二维与三维机织复合材料面内力学性能对比

设计并制备了结构形式和工艺参数相同的二维机织层合和三维机织复合材料,利用数字图像同步测试技术（DIC）系统地开展了经、纬向拉伸、压缩试验和面内剪切试验。结合试样表面应变场的演化过程和断裂形貌分析,对比研究了二维机织层合复合材料和三维机织复合材料的承载机制、力学性能和失效机制的差异。结果表明,经纱在层间的交织联锁对机织复合材料的宏观力学行为和承载机制有重要影响,三维机织复合材料牺牲了经向拉伸和压缩性能,得到了更好的结构整体性和更高的纬向性能。此外,三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线具有明显的非线性特征。同时,经纱对纬纱的强约束导致了纤维束/基体界面上的弱粘接,降低了三维机织复合材料抵抗剪切变形的能力。     

三维机织复合材料细观黏弹性梁模型

建立了两种组合梁模型,分别模拟3D机织复合材料内部和表面纤维束的细观结构,模型反映了纤维束细观结构和变形的周期性,考虑了纤维束的局部弯/剪耦合效应和局部偏轴效应。实验确定了一种树脂基体各向同性蠕变本构的参数,在此基础上建立了纤维束横观各向同性的蠕变本构模型,将基体和纤维束的蠕变本构应用于上述细观组合梁模型,用于分析3D机织复合材料宏观平均的黏弹性应力应变响应。用上述模型分析了一种环氧树脂/玻纤体系3D机织复合材料的细观应力分布和平均宏观模量,模拟了其蠕变、弹性回复曲线,模型预测与实验结果吻合。     

高性能树脂基复合材料轻质结构3D打印与性能研究

树脂基复合材料轻质结构具有轻质、高性能等优点,广泛应用于航天航空、高速列车和船舶等领域。通过对传统树脂基复合材料轻质结构制造工艺的综述分析,发现传统制造工艺具有过程复杂、周期长和生产成本高等缺陷,限制了树脂基复合材料轻质结构的发展。3D打印是一种先进的零件成形工艺,可实现复杂结构零件的快速制造,为高性能复合材料轻质结构的一体化制造提供了可能。介绍了树脂基复合材料轻质结构3D打印的研究进展,提出了基于连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的高性能复合材料轻质结构的一体化制造工艺,并对其性能开展了初步研究。     

玄武岩纤维增强树脂基复合材料力学性能研究

玄武岩纤维作为一种新型的树脂基复合材料用高性能增强纤维,具有较好的性价比,通过对连续玄武岩增强环氧树脂复合材料单向板、织物复合材料层合板、缠绕NOL环、缠绕φ60mm复合材料管的力学性能等研究,可为玄武岩纤维应用于结构复合材料提供设计依据。     

高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印

3D打印技术是一种逐层成形的增材制造技术,而纤维增强树脂基复合材料是一种力学性能优异的先进结构材料,结合3D打印的工艺先进性和纤维的材料性能优势,提出新型的纤维增强树脂基复合材料3D打印工艺,为进一步促进两者共同发展与应用提供了可能。综述并分析了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术的研究现状与瓶颈,提出了一种连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印工艺,将3D打印丝材制备、3D打印预成型体、3D打印预成型体固化分隔成3个独立的模块,并根据不同模块设计搭建了不同的试验平台及设备,成功制备得到了连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印构件,还测试得出其(纤维含量为52%)拉伸强度及拉伸模量分别达到1325.14MPa和100.28GPa;弯曲强度及弯曲模量分别为1078.03MPa和80.01GPa;层间剪切强度为58.89MPa。大幅提高了纤维增强树脂基复合材料3D打印成型构件的力学性能。     

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。     

三维Kevlar／尼龙复合材料力学性能的研究

本文对用液态原位缩聚法制取的三维Ｋｅｖｌａｒ／尼龙复合材料拉伸强度及 弯曲模量进行了测定和讨论，分析了其力学性能与理论值之间的关系。     

三维编织复合材料力学性能试验研究

通过单向拉伸试验和三点弯曲试验，从宏观角度研究了三维编织复合材料的力学行为。研究选用了两种增强纤维、两种编织角、两种纤维体积含量等不同工艺参数所组成的16组试样，进行力学性能试验，探寻三维编织工艺参数与力学性能之间的关系，确定适合于编织复合材料的力学性能试验方法。     

树脂基结构复合材料的研究进展

主要介绍了国内外树脂基结构复合材料及其成型工艺的发展现状,详细讨论了环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯和聚酰亚胺复合材料以及模压、热压罐和RTM工艺,针对轻量化和低成本制造要求,提出了结构复合材料发展建议。     

陶瓷基复合材料的基本力学性能测试

本文论述了陶瓷基复合材料的基本力学性能测试现状，对现今的非标准力学性能测试方法的优缺点给予表达。     

三维机织复合材料的一个细观力学模型

根据三维机织复合材料中细观几何和变形的周期性,提出了一种反映细观周期约束条件的组合梁单元模型,该模型既考虑了纤维束的偏轴拉压效应,又考虑了纤维束的弯／剪耦合效应和纤维束之间的相互作用,可以描述纤维束和基体中的细观应力分布。针对一种典型的三维机织复合材料,研究了根据编织参数确定材料细观结构的方法,在此基础上选取材料中最小周期的一段纤维束作为分析胞元,用上述模型分析了面内拉伸荷载下胞元中各相材料的细观应力,进而得到材料平均的宏观模量。材料试验和二维细观有限元分析证明了本模型的可靠性。研究表明,三维机织复合材料中,纤维束拉、弯耦合效应引起的细观应力在应力分析中不可忽略。     

G/C纬向混杂浅交弯联三维机织复合材料的低速冲击性能

为了研究纤维混杂对三维机织复合材料低速冲击性能的影响,本文基于同一种浅交弯联三维机织结构制备成型了全碳纤维(T700)和玻璃/碳纤维(E-glass/T700)纬向混杂两种不同的复合材料。以上述两种复合材料为研究对象进行低速冲击实验,试验时设定冲击能量分别为10、23和40 J。结果表明:在不超过40 J的冲击能量下,两种复合材料均未被冲破;在三种冲击能量下,混杂材料的峰值力均小于全碳材料,其吸收能量、最大位移均大于全碳材料。在10和23 J的冲击能量下,混杂材料的损伤程度小于全碳材料;但当冲击能量达到40 J时,混杂材料的损伤程度大于全碳材料。     

三维角联锁机织复合材料剪切性能有限元分析

使用三维绘图软件Pro/E 5.0构建出一种三层角联锁机织复合材料的细观结构模型,借助有限元软件ANSYS对复合材料在剪切力作用下纤维与树脂的应力、应变分布进行数值模拟,并借此分析该复合材料在剪切作用下的力学行为,并预测复合材料破坏模式。结果表明:复合材料在剪切力作用下发生沿剪切力方向程度较均匀的剪切变形;纤维相对于树脂承受更多剪切力作用,产生更大应力,但发生相对较小的应变;纤维中轴向与剪切力方向平行的经纱相对轴向垂直于剪切力的纬纱表现出更大的应力和应变。     

Analytical Solution for Predicting In-plane Elastic Shear Properties of 2D Orthogonal PWF Composites

This paper proposes a new analytical solution to predict the shear modulus of a two-dimensional(2D) plain weave fabric(PWF) composite accounting for the interaction of orthogonal interlacing strands with coupled shear deformation modes including not only relative bending but also torsion,etc.The two orthogonal yarns in a micromechanical unit cell are idealized as curved beams with a path depicted by using sinusoidal shape functions.The internal forces and macroscopic deformations carried by the yarn families,together with macroscopic shear modulus of PWFs are derived by means of a strain energy approach founded on micromechanics.Three sets of experimental data pertinent to three kinds of 2D orthogonal PWF composites have been implemented to validate the new model.The calculations from the new model are also compared with those by using two models in the earlier literature.It is shown that the experimental results correlate well with predictions from the new model.     

2.5维机织复合材料细观几何模型及刚度预测方法研究进展

本文从2.5维机织复合材料细观几何结构出发,讨论了织造及成型工艺对材料实际细观几何结构的影响,并分析了不同纱线截面及路径假设所建立代表性体积胞的优缺点。对考虑工艺因素的代表性体积胞是否具有统一性和体素单元法建模的合理性做出对比分析。在代表性体积胞的基础上,重点讨论了2.5维机织复合材料刚度的数值预测方法,并将其与刚度的理论预测方法作了简单对比。基于刚度的数值预测方法,分析了各种机织参数对刚度系数的影响,并且对比了不同代表性体积胞模型的应力场。此外,还讨论了2.5维机织复合材料叶片的建模分析技术与刚度设计方法。最后,指出了当前2.5维机织复合材料细观建模及刚度预测方法存在的问题与不足,并且对其力学性能研究的发展趋势进行了展望。     

Al_2O_3/TiAl 复合材料的原位合成、结构与性能研究(英文)

以 Ti, Al, TiO2和 Nb2O5混合粉为原料,采用热压反应合成技术制备了 Al2O3/TiAl 复合材料。对复合材料的微观组织与力学性能进行了研究。结果表明:产物由γ-TiAl, α2-Ti3Al, Al2O3和 NbAl3相组成。原位反应形成的细小 Al2O3粒子主要分布在基体晶界处。随着 Nb2O5含量的增加,晶粒明显细化,Al2O3粒子呈弥散分布在基体中。最终形成了由γ和γ α2构成的特殊组织。随着 Nb2O5含量的增大,复合材料的硬度逐渐增大,抗弯强度和断裂韧性在 Nb2O5含量为 6 wt%时达到最大,分别为 398.5 MPa 和 6.99 MPa·m1/2。     

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%。     

Microstructure and Mechanical Properties of In-situ Synthesized Al2O3/TiAl Composites

Al2O3 particle-reinforced TiAl composites are successfully reaction-synthesized from the powder mixture of Ti, Al, TiO2, and Nb2O5, using the hot pressing reaction synthesis technique. The microstructure and mechanical properties of the as-sintered products are investigated. It is found that in the as-sintered products consisting of γ-TiAl, α2-Ti3Al, Al2O3, and NbAl3 phases, the fine Al2O3 particles tend to disperse on the grain boundaries. With the Nb2O5 content increasing, the grains are remarkably refined and the Al2O3 particles are dispersing more uniformly in the TiAl matrix, forming a partial lamellar structure containing α and lamellar phases. The hardness of the in-situ composites increases gradually, and the bending strength and the fracture toughness of the as-sintered products reach the maximum value of 398.5 MPa and 6.99 MPa·m^1/2, respectively, as the Nb2O5 content increases to 6 wt%.     

新型三维织物夹芯复合材料的制备及其力学性能

以玻璃纤维为原料,采用特殊的三维织造工艺,织制经向剖面为矩形的新型三维夹芯织物。以环氧树脂E-51、9055型固化剂组成树脂基体体系,采用手糊成型工艺将上述机织物复合制成三维织物夹芯复合材料。对高度为10、20及30 mm的三维织物夹芯复合材料的力学性能进行研究,重点分析夹芯层高度对材料压缩与弯曲性能的影响。结果表明:随着夹芯层高度的增加,材料的压缩强度与模量逐渐下降,弯曲强度逐渐上升,弯曲模量逐渐下降,其中纬向弯曲强度明显大于经向。     

混合机织复合材料刚度、强度及低速冲击性能试验研究

将二维机织碳布和单向预浸料碳布按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点。试验测定不同比例的混合机织复合材料的面内刚度、强度,采用落锤法进行多个能量级别的低速冲击试验和准静态横向压缩试验,用超声波C-扫描法记录各试验件的内部损伤面积,并测量剩余压缩强度,分析这种混合机织复合材料在综合考虑刚度、强度以及低速冲击损伤容限等因素下的最佳铺层比例。