结构和体积含量对纤维织物渗透率的影响

研究树脂在增强材料中的流动特性是发展树脂转移成形（ＲＴＭ）技术的基础，增强材料的渗透率是表征树脂在织物中流动特性的重要参数。本文用恒压中心注射法测定了２维和２．５维玻璃纤维织物的渗透率，结果表明，织物的编织结构影响渗透率的主轴方向和大小，织物体积含量影响织物渗透率的大小和各向异性程度。     

不同经编织物对预成型体定型工艺性及渗透特性的影响

针对单轴、双轴、四轴三种不同国产T300碳纤维经编织物,通过对其预成型体进行定型效果、压缩特性和渗透特性试验,表征在相同的定型工艺及定型剂用量下,不同经编织物对预成型体定型工艺性及渗透特性的影响。结果表明:在C型回弹试验及厚度回弹试验中,织物表面铺撒相同质量分数的定型剂,四轴经编织物预成型体厚度回弹约1.2%,C型回弹6°,定型效果最佳。此外,纤维束宽和束间距的变化会引起定型效果的差异。厚度压缩试验表明,四轴经编织物的压缩性能最佳。面内渗透率试验表明,铺撒定型剂后四轴经编织物面内渗透率增加约15%。证实了铺撒相同质量分数定型剂后,四轴经编织物的树脂传递模塑成型工艺(RTM)性能优异,定型效果最佳。     

SiC/TC4复合材料横向拉伸应力集中系数的表征及试验验证

针对纤维均匀排布的单向纤维增强复合材料在横向拉伸荷载下基体产生应力集中的问题,提出了横向拉伸荷载下基体应力集中系数的表征方法。基于复合材料细观力学理论,通过编写程序在代表体积元(Representative Volume Element, RVE)模型上施加周期性边界条件,实现了单、双轴横向拉伸荷载下基体应力集中系数的计算,并通过单向纤维增强SiC/TC4复合材料板的横向拉伸试验验证了所建模型的有效性。利用所建模型计算不同纤维体积分数、材料组分以及温度条件下基体应力集中系数并分析其影响规律。计算结果表明:单轴横向拉伸应力集中系数随着纤维体积分数的增加而增大,双轴横向拉伸应力集中系数随着纤维体积分数的增加呈现出先减小后增大的趋势;在20℃～500℃区间内,单轴横向拉伸应力集中系数最大可达2.8,双轴横向拉伸应力集中系数最大达2.4。     

渗透率测定中的毛细效应

通过恒压注射条件下,有机硅树脂及环氧树脂在两种不同结构玻璃纤维织物中的流动实验,利用Darcy定律测定了这两种织物的渗透率,研究了树脂类型对织物表观渗透率的影响,实验及分析结果表明：树脂类型不同,树脂与织物之间的微观浸润性也不同,使得树脂在织物内产生的毛细压力不同,因此,改变树脂类型,织物的表观渗透率也发生改变。     

预氧丝网胎体积分数对针刺C/ C 复合材料力学性能的影响

以预氧丝网胎体积分数为35%、40%和45%针刺织物为坯体,经数次沥青浸渍/炭化、高温石墨化处理后制备C/C复合材料,测定并分析这三种材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切强度;采用扫描电子显微镜对其断口形貌进行观察,研究预氧丝网胎体积分数对C/C复合材料力学性能的影响。结果表明:材料的z向力学性能(除了压缩强度)随着预氧丝网胎体积分数的增加呈单调递增关系,材料的xy向力学性能受预氧丝网胎体积分数影响较小。扫描电镜观察显示:材料z向强度主要与针刺形成的轴向纤维束多少、分布等有关。     

机载中空纤维膜富氮性能实验

通过建立机载中空纤维膜环境模拟性能实验平台,对与国内某技术中心合作研制的机载中空纤维膜进行了系统的环境模拟性能实验及分析.实验结果显示:①渗余富氮空气氧体积分数随输入空气压力的上升而下降,随输入流量的上升而上升,而与输入空气温度基本无关;②渗余富氮空气氧体积分数随富氮空气流量的上升而上升,且输入空气压力低时明显;③海拔高度对机载中空纤维膜富氮性能基本不影响,仅启动时渗余富氮空气氧体积分数略有下降.通过采用多元回归方法,得到有一定普遍意义的机载膜富氮性能公式.      

RTM工艺增强纤维渗透率测量方法研究

介绍了树脂传递模塑工艺过程及特点。在达西定律的基础上建立了树脂流动过程控制方程。通过各向异性介质系统与各向同性介质系统之间的变换关系 ,提出了一种测量二维各向异性增强纤维渗透率的新方法 ,并结合实验数据及树脂、纤维特性对二维正交各向异性纤维渗透率进行了计算 ,计算结果与已知数据吻合良好     

2.5维机织复合材料疲劳寿命预测方法

针对疲劳载荷作用下的2.5维机织复合材料,建立了疲劳寿命预测方法.该方法主要包括单胞模型、疲劳失效判定准则和材料性能退化方法3部分.选取单胞模型为研究对象,利用三维有限元技术进行应力分析;引入改进的三维Hashin疲劳失效准则和Mises准则作为纤维束和树脂基体的疲劳失效判据;采用刚度性能突降准则描述疲劳失效后的材料性能,采用考虑纤维体积分数影响的剩余刚度和剩余强度退化模型描述失效前材料的性能.通过疲劳寿命预测值与试验值的对比,验证了疲劳寿命预测方法的有效性.研究表明:经向拉-拉疲劳寿命随经纱纤维体积分数增大而增加,纬向拉-拉疲劳寿命受纬纱纤维体积分数影响较小.      

纱线规格对3D机织复合材料拉伸性能的影响

为研究纬纱规格对3D层-层斜纹机织复合材料细观结构和力学行为的影响，开展了系统的实验研究。采用光学显微镜观察了不同纬纱规格复合材料的细观纱线结构变化。开展了不同纬纱规格复合材料的拉伸实验，采用数字图像相关法获得了拉伸试样的表面应变场，结合断口形状分析了复合材料的拉伸失效机制。研究表明，随纬纱规格增大，经纱卷曲率增大，经向纤维体积分数减少，经向拉伸力学性能减弱；纬纱卷曲率减小，纬向纤维体积分数增大，纬向拉伸力学性能增强。此外，3D机织复合材料拉伸应力-应变曲线表现出了明显的“台阶”效应，承载纱线的卷曲率越大，“台阶”效应越明显。     

双轴向旋流器设计参数对燃烧特性的影响研究

为了保证高温升、高热负荷的燃烧室头部的空气流量,使头部区域具有足够强的回流区和良好的气动雾化性能,进行了双轴向旋流器设计参数对燃烧特性的影响研究。设计了5种方案10种双轴向旋流器,通过数值模拟的方法得到了双轴向旋流器不同设计参数对其匹配结构燃烧室的流动、压力损失、燃烧和效率特性的影响规律:保证总面积不变,随着主、副旋流器叶片角和旋流数的增大,主燃区中心线处的平均温度逐渐降低,总压恢复系数和燃烧效率基本不变;回流区随主旋流器2种参数的增大基本不变,但随副旋流器2种参数的增大而相应变大;随着面积比的增大,回流区相应变小,主燃区中心线处的平均温度逐渐升高,总压恢复系数和燃烧效率基本不变。     

碳纤维单轴向缝编织物及其复合材料性能影响研究

以碳纤维单轴向缝编织物为研究对象,开展了树脂体系及其复合工艺、织物结构参数和碳纤维种类对碳纤维单轴向缝编织物使用工艺性及其复合材料主要力学性能的影响研究。结果表明:经向碳纤维和衬纬材料的种类及其面密度等结构参数对织物弯曲硬挺度和织物单向渗透率的影响规律基本相似;无论是碳纤维缝编织物单向渗透率还是复合材料的主要力学强度,真空吸附工艺中,基于TDE-85环氧树脂的自制6#环氧树脂体系均明显优于市售用基于双酚A环氧树脂的环氧树脂体系;采用610A树脂预浸料工艺、或经向碳纤维的适当展纱、或干喷湿法纺丝技术制备的碳纤维,均有利于进一步提高碳纤维单轴向缝编织物复合材料的主要力学性能。这为碳纤维缝编织物结构设计、主要原材料选择、制备工艺、配套树脂体系及其复合工艺等选择优化提供一些参考,为碳纤维缝编织物、尤其是为国产碳纤维缝编织物的制备和推广应用奠定了良好基础。     

真空成型与热压罐成型复合材料的性能对比

针对一种碳纤维单向预浸料ZT7G/LT-03A及碳纤维平纹织物预浸料ZT7G3198P/LT-03A,采用热压罐成型工艺和真空成型工艺各制备了3批次复合材料,测试预浸料的物理性能以及复合材料层合板的力学性能,通过对两种制备工艺得到的复合材料力学性能、纤维体积含量及孔隙率的对比分析发现,该体系真空成型复合材料性能的保持率均在75%以上,有的甚至超过100%。对于碳纤维单向预浸料来说,层间剪切的保持率最低,0°拉伸强度的保持率最高;对于织物复合材料来说,0°压缩强度的保持率最低,0°拉伸的保持率最高。同时真空成型复合材料纤维体积含量较低,孔隙率较高,是影响其性能的主要原因。     

2. 5D 衍生结构SiO2 f / SiO2 复合材料的经向力学性能

以几种不同的2.5D衍生结构织物为增强体,制备了法向增强、经向增强及经法向增强2.5D Si O2f/Si O2复合材料,比较了上述材料与现有2.5D Si O2f/Si O2复合材料的经向力学性能,并研究了经法向增强2.5D结构复合材料中增强纱比例、纤维体积分数与材料性能之间的关系,对织物结构进行了优化。结果表明,经法向增强2.5D Si O2f/Si O2复合材料的经向力学性能较现有2.5D复合材料有显著提高,该材料在较低密度下(1.6 g/cm3),经向拉伸强度与现有材料(1.65 g/cm3)持平,且经向压缩强度接近现有材料的4.3倍。     

胶含量对CF/BF复合材料性能的影响

制备了碳纤维/玄武岩纤维(CF/BF)增强酚醛树脂复合材料,研究了复合材料层合板不同胶含量对其层间剪切强度、热传导和耐烧蚀性能的影响。结果表明:CF/BF复合材料,在胶的体积分数为35%时,复合材料经纬向层间剪切强度达到最大值21和20 MPa;在胶的体积分数为39.5%处,热导率和线烧蚀率出现最低值0.366 W/(m.K)和87μm/s。CF/BF混杂纤维复合材料性能符合混杂纤维复合材料性能混杂效应规律。     

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     

复合材料RTM制造工艺计算机模拟分析研究

研究以计算机模拟分析技术的实际工程应用为目的,在普通 WINDOW窗口下实现各类平面构件RTM工艺过程的控制体积单元 /有限元算法 ( CV/FEM),进行工艺过程的压力场及树脂流场模拟分析。模拟分析主要工艺参数——树脂粘度、注射压力及预成型体渗透特性对 RTM工艺过程的影响规律。研究得出注射压力及渗透率与工艺充模时间的定量反比关系,以及树脂粘度与充模时间的的定量线性关系。研究还揭示了注口设计对充模时间的影响规律。实验验证表明工艺模拟分析结果与实验结果有较好的一致性。 RTM工艺过程的计算机模拟分析技术将为优化工艺设计、减低工艺实验成本及保证产品质量提供有效的技术手段     

织物细观结构参数对编织复合材料弹性性能的影响

根据作者提出的二维波纹细观力学模型,在考虑了实际织物结构中存在的经向和纬向纤维的波纹;相邻纤维束之间的间隙;纤维束的横截面尺寸和织物的叠层构造状态对编织复合材料弹性性能的影响下,给出了织物细观结构参数与编织复合材料弹性性能之间的变化关系。通过参数分析探讨了不同结构参数对编织复合材料弹性性能的影响。     

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。     

短切玻璃纤维增强聚醚醚酮承力支架研制

为加工某航天器高性能承力支架零件,本文对不同玻璃纤维含量的短切玻璃纤维增强聚醚醚酮(SGF/PEEK)的力学性能进行了分析,利用Moldflow分析软件对承力支架注塑模具、注塑工艺参数进行了优化。结果表明,30wt%的SGF/PEEK作为承力支架材料时力学性能最优,模流分析有效预测注塑过程,改善主流道及二级流道尺寸可有效提升保压效果,保压压力和模具温度对承力支架翘曲变形的影响最为显著,得出一组优化的工艺参数,采用该参数成型的零件已成功应用于某航天器燃料贮箱中并通过了飞行考核。     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。