循环湿热老化对T700/TDE86碳纤维复合材料 层间断裂韧度的影响

对T700/TDE86碳纤维增强树脂基复合材料进行加速循环湿热老化实验,研究不同循环湿热老化天数对Ⅰ型张开以及Ⅱ型滑移两种层间断裂韧度的影响。结果表明:循环湿热老化之后的复合材料Ⅰ型层间断裂韧度出现明显的R曲线,且随着循环湿热老化天数的增加,裂纹初始扩展能量释放率(GIC,init)与裂纹稳态扩展能量释放率(GIC,prop)都获得了大幅提升;复合材料Ⅱ型层间断裂韧度随着循环湿热老化天数的增加,呈现阶梯状下降的趋势,而且在循环湿热老化前期,下降幅度最大,为21.68%。     

复合材料0°/45°层间界面Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ/Ⅱ混合型分层实验研究

高性能碳纤维增强复合材料已成为一种重要的航空材料,在复合材料结构服役过程中分层破坏是一种常见的失效模式。针对T800/环氧复合材料不同加载混合比下的分层行为,对具有0°/45°预制分层界面的复合材料层压板分别开展双悬臂梁(DCB)、三点弯(ENF)和混合模式弯曲(MMB)实验,获得复合材料张开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ型)和Ⅰ/Ⅱ混合型分层的断裂韧度,研究其分层扩展行为。结果表明:不同加载混合比(Ⅱ型分层载荷所占比例)下分层的断裂韧度和分层扩展行为显著不同,加载混合比越大,分层断裂韧度值越高,稳定的分层扩展行为越难保持。基于对实验数据的拟合,建立了一个任意加载混合比下0°/45°分层界面断裂韧度的预测公式。     

加载速率对层间断裂韧性的影响

虽然加载速率对层间断裂的影响已经被广泛的研究,但是现有的研究结果还未能给出加载速率对层间断裂韧性影响的明确趋势。研究人员发展了许多测量层合板复合材料以及胶接层断裂韧性的实验方法。本文的主要目的是对层间断裂韧性测量的实验方法进行综述,尤其是准静态和动态加载条件下层间起裂韧性的测量。首先介绍了准静态下Ⅰ型、Ⅱ型以及Ⅰ/Ⅱ复合型层间断裂韧性的测量方法,然后综述动态加载下层间断裂韧性的实验方法。前两部分着重介绍断裂实验中断裂参数(载荷、位移、起裂时间以及裂纹长度)的测量以及断裂韧性的计算。之后又综述了两种光学测量方法在层间断裂实验中的应用。最后将文献中加载速率对层间断裂韧性影响的实验研究结果进行了总结。     

碳纤维/双马树脂复合材料整体成型过程分层扩展行为实验研究

针对复合材料构件热压罐成型过程中常见的分层缺陷,考察了整体成型工艺温度对分层扩展、QY8911双马树脂基体韧性及T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性的影响,并通过分层扩展断面形貌深入分析了复合材料整体成型工艺中分层扩展的路径和断面破坏模式,给出了复合材料整体成型工艺和结构设计的优化建议措施。结果表明,随着整体成型最高温度的升高,分层扩展程度增大,QY8911双马树脂基体的拉伸强度和拉伸模量逐渐降低,T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性逐渐增大;对分层扩展断面进行SEM扫描电镜分析发现分层扩展沿着层间开裂,断面内存在基体断裂和基体/纤维界面脱粘两种破坏模式,Ⅰ型层间断裂是复合材料整体成型工艺中分层扩展的典型微观特征。     

NiCrAl/Ni3Al微叠层材料的断裂韧度测算

利用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)制备了NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料.建立了具有中心穿透裂纹有限宽NiCrAl叠层的Ⅰ型裂纹扩展模型,推导出它的断裂韧度表达式,并利用带预制裂纹的NiCrAl/Ni3Al叠层试样的四点弯曲断裂数据,估算出NiCrAl的断裂韧度,叠层后增强Ni3Al单体的断裂抗力.实验结果表明,制备态NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料试样的拉伸断口呈现出裂纹扩展和裂纹瞬断两个区域;随着温度的升高,塑性增加.     

成型工艺对复合材料I型断裂韧度的影响

采用双悬臂梁试验和假设检验的方法,对比分析了两种不同成型工艺对复合材料I型层间断裂韧度的影响,并采用有限元模型对这一过程进行了模拟。研究表明：硅橡胶软模成型试验件的I型断裂韧度均值略高于金属硬模成型试验件;而两种工艺试验件的I型断裂韧度方差不存在显著差异,且两种工艺成型的试验件的裂纹扩展过程相似。在试验的基础上建立了有限元模型,对裂纹扩展过程进行了模拟,与试验结果吻合良好,可以有效地预测裂纹扩展过程。     

复合材料MMB试件I-II混合型层间裂纹扩展分析

基于经典层合板理论及双线性黏聚区本构关系，建立了含一般分层裂纹层合板的理论模型，对I-Ⅱ混合型弯曲（MMB）断裂试件进行了裂纹扩展理论分析。提出了一种I-Ⅱ混合型断裂叠加模型，引入I型裂纹分量的刚体转动位移，同时考虑了裂纹长度超过试件半长后中部载荷分量对裂纹扩展的闭合效应，并根据黏聚区力学响应，分段获得了位移函数通解。结合叠加模型的边界条件与连续性条件，分析了MMB试件的裂纹扩展过程，求解获得了载荷-位移曲线。通过与梁模型预测以及试验结果进行对比，验证了本文模型对I-Ⅱ混合型裂纹扩展预测的有效性和准确性，并讨论了初始断裂模式混合比及闭合效应对裂纹扩展过程的影响。结果表明：初始Ⅱ型裂纹比重较大时，中部载荷的闭合效应更为明显，可能出现I型裂纹完全闭合的情况；裂纹扩展过程中，当裂纹长度小于试件半长时，断裂混合比基本保持常数；当裂纹扩展超过试件半长后，闭合效应明显，混合裂纹形式逐渐向单一型断裂模式退化。     

稳态热载荷作用下热障涂层结构界面断裂研究

针对陶瓷层与黏结层构成的双层热障涂层结构存在单边界面裂纹的情况,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了稳态热载荷作用下结构的能量释放率,根据计算结果研究了单边界面裂纹的扩展行为.给定结构的温度边界条件求解得到稳定温度场,并以此作为结构的热载荷,计算能量释放率时采用随温度变化的材料参数.计算结果显示,在给定条件下,界面裂纹起裂后结构总的能量释放率大于界面断裂韧度,裂纹将进行失稳扩展;在裂纹扩展至接近自由端面时总能量释放率迅速减小并降到界面断裂韧度以下,裂纹不扩展.分析表明,处于高温稳态热载荷条件下的热障涂层系统,不会发生陶瓷层彻底剥落的失效现象.      

热补仪挖补修理复合材料蜂窝夹层结构

利用热补仪进行复合材料蜂窝夹层结构的挖补修理实验研究。利用热电偶测试热补仪修补复合材料蜂窝夹层结构的面内及厚度方向的温度分布;采用光学显微镜观察不同修补层数下的HTS/977-2与HTS/MTM44-1两种预浸料在热补仪固化下的内部质量;并测试不同损伤程度下蜂窝夹层试验件修补后的侧压性能及弯曲性能。结果表明:使用热补仪修补蜂窝夹层结构时在厚度方向上温度分布不均匀,因此在面板及芯子损伤、穿透损伤情况下,应采用分步修理;热补仪对单次修补层数具有局限性,修补材料特性不同,单次修补固化层数上限不同,对HTS/977-2,热补仪最佳单次固化层数为4层或5层,对HTS/MTM44-1,热补仪最佳单次固化层数为10层以上;试验中不同损伤程度的蜂窝夹层结构试验件进行热补仪修补后,侧压强度达到完好状态的79.9%以上,弯曲强度达到完好状态的89.4%以上,验证了热补仪挖补修理复合材料蜂窝夹层结构的可行性。     

复合材料层合结构热压罐固化过程的多物理场-热流固解耦数值求解

在复合材料层合结构热压罐固化成形过程中,温度场和固化度场的均匀性对残余应力和变形具有重要影响.对于厚度较大的复合材料层合结构,流动压实的影响不可忽略,同时热压罐空气热流场和模具温度场也会对复合材料结构内部的温度场产生较大影响.本文同时考虑固化动力学模型、热传导模型、残余应力模型、流动压实模型、热压罐热流场以及模具温度场...     

基于直通型CT试样测试方法的断裂韧度研究

依据ASTM用于CT试样获取断裂韧度载荷分离理论规则化方法提出量纲一载荷分离法,从而完善用于断裂韧度测试的载荷分离理论,且根据弹塑性有限元精细计算结果以及直通型CT变形几何关系,提出裂纹嘴张开位移与加载线位移的转换公式。采用不同初始裂纹长度CT钝裂纹试样对公式的有效性和精确性进行试验验证,进而实现对1Cr12Mo、30Cr2Ni4Mo V以及P91管材10Cr9Mo1VNb N三种合金直通型CT试样的JR阻力曲线测定,结果表明,试验值与公式计算值的最大相对误差均在5%以内。     

OoA成型T800/607复合材料制备及性能

采用非等温DSC对非热压罐(OoA)成型环氧树脂基体607进行了固化动力学研究,确定了树脂的固化动力学方程。制备了T800/607热熔预浸料和复合材料单向板,并比较了热压罐和OoA成型工艺下T800/607复合材料的性能。结果表明:该类预浸料室温储存期大于30 d,OoA成型质量优异,复合材料孔隙率远低于1%。OoA成型复合材料的弯曲强度为1 480 MPa,层剪强度为96.7 MPa,与在热压罐条件下固化的复合材料性能相当。     

湿热环境对复合材料层间断裂韧性的影响规律及其机理

层间断裂韧性是表征复合材料抗层间分层扩展能力的主要指标,湿热环境是飞机复合材料结构面临的主要严酷环境,研究湿热环境下的层间断裂韧性在航空领域具有重要意义。通过不同湿热环境条件下的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性实验,分析其微观结构,获取湿热环境对树脂基复合材料层间断裂韧性的影响规律和湿热环境对层间断裂韧性的影响机制。结果表明：湿热环境会对树脂基复合材料Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性产生截然相反的影响,随着温度上升,树脂基复合材料层压板Ⅰ型层间断裂韧性呈上升趋势,而Ⅱ型层间断裂韧性呈下降趋势;Ⅰ型分层时会发生大量纤维桥联现象,湿热环境下树脂发生软化,纤维桥联现象增多,导致Ⅰ型层间断裂韧性随温度升高而提高;湿热环境下随着温度的升高,树脂的剪切强度会逐渐降低,树脂与纤维的界面剪切强度也会逐渐降低,导致Ⅱ型层间断裂韧性随温度升高而降低。     

复合材料MMB试件Ⅰ-Ⅱ混合型层间裂纹扩展分析

基于经典层合板理论及双线性黏聚区本构关系,建立了含一般分层裂纹层合板的理论模型,对I-II混合型弯曲(MMB)断裂试件进行了裂纹扩展理论分析.提出了一种I-II混合型断裂叠加模型,引入I型裂纹分量的刚体转动位移,同时考虑了裂纹长度超过试件半长后中部载荷分量对裂纹扩展的闭合效应,并根据黏聚区力学响应,分段获得了位移函数通...     

复合材料Ⅰ型结构热压罐零吸胶工艺树脂压力测试及硬模传压均匀性分析

针对977-2/IMS预浸料在热压罐零吸胶工艺下采用H型方式成型的Ⅰ型零件,分别采用标准固化制度及阶梯加压制度进行了树脂压力在线测试,基于测试结果,分析了树脂压力与罐压的等效性及硬模传压的均匀性,提出了实际零件硬模传压的测试制度参考.结果表明:单侧硬模传压区域的树脂压力在稳定后与罐压一致,验证了预浸料在热压罐零吸胶工艺下树脂压力与铺层压力的等效性;双侧硬模传压区域的树脂压力存在载荷平衡的过程,稳定后不同区域的树脂压力均匀并与罐压一致;与阶梯加压制度相比,标准固化制度下树脂压力在测试初期存在一定波动,稳定后两种工艺制度下的树脂压力一致,这为热分布差异相对较大零件的树脂压力测试提供了方法参考.     

复合材料在DCB试验中的裂纹尺寸效应

在许多关于复合材料Ⅰ型层间断裂韧性试验研究工作中，不同的作者所选取的有效裂纹长度有很大的差异，由此带来试验结果分散程度很大，试验结果无法相互比较等问题。本文对复合材料在Ⅰ型层间断裂ＤＣＢ试验中裂纹的预裂长度、裂纹尖端形状以及裂纹测量误差等问题进行了研究。     

难熔化合物掺杂C/C复合材料的裂纹扩展及断裂模式分析

利用场发射扫描电镜对难熔化合物掺杂C／C复合材料进行了原位三点弯曲测试，在线观测了裂纹的扩展模式和缺陷的演化规律，并结合OM、SEM和TEM所表征的微观结构，揭示了材料的断裂机理。结果表明：难熔化合物掺杂C／C复合材料的断裂以“弱界面断裂”为主，裂纹优先在基体碳、碳布层间及纤维束搭接处等薄弱环节中产生，成为材料的初始破坏面，随着载荷的增加，裂纹沿着薄弱界面进行扩展，形成贯穿性的大裂纹，并导致材料最终失效。     

钛合金扩散焊接头复合型疲劳裂纹扩展

设计并加工了TC4扩散焊接头紧凑拉伸剪切(CTS)试样。开展了不同加载角度下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验。试验结果发现:在加载角度小于45°时,裂纹均沿焊缝扩展至断裂,当加载角度达到45°以上时,裂纹开始出现沿与初始裂纹面呈一定角度的方向扩展至母材的情况。使用电子显微镜结合电位法获得了裂纹扩展a-N曲线。在此基础上,采用相互作用积分法计算复合型应力强度因子,以应变能释放率为参量对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展过程进行了分析。考虑Ⅱ型裂纹所占权重引入复合比,并在此基础上建立了TC4扩散焊接头不同加载角度及载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率统一模型。      

T800/5228A层合板Ⅰ型断裂韧性优化

冷场发射扫描电镜表明,固化5228A/PAEK共混体系发生了反应诱导相分了海岛-双连续-相反转的演化过程;DMA试验表明,PAEK的引入对5228A基体树脂T会改变原有树脂体系的使用温度;T800/5228A经韧化后,在层间内形成了典型的相反转结现出波纹状,明显区别于原有的光滑平直裂纹路径,Ⅰ型层间断裂韧度(GIC)大幅度提高.     

复合材料修补片热固化方法研究

为了研究基于电加热的树脂基复合材料修补片热固化方法是否比传统热补仪加热的热固化方法更优越,本文采用Abaqus有限元分析方法,对基于电加热和传统热补仪加热的复合材料修补片结构模型固化过程进行了数值模拟,分析了两种热固化过程中树脂基复合材料的热应力场。最后通过实验方式固化复合材料修补片,并通过傅里叶红外光谱进行对比分析。对比结果表明：基于电加热的树脂基复合材料热固化方法加热更均匀,使得复合材料在固化过程中热应力的变化趋势更加平缓,减少了热应力集中的现象,从而提高了树脂基复合材料的热固化质量,优化了复合材料的热固化技术,还为电加热热固化技术的进一步研究奠定了基础,为更深入研究提供了可能。