高性能玻璃纤维增强树脂基复合材料拉-压疲劳行为

对LTX1240玻璃纤维/环氧复合材料开展拉-压疲劳试验,绘制S-N曲线进行疲劳寿命预测,利用扫描电镜观察疲劳试样断口形貌,分析其在拉-压循环载荷作用下的失效模式。结果表明:LTX1240玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的条件疲劳极限为278 MPa;失效过程为树脂基体最先破坏,接着界面分层乃至纤维拉伸、剪切破坏,它们相互作用形成了弥散损伤区并据此扩展发生材料断裂。     

二维 C/SiC复合材料的室温疲劳行为及寿命预测

为了研究二维C/SiC复合材料的疲劳行为并对其进行寿命预测,进行室温下二维C/SiC复合材料的拉伸试验和疲劳试验,并使用扫描电镜(SEM)观察其断口形貌。结果表明:C/SiC复合材料表现出类似金属的韧性断裂行为,疲劳极限约为极限拉伸强度(UTS)的85%,在室温下具有较为优良的抗疲劳性能;由于复合材料的缺口钝化效应,缺口试样的S-N曲线要高于光滑试样,但两者趋势一致,据此提出基于名义应力的疲劳寿命预测方法。     

拉伸载荷下GFRP疲劳韧性-寿命模型

<正>由于玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber-reinforced plastics,GFRP)在受拉伸循环载荷作用下的疲劳寿命机理不同于金属材料。金属材料主要是由一条控制整个材料疲劳性能的主裂纹扩展而导致材料破坏,而复合材料疲劳破坏机理则比较复杂,即在疲劳加载过程中产生基体裂纹、界面脱胶、分层和纤维断裂以及由它们相互作用而产生的诸多破坏形式。所以寻找一个合适的有较明确物理意义的损伤参量来估算复合材料疲劳寿命是迫切的,也是很有必要的。     

纤维增强复合材料双轴强度研究进展

先对纤维增强复合材料双轴强度理论研究进行了简单的回顾,可将失效准则是否区分破坏模式 分为两类,并且比较了各强度准则的特点与存在的问题。然后对纤维增强复合材料双轴加载实验装置的发展 作了概括,对目前常用的复合材料双轴加载试样类型进行了总结分析,指出了双轴加载试样设计要求及各试样 类型的优缺点。最后,对纤维增强复合材料的双轴强度研究进行了简要评述与展望。     

玄碳混杂增强树脂基复合材料混杂比优化设计

对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强树脂基复合材料最优混杂比范围进行研究。以碳纤维与玄武岩纤维平纹织物为增强体,制备9种具有不同混杂比的混杂纤维复合材料(Hybrid Fiber Reinforced Polymer,HFRP)试样,并进行拉伸实验。依据平纹织物结构特点,计算得出平纹织物单胞性能参数,在ANSYS中,以SHELL181壳单元体建立HFRP有限元模型。该模型对试样刚度的模拟值与实验值近似。分析模型受力时的应力云图发现,存在将HFRP破坏形式分为一次破坏与二次破坏的临界混杂比。有限元模拟研究树脂含量为45%时,不同混杂比的HFRP刚度、强度和拉伸极限应变。当混杂比为60%时,可保证HFRP强度无折减的情况下,较玄武岩复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)刚度提高93.4%,较碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)拉伸极限应变提高11.3%。     

碳纤维复合材料轴向压缩性能测试方法对比北大核心CSCD

轴向压缩性能一直是复合材料力学性能评价表征研究的难点。本文以国产T800级、M40J级碳纤维复合材料为研究对象,从试验研究、机理分析、计算模拟等角度,系统对比并分析了四种常用复合材料压缩性能测试方法的优劣与适用性,提出了优化的测试条件。试验与模拟结果表明,剪切加载方法(GB/T 3856—2005)易产生应力集中造成试样提前破坏,使压缩强度测试结果相比美标剪切加载方法(ASTM D3410—2016)降低约9%;端部加载(SACMA SRM 1R—94)测试结果较美标剪切加载和联合加载方法(ASTM D6641—2014)高3%~6%。测试条件优化研究中发现,加强片材质对破坏模式影响较大,强界面高强度复合材料适宜采用金属加强片,弱界面低强度复合材料适宜采用玻璃钢加强片。分析试样断口形貌,剪切加载和端部加载方法都可以观察到单向复合材料以纤维“跪折”为主的破坏模式。从测试结果和破坏模式来看,端部加载方法是较优的压缩强度测试方法。     

纤维复合材料刚度和强度的分析与表征方法

一、引言复合材料是多相非均匀、各向异性材料,具有很多不同于金属等各向同性材料的特点。为确保它在结构中得到可靠而有效的应用,近十多年间,各国力学工作者对纤维复合材料的力学性质进行了大量研究,发展了预示这些材料受力响应和破坏强度的分析方法,并建立了一套检验这些分析方法的试验技术。本文对这些分析方法和试验技术给以简要评述。     

碳-环氧卫星天线材料性能研究

本文介绍碳-环氧抛物面反射器天线材料性能研究。包括的项目有材料微波反射性能和其他物理力学性能试验。为此对T300、M40碳纤维增强环氧648复合材料的上述各项性能进行测定。并对T300纤维增强四种环氧树脂(环氧648、644、618及AFG-90)复合材料进行微波反射性能测定。试验结果表明在确定的微波反射试验条件下,试样的微波反射系数值与试样表面纤维方向有关.当纤维方向与微波反射在表面形成电流线方向成平行时,反射系数最大,成90°时反射系数值最小,树脂基体对碳-环氧复合材料表面微波反射系数没有显著的影响。     

复合材料拉伸时的声发射分析

本文分析了碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)纵向拉伸过程的声发射行为,指出复合材料的破坏实质上是损伤累积的过程。实验结果表明,尽管CFRP和GFRP的声发射有明显的差别,但这些脆性纤维复合材料的初始破坏应力为最终破坏应力的65%左右。     

含表面缺口复合材料层压板的屈曲破坏

通过实验研究和理论分析探讨了含表面缺口复合材料层压板的屈曲破坏。采用电测和声发射技术对层压板的受压力学行为进行观测和分析。作为比较,对无缺口层压板也进行了压缩试验,尽管2种层压板试样随载荷增加到一定值时都会发生屈曲,但它们的破坏过程仍有着显著的差别。利用层压板刚度减少技术推导了含表面缺口复合材料层压板的临界应力表达式。理论预测结果和试验结果能够较好地吻合。     

三维浅交弯联机织复合材料弯曲性能的有限元分析

借助Pro/Engineer绘图软件,建立三维浅交弯联机织复合材料及弯曲压头的结构模型,进行弯曲性能研究。借助ANSYS Workbench有限元软件,探究复合材料在5 mm弯曲位移载荷作用下纤维、树脂和复合材料的应力、应变分布,并对复合材料的破坏模式进行预测。结果表明:三维浅交弯联机织复合材料在弯曲载荷的作用下,试样与上、下压头接触处最容易发生弯曲破坏;三维浅交弯联机织复合材料在承载弯曲载荷时,增强体纤维起到主要承载作用,树脂基体起次要承载作用;在5 mm的弯曲载荷作用下,复合材料的破坏模式主要是树脂的破碎。     

钛合金超高周疲劳性能试验研究

采用ANSYS软件进行模态分析和谐响应分析,确定钛合金(TC17)试样尺寸和试验加载频率。利用弯曲疲劳试验系统进行试样在室温20kHz条件下的超高周疲劳试验。通过分析试验数据,计算得到p-S-N曲线,发现在大于107循环时,试样不存在传统意义上的疲劳极限。运用Paris模型从理论上计算得到钛合金(TC17)试样裂纹扩展寿命,发现其不超过中值疲劳寿命的2.1%。     

F-3A/ E 与F-12/ E 复合材料圆管轴压性能对比

采用缠绕成型的方法制备了F-3A/ E 复合材料薄壁圆管,通过对比试验研究了树脂配方和增强
纤维对管件轴压性能的影响,并对缠绕管件的轴压破坏模式进行研究。同时与F-12/ E 复合材料进行了对比
分析。结果表明:(1)TH-1 配方适合F-3A 纤维制备复合材料;(2) F-3A/ E 复合材料缠绕管件轴压承载力比
F-12/ E 复合材料管件的高16. 5% ~23. 9%,且轴压性能具有良好的稳定性;(3) F-3A/ E 管件轴压破坏形式
表现为脆性破坏,而F-12/ E 管件轴压则表现为韧性破坏模式。     

缠绕复合材料壳体爆破压强的预测

针对缠绕复合材料壳体在内压作用下的破坏问题,基于连续损伤介质力学方法,建立了一种缠绕复合材料渐进损伤破坏分析模型。模型中考虑了纤维破坏、基体损伤和纤维/基体开裂3种破坏模式,并针对缠绕复合材料面内剪切非线性的实际,建立了面内剪切非线性模型。通过子程序UMAT将模型嵌入ABAQUS/Standard中,对含缺口缠绕复合材料试件拉伸过程进行了仿真计算,验证了模型的正确性。采用该模型对缠绕复合材料壳体的水压破坏过程进行了仿真分析,结果表明:内压作用下缠绕复合材料的最终破坏是由于纤维断裂导致的,且纤维破坏主要出现在环向层,基体破坏主要出现在纵向层。      

硼纤维/环氧复合材料界面剪切强度的测试与研究

设计了一种单纤维拔出试样制备方法,分析了单根硼纤维拔出特性;同时采用该方法分别测试了四种硼纤维/环氧复合材料界面剪切强度。固化剂采用异佛尔酮二胺(IPDA)的硼纤维/环氧复合材料界面剪切强度比采用二乙烯三胺(DETA)的提高了44.7%;采用液体丁腈橡胶(LNBR)改性环氧树脂的硼纤维/环氧复合材料界面剪切强度提高了97.7%~135%。     

温热环境对复合材料结构承载能力影响试验研究

针对复合材料结构设计时需考虑湿热环境的影响这一问题,分别进行了室温和湿热环境下的标准试样级许用值试验及加筋壁板典型细节结构轴压和剪切载荷试验,给出了许用值试验的环境补偿因子及加筋壁板的破坏载荷。试验结果表明,标准试样级试验得到的设计值较为保守。因此,在进行复合材料结构设计时还应综合考虑典型细节试验的结果。     

层合板螺栓连接结构疲劳寿命预测

为了准确预测复合材料连接结构损伤的产生和扩展,基于单向板疲劳性能预测层合板螺栓连接结构疲劳寿命。用T300/BMP-316单向板试验数据对正则化疲劳寿命与剩余强度的参数进行拟合;在复合材料基体主控失效判据基础上增加纤维失效和分层失效判据,改进基于断裂韧性的失效准则判定损伤的产生和扩展;采用二级载荷疲劳寿命等效实现损伤的非线性累积,再对相应的损伤进行材料性能退化。预测结果与试验对比表明:对不同几何参数层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在5%以内,对不同应力水平下层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在10%以内,最终破坏模式及损伤区域的预测与试验结果吻合良好。     

多向铺层碳/环氧复合材料特性及声发射分析

 本文对六种多向铺层的碳纤维增强环氧复合材料的拉伸破坏性能进行了研究,并采用声发射技术监测其损伤扩展过程,分析了它们的破坏机理。 新型的高性能碳纤维增强环氧复合材料应用于宇航、机械及体育器具等,由于工作条件及受力情况是复杂的,采用多向铺层才能满足受拉、压、弯、剪、扭等不同载荷的分别组合,具体铺层设计要针对主要承力情况来确定。多向铺层复合材料的损伤破坏比单向铺层的情况复杂,更需要采用试验的手段来研究它们的力学性能和破坏机理。在非破坏性测试中声发射技术的特点在于能够配合加载装置在进行试验过程中检测并记录复合材料的破坏过程,而且不移动探头的位置即可监测材料的较大区域,因此应用愈来愈多。声发射技术是利用材料或构件受力变形或损伤过程中应变释放产生弹性波这一原理来检测材料的缺陷、退化和破坏,评定材料的性能。声发射技术可以检测复合材料的剪切破坏及拉伸屈服破坏、分层及纤维断裂、粘接强度等。 本工作对六种多向铺层碳/环氧复合材料（包括0/90、±45°、30/60和三种碳布）进行拉伸试验,确定了它们的强度、模量、最大应变率及泊松比,给出六种不同铺层的应力应变关系以及声发射信号量的关系。采用声发射技术配合显微镜观测手段分析不同铺层的碳/环氧材料的声发射表征     

三维编织与层合复合材料力学性能对比试验

对比研究利用相同碳纤维、基体和相同制备工艺(RTM)加工的三维多向编织和层合板复合材料的力学性能。四种三维多向编织结构分别利用三维四向、三维五向、三维六向和三维七向编织工艺制备;三种层合复合材料利用帘子布制成,分别为0°单向板、90°单向板和层合板[0/(±45)2/90]2s。采用相同的拉伸、压缩和剪切试验方法对各类试样进行试验。结果表明:与三维编织试样相比,0°单向板的拉伸和压缩性能最高,而其他层合试样的各项性能均较低;对于编织试样,编织角越小,纵向拉伸和压缩性能越高,剪切性能越低;编织结构也是影响编织试样力学性能的重要因素。同时,对试样的破坏模式也进行了讨论,发现编织结构和编织角是影响材料破坏模式的重要因素。     

湿热环境下复合材料孔板压缩性能的研究

采用压缩试验的方法,对含孔机织碳纤维环氧复合材料层板进行了湿热环境下的压缩试验,研究了湿热环境对其压缩性能的影响。分析了复合材料孔板的吸湿特性、压缩强度、破坏模式及动态力学性能。结果表明:机织碳纤维环氧复合材料吸湿率较低,其饱和吸湿率仅为0.88%左右。湿热环境会降低由基体性能主导的压缩强度,130℃下湿态试样的开孔压缩强度保持率约为70%。含孔复合材料层合板的破坏模式均为过孔破坏,破坏均发生在应力集中的区域,并且断裂都是沿着应力集中最大的方向扩展。侧面断口主要为剪切失效,有分层和屈曲的特征。吸湿后复合材料的DMA Tg为125℃,比干态时下降了16℃。