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。     

复合材料固化应力模型

本文建立了描述复合材料固化应力史的综合模型。在本模型中考虑了化学收缩对残余应力史的贡献,并考虑了以玻璃化转变区为应力释放区的应力松弛过程。整个模型由四部分组成:描述温度场的模型、物理力学参数的模型、描述细观纵向残余应力史的模型、描述层合固化应力史的模型。     

三维四向编织复合材料弹性性能的有限元预报

在四步法方型三维编织复合材料细观结构单胞模型的基础上,假设纱线具有六边形横截面,应用ANSYS软件,建立了实体有限元模型,该模型表面与预制件表面平行,更加符合三维编织复合材料的实际结构,且有利于力学性能的分析,同时,该模型中还考虑了织物的编织角与内部编织角的几何关系.基于该模型,计算了材料的弹性常数,分析了编织角和纤维体积含量对弹性常数的影响规律.结果表明,数值计算与实验结果吻合较好.此外,还确定了材料内部的应力场分布,为材料的强度预测奠定了基础.      

连续玄武岩纤维及其复合材料耐腐蚀特性

通过考察玄武岩纤维在蒸馏水、氢氧化钠溶液及盐酸中煮沸3h后的强度与质量变化,及其复合材料在8种化学介质中分别浸泡15d、30d和90d后的力学性能与表面形态变化,对一种国产连续玄武岩纤维及其复合材料的耐化学介质腐蚀性能进行了实验研究.结果表明,该玄武岩纤维及其复合材料都有很好的耐水及耐碱性能,且纤维的耐碱性能优于其耐酸性能.由于玄武岩纤维的耐酸碱性能差异,使复合材料具有如下腐蚀特性:酸性介质中,复合材料弯曲强度和弯曲模量同步降低;碱性介质中,复合材料弯曲强度降低,而弯曲模量几乎保持不变.      

接触角法测玄武岩及玻璃纤维表面能实验

通过Wilhelmy吊片法测试液体与玄武岩、玻璃纤维单丝的前进接触角,应用OWRK理论计算得到纤维表面能及其色散与极性分量.实验研究表明:未经表面处理的玄武岩纤维表面能高于S-2玻璃纤维,去除浸润剂后2种纤维表面能的极性分量均明显降低,并且测试液体的极性分量对纤维表面能的测试结果影响甚大.分析结果为纤维与树脂的表面张力合理匹配、形成良好界面浸润和粘接提供了理论依据.      

SMARC变形控制及神经网络建模

在复合材料层板中偏离中性层的位置铺设镍钛形状记忆合金丝,然后通电加热镍钛丝,使其在形状回复过程中产生巨大的回复力,从而使层板结构发生弯曲变形.由于形状记忆合金的非线性以及合成的智能材料结构的应力、应变分布和形状变化规律都非常复杂,尝试引入人工神经网络来建立以可控参量(电流强度)为输入变量、易测参量(稳态挠度)为输出变量的模型,所建模型的预测数据与实验数据之间符合得较好,相对误差小于9%.      

含多处任意脱层层合梁屈曲的微分求积解法

基于铁木辛柯(Timoshenko)梁理论,建立了含任意脱层的复合梁模型,并利用微分求积DQ(Differential Quadrature)法,研究了含多处任意脱层层合梁的屈曲问题.该复合梁模型给出的含单脱层层合梁的临界屈曲载荷计算结果与相关文献结果一致.此外,以两端固支,含两个任意长度、任意深度贯穿脱层的层合梁为例,分析了脱层长度、深度以及相对位置对屈曲载荷的影响.为工程结构设计和分析提供了一种简单有效的方法,给出了一些有参考价值的结果.     

循环湿热环境下碳纤维复合材料的界面性能

针对CCF300/5428复合材料在循环湿热环境下的吸湿-脱湿行为和层间剪切性能进行了研究,并结合扫描电镜观察了循环湿热处理的不同阶段纤维/基体界面结合状态.研究结果表明:经过反复吸湿后,水分的初始扩散速率和饱和吸湿率增加;脱湿后水对复合材料层间剪切性能的影响大部分可以消除;复合材料吸湿后室温环境下性能下降较少,但在高温高湿环境下,复合材料的性能会显著降低.     

基于碳纳米管薄膜的复合材料层间增韧

通过浮动催化化学气相沉积法制备连续碳纳米管薄膜,并将其原位沉积到单向碳纤维织物表面,手工铺层后借助真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺制备碳纳米管-碳纤维/环氧树脂复合材料层压板,研究不同面密度的碳纳米管薄膜对层压板Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明,随着碳纳米管薄膜面密度的增加,层压板Ⅱ型层间断裂韧性先逐渐提高,当碳纳米管薄膜面密度为9.64 g/m²时,层压板Ⅱ型层间断裂韧性最佳,与原始层压板相比提高了94%。碳纳米管通过桥接树脂裂纹、从树脂中拔出等方式提高层间断裂韧性。当碳纳米管面密度超过临界值时,会引起树脂浸润困难,导致增韧效果降低。     

二维机织树脂基复合材料湿热性能研究

实验研究了不同铺层厚度的二维机织玻璃纤维织物/环氧胶膜基体复合材料层压板室温和湿热环境下的开孔拉伸和弯曲性能.结果表明,材料弯曲强度具有尺寸效应,弯曲强度随试样铺层厚度增加基本上线性下降,下降率为5.2%/mm;材料平衡吸湿量平均为2.2%,吸湿后基体性能发生退化,退化程度与试样厚度有关.材料达到平衡吸湿后70 ℃,相对湿度85%的湿热环境下,弯曲强度下降严重,其强度保有率平均为31.7%;开孔拉伸强度保有率随试样厚度线性增加,增加率为4.2%/mm,强度保有率平均为70.0%.