高温对复合材料长期性能影响的建模方法

聚合物基复合材料比金属或金属合金具有重量轻及耐高温的性能。但聚合物较大多数金属构件对裂缝更为敏感。在90°铺层中,横向、裂纹会使复合材料刚度和强度严重地削弱,最终导致基体结构破坏。为了发展高性能复合材料,研究了二种复合材料层板K3B/IM6和X5260/G40-800(此材料由波音公司出资,杜邦公司研究)。 该文介绍正交层合板中横向裂纹的机理。推导了一种模式来模拟系统的破坏机理。应用有限元程序分析由于横向裂纹引起的应变能的释放率,并采用弹性断裂力学准则为裂纹开始破坏建立临界条件。用此模型描述包括裂纹机理在内的主要因素的影响。把一些预期的参数影响与实验数据作了比较。     

复合材料混合模式分层断裂的实验表征

介绍了一种碳纤维增强复合材料混合模式层间断裂试验方法，它采用改进的混合模式弯曲试验构型，可对Ⅰ型对Ⅱ型断裂按比例加载，且使用对开裂的梁形试件。     

裂纹间距及铺层角度对复合材料分层的影响

分层问题是复合材料层合板最常见问题,据统计约60%的层合板失效都与分层相关.通过基于虚裂纹闭合技术(VCCT)的重合网格法(S-FEM),分析了不同铺层角度及裂纹间距对应变能释放率的影响.由分析结果可看出,应变能释放率随铺层角度增加而减小;在裂纹尖端距离相对较小时,距离对能量释放率的影响要远大于锗层角度变化的影响.     

复合材料中的空隙及其对力学性能的影响

复合材料在制造过程中无法避免地会产生空隙，文中介绍了ＮＤＴ技术评定空隙率对复合材料层板力学性能的影响，通过采用真空排气，加压及微波加热与真空排气相结合的方法，可以降制品的空隙率。     

粘弹性应变能释放率的虚拟网格计算方法

应变能释放率是粘弹性裂纹扩展判断的重要依据。为了解决低质量网格条件下的高精度粘弹性应变能释放率的数值计算问题,提出了裂纹尖端虚拟网格方法。在原始网格位移场基础上通过插值手段获得虚拟网格位移场、应力及应变场分布;基于虚拟网格信息并结合虚拟裂纹闭合方法,开展应变能释放率的数值计算。虚拟网格方法在应对裂纹扩展过程中任意复杂网格形式的同时,不再需要对原始裂纹尖端进行精细网格划分。两种典型断裂模式下的算例仿真结果表明,全积分形式的虚拟网格方法可以实现低泊松比条件下应变能释放率的高精度数值计算,相对误差均在5%以内。为了应对高泊松比下的断裂问题,设计了虚拟网格方法的缩减积分方案;缩减积分方案下的应变能释放率相对误差在1%左右,计算精度较全积分方案大幅提高。     

复合材料界面裂纹尖端应变能释放率及模态混合度计算

为了准确预测复合材料层合板分层扩展及疲劳损伤,应用改进的虚裂纹闭合技术计算复合材料分层尖端处应变能释放率及模态混合度.首先介绍了改进的虚裂纹闭合技术,然后将其应用到重合网格法中,求得了分层尖端处总应变能释放率,并提取了各模态下的应变能释放率分量.最后利用某界面裂纹模型验证了该方法计算应变能释放率、模态混合度及提取应变能释放率分量的有效性.     

树脂基防隔热复合材料高温响应分析方法研究进展

针对树脂基防隔热复合材料高温条件下复杂的热/力/化学的多场耦合问题,从高温性能预报模型、高温响应求解方法和高温试验测试三方面进行了论述。详细介绍了研究树脂基防隔热复合材料高温响应相关的热解动力学模型、材料高温热物性及力学性能演化表征方法、材料高温响应模型的求解方法以及表征材料高温响应的多种高温试验测试手段。对上述研究方法的发展进行了评述,并对未来发展趋势进行了展望。本文有助于相关研究人员认识和发展树脂基复合材料在高温下的热力响应分析方法,也可供工程技术人员对这类材料的防隔热性能和高温承载性能进行研究。     

水分对碳—环氧复合材料Ⅱ型分层韧性的影响

通过研究不同湿热条件下Ｔ３００／９１４Ｃ和Ｔ３００／Ｍ１０两种复合材料的玻璃化转变温度、层间剪切强度和分层断口形貌，分析了水分影响复合材料Ⅱ型分层韧性机理。     

F—12芳纶纤维表面处理对复合材料剪切性能的影响

初步研究了Ｆ－１２芳纶纤维表面接枝处理对Ｆ－１２芳纶／环氧复合材料层间剪切强度的影响，结果表明：经接枝处理后，Ｆ－１２芳纶／环氧复合材料层间剪切强度能达８４．６３ＭＰａ处理效果明显，对接枝改性机理进行了探讨。     

超低温对T700碳纤维/环氧复合材料弯曲性能的影响

研究正交铺层的碳纤维增强环氧树脂基复合材料（CFRP）在超低温的环境下的弯曲性能和损伤破坏形式。对复合材料试样进行不同时间的液氧浸泡处理和不同次数的常温/液氧温度热循环处理来模拟液氧燃料贮箱使用工况,通过配有超低温试验装置的力学试验机研究CFRP在不同超低温条件处理前后的低温弯曲强度和弯曲模量的变化规律;采用扫描电子显微镜（SEM）对破坏前后试样的微观形貌进行分析。结果表明,经过液氧浸泡及常温/液氧温度热循环处理的CFRP的超低温弯曲强度和模量变化趋势基本一致,均随时间和循环次数的增加先下降后上升,这种变化规律与其超低温环境下材料的微观结构变化密切相关。结合CFRP破坏前后的宏观和微观结构特性以及微裂纹的扩展规律,揭示了正交铺层CFRP超低温弯曲性能变化的 机理。     

基于数字散斑技术的炭/炭复合材料高温应变测量

主要介绍了炭/炭( C/C)复合材料在高温下(最高至2600℃)利用数字散斑技术进行的应变测量。试样表面喷涂钨粉作为目标散斑。在试验环境箱中将试样升温至试验温度。在拉伸过程中,对C/C复合材料试样及喷涂其上的钨粉散斑进行窄带滤光,并对滤除炭纤维发出光线后的图像进行采集,对图像中的散斑点进行计算区域的选取,通过散斑点的位移来确定试样在散斑喷涂区域内材料的变形,进而得到在2600℃温度条件下试样有效段的应变。测量结果表明,该方法可直观准确地反映出C/C复合材料试样在2600℃应变状态,对于需要测量的关键点可实现重点跟踪,动态测量出该点在任意时刻任意位移的应变。该测试方法精度高,并可应用到不同受力方向的应变测试场合。     

应变率对复合材料壳体外压性能的影响

对Φ200 mm的复合材料壳体的应变率相关性进行了试验研究。分别对准静态和应变率约为0.105 s-1的动态情况进行了试验。在动态加载过程中,采用了航天四院设计的脉冲压力发生器和外压试验装置,该装置可在10～200 ms将结构件加载至破坏。试验结果表明:复合材料壳体具有比较明显的应变率相关性,与准静态加载条件相比,当应变率达到0.105 s-1时,Φ200 mm的复合材料壳体其外压承载能力可以提高1.55倍左右。     

基于FFT方法的复合材料有效性能预报

将复合材料平衡方程求解问题转化为含极化应力的各向同性材料平衡方程求解问题,利用适用于各向同性材料求解的Lippmann-Schwinger方程实现其形式解,通过FFT方法实现其数值计算,给出其运算法则,实现了复合材料有效性能预报程序化。通过对单向增强复合材料有效性能进行预报与文献中报道的实验结果和其他数值计算结果进行对比验证,表明FFT方法可较精确地预报复合材料的有效性能;讨论了分辨率和尺寸效应对FFT方法的影响,研究结果表明分辨率对FFT方法有一定的影响,尺寸效应对FFT方法无影响。     

活性稀释剂对T700/BMI复合材料湿热性能的影响

采用苯乙烯作二烯丙基双酚A(DABPA)改性双马来酰亚胺(BMI)树脂体系的活性稀释,以减小树脂的粘度。为研究苯乙烯的用量对炭纤维(T700)增强改性BMI树脂基复合材料湿热性能的影响,对T700/BMI复合材料的试样在70℃水中进行吸湿实验,并检测其力学性能。结果表明,随苯乙烯用量的增加,试样的吸湿率降低;其拉伸、弯曲和层间剪切等强度保持率也随之增大;但当苯乙烯在基体树脂中的摩尔百分含量超过20%之后,试样的拉伸强度会下降。     

炭布高温处理对2D-C/C分层缺陷的影响研究

研究了炭布高温处理对二维炭／炭复合材料(2D-C／C)分层缺陷的影响。分析了炭布处理前后炭纤维的元素及表面形貌；测试了炭布处理前后树脂基复合材料(PMC)、炭化后2D-C／C及致密后2D-C／C的层剪强度、密度、开孔率等；采用金相显微镜表征了2D-C／C的分层缺陷。结果表明，炭纤维(布)经高温处理后，其表面含氧量下降，含碳量提高，表面粗糙度增大，惰性增大；炭布高温处理降低了树脂基复合材料的ILSS．炭化后2D-C／C表现出低密度和高开孔率，炭化收缩量小、热应力小及炭化不分层等特点。     

编织参数对轴编C/C复合材料热膨胀系数的影响

将能量法和有限元方法相结合,预报了轴编C/C复合材料的热膨胀性能,通过与实验结果的对比,验证了预报方法的有效性;考虑编织间距和纤维棒直径的变化,预报了该材料热膨胀性能随编织参数的变化。结果表明,采用能量法预报C/C复合材料的热膨胀系数具有较高的精度;轴编C/C复合材料的热膨胀系数随编织间距的增大而减小;随半径的增大,轴向的热膨胀系数逐渐减小,而径向的热膨胀系数逐渐增加。     

复合材料中的空隙及其对力学性能的影响

复合材料在制造过程中无法避免地会产生空隙。文中介绍用NDT技术评定空隙率对复合材料层板力学性能的影响。通过采用真空排气、加压及微波加热与真空排气相结合的方法,可以降低制品的空隙率。     

冷热循环对M40碳纤维/氰酸酯复合材料影响的试验研究

对M40碳纤维/氰酸酯复合材料进行了冷热循环试验,分别测试了经不同次数冷热循环后材料的质损率、弯曲强度和层剪强度,并通过扫描电镜对试样断口形貌进行了观察。结果表明:随着冷热循环次数的增加,样品有少量的质量损失;其剪切性能先增加后略有降低;碳纤维与树脂基体之间的界面结合状态良好。