材料拉伸性能的影响。实验结果表明,经纬纱采用炭纤维,Z向纱为芳纶纤维的混杂正交三向复合材料面内拉伸模量和断裂强度最大,断裂伸长率和泊松比较高;接下来的复合材料拉伸模量和强度从高到低依次是非混杂的炭纤维复合材料、经纬纱采用炭纤维和芳纶间隔排列的混杂复合材料和非混杂的芳纶纤维复合材料。因此,按比例合理布置炭纤维和芳纶纤维的混杂正交三向复合材料,可实现强度和韧性的折衷设计。     

湿热老化对高性能复合材料性能的影响

通过湿热老化试验(温度为85℃,湿度为95%),研究了T700纤维/环氧和F-12纤维/环氧两种复合材料力学性能、玻璃化转变温度、热失重随老化时间的变化。结果表明,经湿热老化后,两种复合材料的拉伸强度、拉伸模量和剪切强度具有不同的变化规律,复合材料的玻璃化转变温度有较明显地下降。两种复合材料湿热老化机理有明显的区别,T700纤维/环氧复合材料老化后的性能稳定性优于F-12纤维/环氧复合材料。     

芳纶纤维对EPDM绝热层力学行为的影响

研究了芳纶纤维长度和用量变化对三元乙丙绝热层力学行为的影响。结果表明,随着芳纶短纤维用量增加和长度增大,绝热层的抗拉强度和伸长率均呈下降趋势,初始模量呈上升趋势,而且平行压延方向的变化程度明显大于垂直压延方向。此外,芳纶纤维明显改变了绝热层平行压延方向的拉伸应力-应变曲线形态,而且随着纤维用量增加和长度增大,绝热层的应力屈服点和初始模量逐渐提高,但最大拉伸应力和应变逐渐降低。     

纤维增韧陶瓷基复合材料的比例极限应力与残余热应力关系

从细观力学角度分析并建立了纤维增韧陶瓷基复合材料从制备温度冷却到室温过程中产生的残余热应力与复合材料的比例极限应力的关系模型。该模型表明,减少复合材料的残余热应力或提高复合材料的纤维与基体的模量比,均可提高复合材料的比例极限应力。通过单调拉伸实验测试了先驱体浸渍裂解法(PIP)制备的2D SiC/SiC复合材料的比例极限应力,并采用文中建立的比例极限应力与残余热应力关系模型,计算出复合材料SiC基体的残余热应力为-19.5 MPa。分析表明,该结果是合理的。此外,引用了公开文献报道的5种复合材料体系数据,用于验证文中所建立的比例极限应力与残余热应力关系模型的适应性和可靠性,计算结果与实验结果最大误差为18.6%,表明该模型具有较好的适应性和可靠性,可为纤维增韧陶瓷基复合材料的研究提供新思路。     

复合固体推进剂拉伸/压缩性能对比研究(英文)

为了获得药柱受压状态的模量参数,开展了推进剂压缩性能的探索测试。参照拉伸标准试件,进行了压缩试件尺寸的设计与调试,通过不同高度试件的测试结果及破坏形貌分析,确定了试件尺寸。在此基础上进行了不同应变下的推进剂拉/压对比测试。相同应变率下,压缩模量较拉伸模量高,压缩模量随压缩速度的变化规律与拉伸模量一致,随着速度的提高,模量随之提高。     

固体推进剂的变角剪切力学试验研究

利用改进的Arcan夹具对HTPB固体推进剂在0°～90°之间的10个角度进行了剪切试验,研究了固体推进剂在不同剪切角度下的应力应变关系.结果表明,随着加载角度的减小,拉伸作用逐渐被剪切作用取代,导致拉断应力、拉伸曲线斜率、断裂应变的减小;当拉伸角度为0°时,蝶形试件完全承受剪切作用,推进荆的剪切模量可通过对此时的数据进行相应转化得出.     

“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％。     

复合材料壳体固化成型过程残余应力和形变分析

大尺寸复合材料固化过程因加热不均,出现较大的温度梯度,进而导致固化不均匀;温度梯度和固化度梯度使得壳体内出现热应变和固化收缩应变,最终形成残余应力和结构形变。为分析复合材料壳体固化过程的结构变形,本文结合壳体的实际成型过程,考虑树脂的固化放热、固化收缩和复合材料的各向异性特性,采用CHILE(α)弹性模型,对复合材料壳体固化成型过程的热传递、残余应力衍化及固化变形进行数值研究。研究结果表明,凝胶点前,复合材料仅受到热膨胀作用;凝胶点后至降温前,受到热膨胀和固化收缩的共同作用,壳体先快速收缩后膨胀;降温阶段,壳体缓慢收缩。固化完成后,壳体的固化变形约为0.08,残余应力约为10~6N/m~2。     

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%。     

声发射法监测碳化硅纤维增强铝复合材料断裂过程

本文是利用声发射仪监测束丝碳化硅纤维增强铝复合材料断裂过程的研究报告。 在衰减参数为1×6db及振铃计数率为10~4/秒条件下,复合材料在拉伸过程中产生的声发射,其主要机理是碳化硅纤维的断裂。 对比SiC/Al复合材料、纯铝及铝合金三种材料的声发射计数率与应力——应变的关系曲线,发现复合材料的曲线只有按指数规律上升的一段,而没有纯铝及铝合金那样的延续段,表明复合材料是脆性断裂。SiC纤维是逐渐地而不是同时地断裂的。这样的断裂过程正是复合材料的强度具有离散性及往往低于ROM计算值的原因之一。 当应变值约等于断裂应变的60～80％时,声发射计数率急剧增大,表明这时复合材料已处于即将破断的不稳定状态,在结构设计及产品检验时可作参考。     

新型国产芳纶Ⅲ纤维的性能实验研究

测试了7批次新型国产芳纶Ⅲ纤维的复丝拉伸性能,且采用第07批次的芳纶Ⅲ纤维进行缠绕制作了NOL环试样和150 mm试验容器。实验结果表明,第04批、06批、07批芳纶Ⅲ纤维复丝强度平均值达到4 535 MPa以上,弹性模量大于139 GPa,这些性能与Armos(2A)纤维相当,断裂延伸率较Armos(2A)纤维低,约为2.9%~3.3%。芳纶Ⅲ纤维单向复合材料的拉伸性能也与Armos(2A)纤维相当,但层间剪切强度较Armos(2A)纤维低很多,150 mm国产芳纶Ⅲ纤维试验容器性能有高有低,表明芳纶Ⅲ纤维的成型工艺性差,线密度太低且不均匀,另外与树脂浸润性差,层间剪切强度低,有待于进一步优化成型工艺参数。     

碳纤维/PBO纤维层间混杂复合材料性能

分别采用HTA-P30碳纤维、T800碳纤维与PBO纤维进行了层间混杂,研究了不同的混杂比、不同性能的碳纤维以及不同的粘接界面对PBO/碳纤维复合材料的拉伸性能和层间剪切性能的影响。试验结果表明,T800与PBO纤维混杂后,复合材料的强度表现出混杂负效应,而模量和层间剪切强度表现出混杂正效应,且均随混杂比的增大而降低。PBO纤维经过表面处理后,提高了混杂复合材料的弱界面层粘结性能,从而强度、模量、层间剪切强度的混杂效应系数均有不同程度的增大,尤其是层间剪切强度的混杂效应系数提高程度很大,并且与纤维的表面状态密切相关。随着PBO纤维的混入,可降低复合材料性能的分散性(离散系数),提高质量可靠性。