纤维增强复合材料性能分析及应用

纤维增强复合材料具有良好的加工工艺性、优良的物理机械性能和吸能性。用它作为防弹材料,较金属和陶瓷具有突出的优越性。目前在世界各国应用广泛。对纤维增强复合材料进行研究,分析材料性能,对武警部队装备研究将具有一定的参考价值。     

短纤维复合材料的随机微结构力学分析

利用随机介质微观力学方法对纤维大小、方向随机分布的短纤维复合材料弹性模量进行了计算。给出了与微观性能相联系的复合材料弹性模量计算公式。对铝基碳化硅增强短纤维复合材料进行了计算及实验验证。     

偏磷酸铝在Cf/AL 复合材料中的应用

以高模高强石墨纤维Ｍ４０Ｊ增强铝基复合材料为研究对象,研究了真空液相压渗工艺中,偏磷酸铝粘接剂对纤维预制件抗压性能及复合材料力学性能的影响。结果表明：偏磷酸铝的含量、Ａｌ／Ｐ原子比及处理温度对预制件的抗压性能均有显著影响,加入５％偏磷酸铝粘接剂溶液的预制件,经５００°Ｃ处理后的抗压性能满足压渗要求,纤维保持了较好的平直度及分布均匀性,所制备的复合材料抗拉强度大于５００ＭＰａ,抗弯强度大于８００ＭＰａ     

三维石英纤维增强氮化物基复合材料的烧蚀性能及显微结构

采用先驱体转化法制备了三维石英纤维增强氮化物基复合材料(3D SiO2f/Si3N4-BN),用等离子射流烧蚀方法研究了复合材料的烧蚀性能,运用扫描电镜及能谱仪对烧蚀表面微观形貌进行了观察和分析。结果表明氮化物基复合材料在高压高热流等离子体烧蚀下线烧蚀率为0.91mm/s,石英纤维熔融并被吹除带走了大量的热量,熔融层抑制了基体的机械剥蚀。基体由于强度高、升华温度高,延缓了熔融层的吹除,表明氮化物基复合材料是一种良好的耐高温烧蚀透波材料。     

吸湿环境对石英纤维增强环氧树脂面板/PMI泡沫夹层结构复合材料吸湿行为的影响

研究了不同温度、湿度环境下,夹层结构石英纤维增强环氧树脂面板/PMI泡沫夹层结构复合材料及其芯材和面板的吸湿规律。将石英纤维增强环氧树脂面板、PMI泡沫、复合材料面板/PMI泡沫夹层结构试样在不同吸湿环境中进行吸湿处理后,对其吸湿行为进行分析。结果表明:浸水环境下面板、PMI泡沫、PMI泡沫夹层结构复合材料都表现出更为严重的吸湿行为;在潮湿环境中,50℃至70℃范围内,温度越高,试样在吸湿过程中的质量损失越多,最终的饱和吸湿率越小;在60℃以内的潮湿环境中,PMI泡沫夹层结构复合材料的饱和吸湿率可以通过相同环境下面板复合材料和PMI泡沫的吸湿率进行预测。     

T300和JC2#纤维增强C/SiC复合材料力学性能对比

以聚碳硅烷(PCS)为先驱体,采用聚合物浸渍裂解法(PIP)分别制备得到T300碳纤维和JC2#碳纤维增强C/SiC复合材料。JC2#C/SiC复合材料具有优异的力学性能,抗弯强度和断裂韧性分别达到662MPa和19.5MPa.m1/2;T300 C/SiC复合材料表现出低强度、高脆性,其抗弯强度和断裂韧性不足前者的四分之一。T300 C/SiC复合材料低性能的根本原因在于T300纤维在PCS裂解过程中性能严重下降,复合材料中纤维与基体间存在强界面结合是另一个影响因素。     

烧结温度对 Cf/SiC 复合材料界面的影响

系统地研究了烧结温度对Cf/SiC复合材料界面和力学性能的影响.结果表明,烧结温度较低(1700℃)时,由于复合材料的烧结性差,纤维与基体间仅仅为一种机械结合,因此纤维与基体间结合很弱,从而导致复合材料力学性能低.烧结温度提高至1800℃后,由于适量的富碳界面相不仅可避免纤维与基体间的直接结合,而且使纤维与基体间的结合强度适中,因而复合材料具有很好的力学性能.进一步提高烧结温度至1850℃或更高温度时,由于界面相与纤维间的反应加重,纤维本身性能大大降低.同时,纤维与基体间结合强度提高,因此复合材料的力学性能大大降低.     

静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维及包覆纱线研究

利用静电纺丝技术制备了聚丙烯腈（PAN）纳米纤维,考察了PAN溶液质量浓度、纺丝电压和挤出速率等工艺参数对PAN纳米纤维制备及其微观形貌的影响,制备了直径可控的PAN纳米纤维,并将其对纱线进行包覆。结果表明：PAN溶液的质量浓度和挤出速率对纤维成形和直径的影响较大,随着PAN溶液质量浓度升高,溶液可纺性增加;较低的挤出速度能纺出直径细而均匀的纳米纤维;纤维直径随着纺丝电压的增加而减小。PAN纳米纤维与纱线能较好地复合,为纳米纤维的应用、纱线改性和纤维增强增韧复合材料界面设计提供了新方法和技术支撑。     

聚碳硅烷先驱体制备SiC基复合材料的性能研究

本文以聚碳硅烷(PCS)为先驱体,SiC晶须,SiC微粉或C纤维为增强剂,热解转化制得SiC/SiC或C/SiC复合材料,研究其制备工艺过程对材料的力学和热物理性能的影响。结果表明:PCS在1300℃下转化为β-SiC微晶并将未烧结的增强剂网络在一起形成SiC/SiC或C/SiC复合材料。该SiC基复合材料具有较好的常温和高温机械强度,优异的耐热疲劳和抗热震性能,在1300℃空气中具有良好的抗氧化性。     

冲击波载荷作用下固支正交各向异性薄板挠度特性分析

根据能量原理,采用层合板理论和薄板大变形理论,对四边固支的矩形正交铺层的纤维增强复合材料薄板在爆炸冲击波作用下的弹性大变形进行理论分析,得到了层合板的最大挠度计算公式。有限元数值模拟计算表明,理论计算结果与有限元数值模拟的结果吻合较好,因此该方法可用来对复合材料板在弹性范围内的最大挠度进行预测,同时认为根据薄板的最大挠度,可以计算板的应力(应变)分布和复合材料板失效时的爆炸载荷。     

不同增强体镁基复合材料的阻尼性能

研究了短切碳纤维、碳化硅晶须、硼酸铝晶须为增强体的镁基复合材料在外加载荷下的阻尼性能,测量了它们的力学性能与断口特性。研究表明：增强体不同的镁基复合材料,阻尼性能不同;在所研究的几种增强体复合材料中,以短切碳纤维增强镁基复合材料的阻尼效果最好;短切碳纤维增强铁基复合材料界面对内耗有明显的影响。     

金属泡沫复合材料夹芯结构的压痕响应实验

金属泡沫夹芯结构是近年来新出现的一种明显具有结构和功能一体化特点的新型轻质材料,它在临近空间飞行器、航海及汽车等领域有着广阔的应用前景。以以纤维增强复合材料面板、闭孔泡沫铝芯子为特征的复合材料夹芯结构为研究对象,对其在球形压头作用下的压痕响应、损伤模式、变形机制和失效机理进行理论分析和实验研究。研究发现,泡沫铝复合材料夹芯结构的压痕响应是夹芯结构的各个组成部分的响应、相互作用以及压头属性的综合作用结果。泡沫铝复合材料夹芯结构在球压头作用下的损伤模式为基体开裂、纤维断裂、层间分层、泡沫铝的屈服及剪切断裂五种失效模式。     

纤维织物复合材料组分材料体分比的显微CT实验测定法

针对纤维织物复合材料的组分材料体分比测定问题,提出一种基于显微CT图像的测定方法。该方法可以通过不同尺度的显微CT图像分别测定全局纤维体分比、局部纤维体分比和纤维束体分比参数,还可以为难以用常规物理实验测定体分比的复合材料组分材料体积分数测定提供解决方案。以E-Glass/Epoxy纤维织物复合材料为研究对象,对比ASTM D3171 Procedure G、扫描电镜实验和显微CT实验三种测定法的测量值,结果证明了显微CT实验测定法的可行性和合理性。针对扫描电镜图像和显微CT图像,分别给出了相应的图像处理方法,为获得正确的组分材料分割结果提供了技术保证。显微CT实验测定方法可以广泛应用于复合材料组分材料体分比的测定。     

气囊辅助RTM制备复合材料承力筒内腔尺寸控制技术

根据气囊充压压力与复合材料承力筒内径之间的变化关系,给出了成型复合材料承力筒内表面的气囊尺寸计算方程。分析了气囊充压压力增大对承力筒的壁厚、纤维含量和弯曲性能的影响。采用气囊辅助RTM工艺整体制备出复合材料承力筒。试验结果表明,气囊充压压力使复合材料承力筒的壁厚减薄,纤维体积含量增加,弯曲性能提高;选择适当的气囊充压压力可以制备出满足设计要求的复合材料承力筒。     

纤维缠绕复合材料管道等径三通的强度分析

根据复合材料强度准则中应用最广的Tsai—wu失效准则，利用ANSYS有限元分析软件，对纤维缠绕复合材料管道等径三通强度进行分析。分析结果表明，复合材料管道三通在承受内压时，在主管和支管的连接处会产生应力集中，纤维的缠绕方向不同三通的强度因子会各异，缠绕角在50°～60°时复合材料管道三通的强度最好，此结论可以为纤维缠绕复合材料管道三通的设计制造提供一种有效的参考。     

高温空气下C/SiC复合材料力学性能测试

测试了C/SiC复合材料在高温空气下的压缩、弯曲和拉伸性能,利用扫描电子显微镜分析复合材料在室温与高温条件下的断口微观形貌。结果表明:从室温升温到1 000 ℃测试温度时,C/SiC复合材料的压缩强度由247 MPa降低至78 MPa,性能降低68%;弯曲强度由480 MPa降低至277 MPa,性能降低42%;拉伸强度由247 MPa降低至152 MPa,性能降低38%。高温氧化导致界面退化,损伤材料基体与碳纤维结构,加剧了纤维断裂程度,改变了纤维与基体的结合状态,纤维增韧机制逐渐消失,导致复合材料性能下降。     

玻璃纤维增强复合材料的损伤分析

本文对玻璃纤维增强复合材料层合板进行了拉、剪多向应力本构关系的实验研究,成功地用软x射线照相观察到材料内部微裂纹沿纤维方向近似均匀分布,并沿裂纹面扩展至破坏的损伤形貌,同时结合声发射技术等监测其扩展规律。在此基础上建立了基于微观机制的微裂纹损伤模型,预测材料的损伤非线性本构关系和破坏,以及实验观察到的一些复合材料特有的损伤现象,理论预测结果与实验值吻合。     

石英纤维增强苯并噁嗪树脂复合材料研究

对苯并(啞心)嗪树脂应用于RTM工艺制备石英纤维增强复合材料进行了研究.系统考察了该树脂的工艺性能及力学性能,制备并测试了石英/苯并(啞心)嗪复合材料的力学性能及耐烧蚀性能,并将相关性能与钡酚醛与石英/钡酚醛进行了比较.结果表明,在85℃～145℃温度区间内苯并(啞心)嗪树脂粘度保持在800mPa·s以下,树脂具有较宽的低粘度温度平台和较长的低粘度保持时间.力学性能及耐烧蚀性能研究表明,石英/苯并(啞心)嗪复合材料的层间剪切强达到了61.5MPa,拉伸强度和弯曲强度显著优于石英,钡酚醛复合材料,质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.0510g·s-1和0.032mm·s-1.石英/苯并(啞心)嗪复合材料是一种可采用RTM工艺制备的耐烧蚀材料.     

低速冲击下玻璃钢/钢复合结构损伤特性实验研究

考虑基体材料的不同增韧特性,针对两种不同的玻纤织物增强复合材料/钢复合结构进行低速冲击实验,采用超声波探伤仪对玻璃钢损伤区域进行了探测.结果表明,采用增韧基体的玻璃钢/钢复合结构在低速冲击下玻璃钢层的抗冲击能力更强,相同能量冲击下的损伤面积更小;损伤面积近似呈正方形分布,正方形对角线与纤维方向一致.     

基于纤维方向的C/SiC复合材料端面磨削实验研究

采用小直径金刚石砂轮对气相渗硅反应烧结工艺(Gaseous Si Infiltration,GSI)方法制备的C/Si C复合材料进行了端面磨削实验研究,探究了不同纤维方向的磨削性能,讨论了磨削用量对磨削力和磨削表面粗糙度的影响规律,采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对磨削表面形貌进行观测,分析了磨削损伤和磨削加工机理。结果表明:C/Si C复合材料不同纤维方向磨削性能不同,正常纤维方向磨削力最大,粗糙度最小;纵向纤维方向磨削力最小,粗糙度最大。材料以脆性断裂形式去除,磨削面损伤主要为纤维断裂、分层,Si C基体微裂纹,界面层失粘。通过理论分析推测碳纤维层主要作用是减弱微裂纹扩展程度和改变微裂纹扩展方向。