Z-pin植入参数对X-Cor夹层复合材料力学性能的影响

 X-Cor夹层复合材料是一种新型的Z-pin增强泡沫夹层结构,具有突出的比强度、比刚度。采用热压成型工艺,在不同的Z-pin植入参数下制备了X-Cor夹层复合材料,并对这种结构材料的平压和剪切力学性能进行了研究,考察了植入角度、植入密度、植入方向等参数的影响规律。结果表明,Z-pin植入参数对X-Cor夹层复合材料的平压性能和剪切性能影响显著。X-Cor夹层复合材料平压性能随Z pin植入角度和植入密度的增大而增加,植入角度达到90°时,X-Cor夹层复合材料平压强度及模量最大;剪切性能随Z-pin植入角度的增大而减小,实验范围内,植入角度为45°时,剪切强度和模量最大;同时,X桁架的植入方向对剪切性能也有很大影响,相同Z-pin植入密度下,沿试样长度方向植入的X桁架含量增加时,夹层复合材料的剪切模量增加;X-Cor夹层复合材料的平压性能和剪切性能随Z-pin植入角度的变化规律相反,Z-pin植入角度在60°~70°之间时,X-Cor夹层复合材料平压性能与剪切性能均达到较高值。     

X-Cor夹层结构的平压模量试验与分析

通过分析X-Cor夹层结构平压模量预测公式的理论计算结果与试验值误差,提出了结构屈曲和Z-pin的长度差异引起的刚度折减的修正模型,并且详细分析X-Cor夹层结构刚度折减的机理;修正后的夹层结构平压模量的理论值与试验值吻合.新的预测公式为X-Cor夹层结构的设计提供依据,进而为X-Cor夹层结构新材料在工程领域的应用奠定了基础.      

X-cor夹层复合材料平压性能分析

 X-cor夹层复合材料是一种采用X形Z-pin增强的新型泡沫夹层结构,在航空航天领域有着广阔的应用前景。本文对其平压模量和强度进行了理论预测和实验验证。通过分析其三维单胞力学模型,得到了X-cor夹层复合材料等效平压模量的解析式。采用Winkler弹性地基梁理论解释了泡沫芯材与Z-pin的协同增强效应,并导出了X-cor平压强度的预测公式。以碳纤维/环氧树脂制备的Z-pin分别植入PU,PMI泡沫制得X-cor夹层复合材料,通过力学实验考察了Z-pin参数以及泡沫性能等对X-cor夹层结构平压性能的影响,对理论分析进行了验证。结果证明增大Z-pin的植入角度、体积分数、直径、端部约束或采用高性能泡沫芯材均能提高X-cor平压性能,但增大长度,Z-pin容易失稳,平压强度降低。     

X-cor夹层结构的平拉性能

研究了Pin植入角、Pin直径和Pin材料对X-cor夹层结构平拉强度及平拉模量的影响。平拉性能试样采用Rohacell 31泡沫作为芯材,Pin采用不同直径的T300/FW-63和SC-240/FW-63拉挤细杆。结果表明,X-cor夹层结构平拉强度增强效率随着植入角度的增加先增大、后减小,平拉模量的增强效率则随植入角的增加而减小;随Pin直径减小,平拉强度增强效率增加,平拉模量增强效率降低;不同Pin材料对X-cor夹层结构平拉强度增强效率相同,高模量的Pin对X-cor夹层结构平拉模量的增强效率更高。     

工艺参数对X-cor泡沫夹层结构剪切刚度的影响分析

研究植入工艺参数和材料性能对X-cor夹层结构剪切刚度的影响。通过对pin端部所受约束的细节分析,得到端部约束的三个等效弹簧系数表达式,用于X-cor夹层结构剪切刚度模型计算,并考察pin植入角度、端部斜切角、植入端深度、直径、材料性能和泡沫材料性能等参数对剪切刚度的影响规律。计算结果与试验结果吻合较好,该方法可用于预测X-cor夹层结构剪切刚度。参数分析结果表明,通过增大pin植入角度、pin轴向刚度以及pin直径可显著提高X-cor夹层结构的剪切刚度;pin端部斜切角和植入端深度是次要影响因素;另外,当选用的泡沫材料较刚硬时,不能忽略泡沫材料对结构剪切刚度的贡献。     

X-cor夹层结构压缩性能研究

X-cor结构是一种采用拉挤复合材料细杆（Pin）以三维网架结构形式增强泡沫的新型夹层结构材料,该夹层结构与传统泡沫夹层结构和蜂窝夹层结构相比,具有很高的比强度和比刚度。为了研究Pin植入角、Pin直径对X-cor夹层结构压缩强度和压缩模量的影响,压缩性能试样采用Rohacell 31泡沫作为芯材,Pin采用0.5 mm和0.7 mm两种不同直径的T300/FW 63碳/环氧拉挤细杆,并将实验结果与不含Pin增强的泡沫夹层结构进行了对比。研究结果表明,Pin的存在极大提高了X-cor夹层结构的压缩强度、压缩模量,同时密度仅小幅度提升;Pin对X-cor夹层结构压缩性能的增强效率随Pin植入角的减小而提高,采用小直径的Pin更利于提高X-cor夹层结构压缩性能。     

PMI 泡沫夹层结构性能研究

对聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫碳环氧复合材料夹层结构进行了平拉、平压、侧压、弯曲、剪切等性能试验,并对试样破坏模式进行了分析.结果表明:泡沫夹层结构平拉、平压、剪切性能取决于芯材的性能,表现为芯材的破坏,弯剪试样更能表征泡沫的剪切性能,泡沫夹层结构具有优越的侧压和弯曲性能,碳面板( 1.05 mm)/泡沫(30 mm)夹层结构侧压强度为26.5MPa、模量为5.88 GPa,弯曲刚度为3.05 kN·m2、模量为97.5 GPa.     

X-cor夹层结构剪切性能

研究了Pin植入角、直径对X-cor夹层结构剪切强度、模量的影响,并同泡沫夹层结构进行对比。结果表明:Pin对X-cor夹层结构的纵向剪切强度、模量的增强效率很高,而对X-cor横向剪切性能的增强作用相对可忽略;Pin对X-cor夹层结构纵向剪切性能的增强效率随Pin植入角的减小而降低。     

湿热环境下K-cor夹层复合材料的力学性能

K-cor夹层结构是应用Z-pin技术增强的一种新型高性能夹层结构,本文研究了Z-pin不同植入密度对K-cor夹层结构试样吸湿特性的影响规律,在此基础上对不同Z-pin植入参数对试样湿热前后三点弯曲性能和压缩性能的影响规律进行了深入研究。研究结果表明：夹层结构中Z-pin的植入能提高试样的尺寸稳定性,且不会对其吸湿率造成明显影响;Z-pin植入密度的增加能明显提高湿热前后试样三点弯曲强度和压缩强度,且具有较高的强度保持率,Z-pin密度为12 mm×12 mm的K-cor夹层结构湿热处理试样的三点弯曲强度比未湿热处理空白试样的要高11.1%,8 mm×8 mm湿热处理K-cor试样的芯部压缩强度比未湿热处理空白夹层结构试样要高17.5%,体现出K-cor夹层结构优异的抗湿热性能;而Z-pin植入角度的减小能明显提高试样湿热处理前后的压缩强度,0°植入K-cor试样湿热处理后的芯部压缩强度与40°植入K-cor试样未湿热处理的基本相同,但植入角度对三点弯曲强度影响较小。     

X-cor增强泡沫夹层结构力学性能试验

 研究了碳纤维X-cor销钉增强泡沫夹层结构的常规力学性能。自行设计工艺,制造了X-cor增强泡沫夹层结构复合材料,并进行了多种材料/几何参数下的平压、三点弯曲和芯子剪切试验,得到了系列试验数据,并观察记录了较全面的结构破坏模式;倾斜的X-cor销钉对夹层结构性能的增强效果大大优于垂直销钉的增强效果,倾斜X-cor增强泡沫夹层结构的抗弯刚度和破坏载荷大幅提高;X-cor增强泡沫夹层结构在弯曲载荷下具有较强的二次承载能力;X-cor增强泡沫夹层结构在弯曲和剪切载荷下均呈现明显的渐进失效过程,在初始裂纹出现后,直到最终破坏发生还有较长的损伤扩展过程,这一过程是增强相限制芯材裂纹大规模扩展的结果,表明X-cor增强泡沫夹层结构在初始裂纹出现后还具有较强的持续承载能力。     

层合复合材料z-pinning增强技术的力学进展

z-pinning技术是自20世纪90年代中期发展起来的一种增强层合复合材料层间韧性的新技术。此项技术通过在层合板内嵌入体分比小于5%的z-pin,能使层合板的I型层间断裂韧性提高十几倍,减少50%由低能量冲击所产生的层间分层,并且只造成层合板面内拉压强度的少量退化或不退化。同时,z-pinning技术较之其他层间增强技术,如编织、纺织和缝合技术等,又具有易于加工,且便于控制工艺质量等优点。因此,这一技术在近年来逐渐受到重视,并在一些航空、航天复合材料结构中得到了应用。简要介绍了z-pinning技术的工艺特点,重点综述这一领域细观力学模型与实验测试等力学分析工作的最新进展,并对准确评估z-pin力学行为的研究工作进行了展望。     

X-cor夹层结构低速冲击实验和数值模拟研究

X-cor泡沫夹层结构是一种通过Z-pin技术增强泡沫夹芯的新型高性能夹层结构。在低速冲击下,X-cor夹层结构损伤失效机制复杂,通过在不同能量阶段对X-cor夹层结构失效行为进行分析,讨论Z-pin植入体积分数和泡沫芯材密度对失效行为的影响。低速冲击试样规格为Z-pin直径0.5 mm、植入角度为22°,分别改变泡沫类型和Zpin植入体积分数进行实验,结果表明:6 J冲击能量下,冲击能量主要由面板分层承担,相对于未植入Z-pin试样,随着Z-pin植入体积分数的升高,面板分层面积最多减少了45.1%,而泡沫密度对分层面积影响不大;12 J冲击能量下,部分Z-pin发生失效,通过剩余压缩强度比发现,随着Z-pin植入体积分数的增加,剩余压缩强度比先增大后减小,植入体积分数为0.42%时最高,而此时泡沫密度增加,剩余压缩强度比也随之增加;当能量到达18 J时,芯材开始出现剪切裂纹,同时吸收大部分能量,较弱的芯材剩余压缩强度比大,而Z-pin植入体积分数越大,剩余压缩强度比反而越小。采用数值模拟的方法建立低速冲击模型,并将冲击后的结果直接传递应用于剩余压缩强度模型中,得到的结果比实验值偏高25%~29%。     

加压预处理对软质聚酰亚胺泡沫力学性能的影响

为解决软质聚酰亚胺泡沫初始状态力学性能的不稳定性,采用Solimide~?AC-550聚酰亚胺泡沫分别进行不同加压方式及加压压力的预压处理,并对预压处理的试样进行拉伸和压缩性能测试。结果表明:负压预处理对该泡沫所造成的力学性能损伤比正压更大;且在+4 kPa预处理时,可使得该泡沫获得相对稳定的力学性能,满足工程应用的需求。     

Numerical Modeling of the Compression Process of Elastic Open-cell Foams

The random models of open-cell foams that can reflect the actual cell geometrical properties are constructed with the Voronoi technique. The compression process of elastic open-cell foams is simulated with the nonlinear calculation module of finite element analysis program. In order to get the general results applicable to this kind of materials, the dimensionless compressive stress is used and the stress-strain curves of foam models with different geometrical properties are obtained. Then, the influences of open-cell geometrical properties, including the shape of strut cross section, relative density and cell shape irregularity, on the compressive nonlinear mechani- cal performance are analyzed. In addition, the numerical results are compared with the predicted results of cubic staggering model. Numerical results indicate that the simulated results reflect the compressive process of foams quite well and the geometrical properties of cell have significant influences on the nonlinear mechanical behavior of foams.     

聚碳酸酯SHPB系统测量泡沫铝合金动态压缩性能

为更加合理、有效地使用泡沫铝,了解其动态冲击下的力学性能是必要的。为提高泡沫材料分离式霍普金森压杆（SHPB）实验的有效性和精度,采用聚碳酸酯SHPB实验系统对泡沫铝合金进行了动态压缩实验,给出了不同冲击速度下的压缩应力 应变曲线,并研究了泡沫铝合金的动态压缩力学特性和变形机制。实验结果表明,高孔隙率的泡沫铝合金的应变率敏感性不强,其动态屈服强度可用静态压缩的实验结果代替。但本结论能否向其他泡沫铝推广,尚有待进一步研究。     

芳纶短纤和浆粕增强聚氨酯泡沫的结构和性能研究

采用芳纶短纤(AF)和芳纶浆粕(AP)对聚氨酯泡沫进行增强,制备了两种增强聚氨酯泡沫,考察了其的泡孔结构、压缩强度以及热稳定性能。结果表明:随着芳纶纤维和浆粕填充量增加,聚氨酯泡沫的密度和压缩强度呈先增加后减小的变化趋势;当AF和AP的填充量为6wt%时,聚氨酯泡沫底部的压缩强度最大,分别为0.394和0.353 MPa,此时发泡过程中黏弹性增加,表面张力减小导致泡孔孔径明显变小且均匀性提高,纤维分布在泡棱上通过与树脂形成良好的结合起到增强效果;AF和AP的加入有助于提高聚氨酯泡沫的热稳定性,AF增强聚氨酯泡沫具有更好的热稳定性。     

填加造孔剂法制备泡沫铝及其吸能性能

以尿素为造孔剂,采用填加造孔剂法制备泡沫铝,系统研究了成型烧结温度、孔隙率和孔径大小对泡沫铝吸能性能的影响,在此过程中采用电子万能试验机和数字图像相关(DIC)技术同步测试分析。结果表明:填加造孔剂法可以良好的控制泡沫铝的孔隙率和孔径;泡沫铝的最佳成型烧结温度为650℃,在此温度下,泡沫铝的压缩屈服强度达到10.7 MPa;随着孔隙率的降低,泡沫铝的屈服强度和平台应力逐渐提高,材料吸能性能有显著增强;当孔径小于2.0 mm时,随着孔径的增大,材料的吸能性能小幅提高。DIC技术可以直观的表征泡沫材料力学行为,具有良好的工程应用前景。     

高强度中间相沥青基泡沫碳的制备及性能

以中间相沥青为原料,通过加入中间相碳微球和溶剂抽提两种方法对中间相沥青进行改性,实现了对中间相沥青基泡沫碳的微观结构的调控,对两种方法进行了对比讨论.结果表明,改性后沥青制备的泡沫碳的裂纹数量较少,长度较短,并且泡沫碳的孔径较小;加入55%中间相碳微球的沥青制备的泡沫碳的炭化(1573 K)后的压缩强度高达26.2 MPa,在2 873 K石墨化后强度达到17.7 MPa,热导率为41.4 W/(m·K).利用甲苯抽提后的沥青得到的泡沫碳在炭化(1 573 K)后强度高达30.0 MPa,在2 873 K石墨化后强度达到9 MPa,热导率达到80 W/(m·K).