三维编织复合材料多次应力波冲击损伤特征

三维编织复合材料在对结构件重量和冲击强度要求较高的高/低温应用场合,有着比金属材料更明显的性能/重量比优势,在高强度和轻量化零部件设计中有极大应用潜力。采用高速摄影记录冲击变形过程,用试验测试和有限元分析方法,研究三维碳纤维增强环氧树脂编织复合材料在不同环境温度单次与多次应力波加载下的横向冲击损伤性质,揭示横向冲击加载下的热力耦合损伤机制。研究发现,在单次应力波加载下,复合材料冲击面的压缩应力大于背部的拉伸应力;而在多次应力波加载下,随着试件变形背部的拉伸应力逐渐增大,大于冲击面的压缩应力。在室温下,复合材料的绝热温升集中在断裂面;而在高温下复合材料韧性增强,基体与增强体热膨胀系数的差异导致环氧树脂和碳纤维束相互挤压,绝热温升分布受编织结构的影响,表面呈散点状分布。研究表明,编织复合材料在室温和高温下的冲击损伤结构设计,为促进编织复合材料在冲击工程结构设计等领域的应用提供了理论依据。     

三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料热氧老化的强度降解机制

三维机织复合材料热氧老化强度降解机制对复合材料的安全性和耐久性设计至关重要。采用“基体收缩”二步法结合高速摄影记录冲击压缩变形过程和micro-CT表征冲击内部损伤形态,研究三维角联锁机织复合材料老化前后的冲击压缩行为,揭示热氧老化的强度降解机制。研究发现,老化复合材料表面产生的界面裂纹随老化时间增加持续变宽。老化复合材料的冲击压缩性能随老化时间增加逐渐下降,其压缩模量在老化32 d后下降了16.6%,老化复合材料中树脂基体热氧降解和界面脱粘共同作用阻碍了应力波从树脂到纱线的传递导致纱线断裂时间提前,破坏形态更严重。同时,老化裂纹会影响剪切裂纹的扩展路径导致剪切带更宽、损伤更严重,使老化复合材料的冲击压缩性能严重下降,但不会改变冲击压缩45°剪切破坏模式。研究结果为复合材料在热氧环境长期服役的冲击工程制造提供了理论依据。     

三维编织复合材料内部应变场有限元计算与原位测量

三维编织复合材料被大量用于航空结构设计,在航空服役过程中需承受各种复杂载荷。测量三维编织复合材料内部原位应变,将其应用于建立材料失效预警系统和结构强度设计。在三维编织复合材料内部埋植光纤Bragg光栅传感器和在材料表面粘贴应变片,同时测量结构内部和表面原位应变。构建均质模型和细观结构模型,采用有限元方法分析内部原位应变场分布,有限元分析结果和试验测量结果吻合性较好。发现在准静态单轴拉伸载荷作用下,三维编织复合材料不同位置原位应变值产生变化。三维编织复合材料轴向正中间截面应变分布较为均匀;内单胞处原位应变略大于面单胞处原位应变(最大差值约0.08%);外表面原位应变大于面单胞处原位应变(最大差值约0.1%)。在三维编织复合材料航空结构设计中,需要充分考虑并合理使用三维编织复合材料不同位置的应变值,使材料设计和利用效率最大化。