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PBO纤维增强环氧树脂复合材料层间Ⅰ型断裂韧性的DIC技术测量

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复合材料学报 2023年第1期40卷 72-82页

作者：杨露校金友文立华张承双侯晓西北工业大学航天学院西安710072 西安航天复合材料研究所西安710025 中国航天科技集团有限公司北京100048

Ⅰ型双悬臂梁(dcb)试验通常用于单向复合材料的层间抗拉性能研究,目标是测量Ⅰ型层间断裂韧性,其可作为复合材料分层扩展及失效机制研究的重要输入参数。在dcb试验中必须经常暂停试验以实现多次测量裂纹长度,这不仅会对裂纹传播产生潜... 详细信息

Ⅰ型双悬臂梁(dcb)试验通常用于单向复合材料的层间抗拉性能研究,目标是测量Ⅰ型层间断裂韧性,其可作为复合材料分层扩展及失效机制研究的重要输入参数。在dcb试验中必须经常暂停试验以实现多次测量裂纹长度,这不仅会对裂纹传播产生潜在影响,造成测量误差且多次反复试验的时效性较差。数字图像相关(DIC)测试技术应用于裂纹扩展长度测量具有实时跟踪、精确定位的优点,可有效提高Ⅰ型断裂韧性试验的测量效率,但应用于非连续变形行为仍存在局限性,且易受到图像噪声的干扰,产生测量误差。本文发展了一种基于DIC测试技术的实时获取裂纹长度的检测方法,通过图像匹配算法获取试件的非连续变形位移场,并提出一种根据全局横向位移离散程度的辨别方法,实现了裂纹尖端的实时捕捉。再通过dcb试验,与传统测量方式对比,裂纹长度的测量误差平均不超过2.76%,验证了该方法的准确性和高效性,同时也克服了聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)/环氧树脂复合材料侧表面毛糙、散斑质量较差及纤维桥接对测量结果的干扰,最终获取了有效的Ⅰ型层间断裂韧性初始值及稳态扩展值。

关键词： DIC PBO/环氧树脂复合材料裂纹长度 dcb试验纤维桥接断裂韧性

圆弧形单向纤维增强树脂复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性测试及分析

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复合材料学报 2021年第9期38卷 2897-2906页

作者：康永胜张小章王黎明李武胜清华大学工程物理系北京100084 核工业理化工程研究院天津300180

层合板的Ⅰ型层间断裂韧性的测量方法通常为单向纤维增强树脂复合材料的末端切口(End notched flexure, ENF)试样的双悬臂梁(Double cantilever beam, dcb)试验。为了得到带有弧度的层合复合材料结构的Ⅰ型层间断裂韧性,对圆弧形末端切... 详细信息

层合板的Ⅰ型层间断裂韧性的测量方法通常为单向纤维增强树脂复合材料的末端切口(End notched flexure, ENF)试样的双悬臂梁(Double cantilever beam, dcb)试验。为了得到带有弧度的层合复合材料结构的Ⅰ型层间断裂韧性,对圆弧形末端切口(Arc-ENF)试样进行dcb试验。基于梁的弯曲理论和Irwin-Kies公式得到Arc-ENF试样的柔度公式与Ⅰ型临界能量释放率GIC公式,并且利用ABAQUS软件对dcb试验进行数值模拟。最终,通过对比分析理论公式计算结果、数值模拟结果和dcb试验结果来验证柔度公式和GIC公式的合理性和有效性,对带有任意弧度的dcb试样的Ⅰ型层间断裂韧性的测试与分析具有参考价值。

关键词： Arc-ENF试样柔度层间断裂韧性数值模拟 dcb试验

一种厚度无关的复合材料Ⅰ型分层扩展桥接律构建方法

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复合材料学报 2024年第10期41卷 5634-5645页

作者：高佳乐荣俊杰席近远校金友文立华侯晓西北工业大学航天学院西安710072 中国航天科技集团有限公司北京100048

大范围纤维桥接是复合材料分层扩展中的一种重要的增韧机制,通常用R曲线和桥接牵引-分离定律表征。然而R曲线和桥接牵引-分离定律都与结构厚度有关,需用不同厚度试件分别进行实验测量。近期的研究指出:桥接现象的厚度相关性实质上是由... 详细信息

大范围纤维桥接是复合材料分层扩展中的一种重要的增韧机制,通常用R曲线和桥接牵引-分离定律表征。然而R曲线和桥接牵引-分离定律都与结构厚度有关,需用不同厚度试件分别进行实验测量。近期的研究指出:桥接现象的厚度相关性实质上是由于不同厚度结构弯曲刚度不同所造成的;将裂纹张开的转角引入,构建的桥接牵引-分离转角关系与厚度无关。但是,现有的构造方法需要试件预埋光纤测量应变,试验过程复杂。本文通过弹性约束梁模型解析推导双悬臂梁预制裂纹尖端张开位移和转角,并结合J-积分法构建桥接牵引-分离转角关系,通过实验验证该关系是厚度无关的。进一步基于这种厚度无关的桥接律,提出了一种根据单一厚度试验数据逆推其他任意厚度R曲线与桥接牵引-分离定律的方法。通过不同厚度的碳纤维/环氧树脂、芳纶纤维/环氧树脂复合材料层合板双悬臂梁试验,证明逆推出来的R曲线和桥接牵引-分离关系曲线与用试验直接测量的曲线吻合很好。本文方法基于解析模型,仅需测量载荷-位移曲线即可,避免了裂纹长度的测量以及不同厚度的多次试验,简化了试验流程,为复合材料结构性能表征提供了有力工具。

关键词：复合材料结构Ⅰ型分层 dcb试验纤维桥接 R曲线 J-积分法

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碳纤维/钢复合结构Ⅰ型断裂性能研究

碳纤维/钢复合结构Ⅰ型断裂性能研究

作者：王少勃长安大学

学位级别：硕士

近年来,随着复合材料的开发,复合材料的力学性能不断提高、生产成本随之降低、材料性能成熟稳定,已广泛应用于钢结构的修复和加固中。碳纤维-钢复合结构作为胶接结构因其简单的制作工艺,具备了不易产生变形、接头应力分布均匀等诸多力... 详细信息

近年来,随着复合材料的开发,复合材料的力学性能不断提高、生产成本随之降低、材料性能成熟稳定,已广泛应用于钢结构的修复和加固中。碳纤维-钢复合结构作为胶接结构因其简单的制作工艺,具备了不易产生变形、接头应力分布均匀等诸多力学优点,使其被广泛应用于汽车、土木工程等领域,其中粘接层性能将直接影响碳纤维-钢复合结构的增强效果,因此如何提升粘结性能是学者们的研究重点。针对该问题,本文采用了表面刻槽和喷砂的钢表面粗糙化措施,并基于短纤维的桥联增强机理,使用芳纶短切纤维、多壁碳纳米管（MWCNT）纤维对粘接界面进行增强,利用双悬臂梁（dcb）试验和有限元仿真分析开展了增强机理研究。主要研究内容如下:（1）针对刻槽处理后的钢基底粘接界面,通过加入芳纶短切纤维对粘结层进行加强,与树脂混合固化剂粘接层相比,芳纶纤维薄膜增强后的粘接层极值载荷及临界能量释放率分别提高2.2%、2.4%,由于刻槽钢板表面及槽内粗糙度较小,I型断裂总发生于钢板与粘结层的界面处,芳纶纤维仅加强了树脂粘结层和树脂与碳纤维界面层;（2）为提高钢板与粘结层的界面粘结强度,使用喷砂技术对钢板表面进行处理,提高了钢板表面粗糙度,并使用多壁碳纳米管（MWCNT）纤维预处理技术,通过纳米短纤维有效加固树脂粘结层,经过预处理涂层后,粘接层的极值载荷及临界能量释放率相比刻槽表面分别提高22%、23%,I型断裂主要为粘结层的层间失效,同时MWCNT增韧效果明显,对不同界面的增韧机理进行了断面分析;（3）由于多壁碳纳米管极易发生聚团现象,不同浓度的MWCNT会对喷砂界面粘接层强度的产生不同的影响,针对该情况,文中研究了三种浓度的MWCNT预处理溶液对粘接层的影响,结果表明,在0.3wt%、0.6wt%、1wt%三种浓度中,MWCNT浓度越高,能够嵌入喷砂钢板表面和粘结层中的碳纳米管数量越多,界面强度和层间强度提高越显著;（4）基于双悬臂梁（dcb）试验测试结果,获得必要仿真参数,利用ABAQUS有限元软件对不同粘结界面进行仿真模拟,得到不同粘结界面的载荷位移曲线,并与试验结果进行比较,验证仿真模型的有效性。

关键词：碳纤维复合材料 dcb试验多壁碳纳米管(MWCNT) ABAQUS

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芳纶短纤维增强碳纤维复合材料机理研究

芳纶短纤维增强碳纤维复合材料机理研究

作者：丁广志长安大学

学位级别：硕士

碳纤维复合材料由于具有比强度、比刚度高等传统金属材料所不具备的优点,使其在航空及汽车工业等领域有着广泛的应用。碳纤维层合板复合材料是以环氧树脂为基体的多层碳纤维复合结构,在其结构中存在着多层树脂粘接层及粘接界面,由于树... 详细信息

碳纤维复合材料由于具有比强度、比刚度高等传统金属材料所不具备的优点,使其在航空及汽车工业等领域有着广泛的应用。碳纤维层合板复合材料是以环氧树脂为基体的多层碳纤维复合结构,在其结构中存在着多层树脂粘接层及粘接界面,由于树脂为脆性材料,粘接层基体和碳纤维/树脂界面的强度及断裂韧性较差,成为影响复合材料整体力学性能的关键因素,针对该问题,本文使用Kevlar纤维（芳纶纤维）对复合材料粘接层及粘接界面进行增强,并以双悬臂梁（Double Cantilever Beam,dcb）试验为基础研究了Kevlar纤维对碳纤维复合材料的增强机理。主要研究内容包括:（1）首先使用Kevlar纤维薄膜对粘接层的纯树脂构造进行加强,形成以Kevlar纤维为骨架的复合粘接层,与纯树脂粘接层相比,Kevlar纤维薄膜可以使粘接层的极限承载力及断裂韧性分别提高75%、103.9%,并且可以协调增强碳纤维/树脂界面强度,防止碳纤维/树脂界面发生剥离破坏;（2）为减少Kevlar纤维/树脂界面缺陷,提高界面强度,使用表面预处理技术对Kevlar纤维表面进行预处理,提高了树脂对Kevlar纤维薄膜的浸润性,增加了Kevlar纤维的拔出阻力,经过表面预处理,粘接层的极限承载力及断裂韧性分别进一步提高26.97%、27.60%,使用金相显微镜和SEM电镜对Kevlar纤维的增强机理进行了微观分析;（3）由于粘接层结构尺寸较小,不同长度的Kevlar纤维会对粘接层中纤维的布置形式及增强机理产生影响,针对该情况,文中研究了四种长度的Kevlar纤维对粘接层的影响,结果表明不同长度的Kevlar纤维会在粘接层产生不同的桥联作用,在3mm2mm长度范围内,Kevlar纤维越短,纤维两自由端越容易协同形成较强的桥联作用,Kevlar纤维越长,越容易发生剥离,形成较弱的桥联作用;（4）为研究粘接层中Kevlar纤维数量对粘接层强度的影响,以3mm长Kevlar纤维为研究对象,研究了3种不同密度的Kevlar纤维薄膜对粘接层的影响,结果表明在12g/m～36g/m范围内,Kevlar纤维膜密度越大,粘接层中参与桥联作用的有效Kevlar纤维数量越多,对界面的增强效果越好。

关键词：碳纤维复合材料 Kevlar纤维表面预处理 dcb试验

TA2板表面微坑对TA2/PEEK界面I型断裂韧性影响的研究

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TA2板表面微坑对TA2/PEEK界面I型断裂韧性影响的研究

作者：郑增敏南京航空航天大学

学位级别：硕士

金属-树脂粘结界面韧性是纤维金属层板设计、生产与应用主要考虑的问题之一。通过了解金属-树脂界面失效机制,可以设计出具有优异断裂韧性的界面。本文以TA2与PEEK粘结界面为研究对象,通过光刻工艺试验、有限元仿真、双臂悬梁(dcb)试验... 详细信息

金属-树脂粘结界面韧性是纤维金属层板设计、生产与应用主要考虑的问题之一。通过了解金属-树脂界面失效机制,可以设计出具有优异断裂韧性的界面。本文以TA2与PEEK粘结界面为研究对象,通过光刻工艺试验、有限元仿真、双臂悬梁(dcb)试验、表面润湿角测试、SEM、及正交试验,探索了在TA2表面构建微坑阵列的工艺,系统分析了微坑直径、微坑深度及微坑间距对TA2/PEEK界面I型断裂韧性、TA2表面润湿性及TA2/PEEK界面断裂机制的影响,建立微坑几何尺寸与TA2/PEEK/TA2界面I型断裂机制的关系。首先应用光刻法在TA2表面构建微坑阵列,探究TA2原始表面粗糙度、旋涂速度和时间、光刻胶烘烤温度和时间以及腐蚀时间对光刻后图形尺寸精度的影响。研究表明,最佳光刻工艺如下:低速和高速旋涂阶段的转速和旋涂时间分别为600 rpm/min、5s,4000 rpm/min、30s;最佳曝光时间为30s;光刻胶前后烘烤温度及时间为110℃、10min,90℃、30min。腐蚀30s后,微坑深度与腐蚀时间成正比例关系。其次,有限元仿真分析微坑几何参数对TA2/PEEK界面在I型条件下的失效影响。结果表明,TA2表面微坑可以改变TA2/PEEK粘结界面的应力分布及大小。对于粗糙界面,裂纹在TA2/PEEK界面长大方式为大量微裂纹在外载荷作用下汇聚成宏观裂纹,最终裂纹失稳并在TA2/PEEK界面扩展。微坑使裂纹扩展路径变长,提高TA2/PEEK界面失效时的临界断裂载荷和断裂韧性。最后,采用dcb试验进一步探究微坑几何参数对TA2/PEEK界面断裂韧性的影响并验证数值模拟的正确性。研究发现,TA2表面粗糙度与表面微坑几何尺寸成正/负相关,TA2表面能随着粗糙度提高而增加,但与粗糙度不成正比例关系。微坑几何尺寸改变,导致TA2/PEEK界面断裂机制由界面断裂向内聚力断裂转变,反之,亦然。当微坑几何尺寸直径400?m,微坑密集度为4,微坑横纵比为8,此时,TA2/PEEK界面为纯内聚力失效,TA2/PEEK界面失效临界断裂韧性最大。

关键词： TA2/PEEK界面断裂韧性有限元分析界面形貌 dcb试验润湿性光刻