温度-荷载耦合作用下玻璃纤维增强复合材料-泡沫夹层结构Ⅰ-Ⅱ混合型界面断裂试验

复合材料夹层结构在长期的使用过程中发现界面剥离是夹层结构失效的常见模式之一,因此十分有必要研究不同温度条件下,玻璃纤维增强复合材料(GFRP)-聚氨酯泡沫夹层结构的I-II混合型界面断裂韧性。本项研究采用单臂弯曲试验(SLB)的方法测量GFRP-聚氨酯泡沫夹层结构的荷载-挠度曲线和裂纹扩展长度。试验结果表明:随着温度的升高,裂纹沿着界面扩展,芯材无破坏现象,极限承载力呈下降趋势。通过计算应变能释放率发现,随着温度的升高应变能释放率峰值呈上升趋势。运用界面裂纹扩展准则判定裂纹扩展符合理论要求。     

温度荷载作用下GFRP-泡沫夹层结构Ⅱ型界面断裂韧性分析

研究不同温度对玻璃纤维增强复合材料(GFRP)-泡沫夹层结构的Ⅱ型界面断裂韧性的影响,首先分析不同温度对GFRP以及聚氨酯泡沫的压缩性能的影响。再按照端部开口弯曲试件(ENF)的方法测量GFRP-泡沫夹层结构的荷载-位移曲线。试验结果表明:随着温度的升高,极限承载能力逐渐降低。通过能量释放率(G)判据来分析界面的分层情况,并基于试验现象和数据的进一步分析,计算出界面应变能释放率(G_Ⅱ),通过不同温度下G_Ⅱ值的比较发现:当温度升高时,界面的应变能释放率逐渐降低。     

湿热环境下纤维增强树脂-泡沫夹层结构Ⅱ型断裂理论分析

玻璃纤维增强树脂(GFRP)-泡沫夹层结构以其轻质、耐腐蚀、抗弯抗压性能优异等特点使其广泛应用于墙板、快速道路铺装等工程中。然而在服役期间,GFRP-泡沫夹层结构通常处于高湿的工作环境中,这势必对夹层结构的各项性能产生影响。在造成GFRP-泡沫夹层结构损伤破坏的诸多因素中,剥离损伤占据了很大的比例,滑移型剥离(Ⅱ型断裂)破坏不容忽视。基于一阶剪切变形的叠层板理论,对带有初始裂纹的GFRP-泡沫夹层结构进行理论分析,推导出含有相关参数的Ⅱ型临界能量释放率表达式,并用该理论值与试验值进行对比,验证其正确性。     

环境温湿度对泡沫复合材料夹层结构界面性能的影响

复合材料夹层结构是由复合材料作为面板、轻质材料作为芯材而形成的强度高、耐腐性好、可设计性强的高效结构形式。环境温湿度变化时,因面板和芯材的吸湿性能和热膨胀系数不同,界面处易积聚应力而导致剥离破坏。本文研究不同时间的干湿循环老化作用下泡沫复合材料夹层结构及其面板、芯材的吸湿性能,达到吸湿平衡时,芯材的吸湿率是面板的10倍左右;由于双侧面板的约束作用,夹层结构与面板的吸湿率相当。通过双悬臂梁界面剥离拉伸试验研究干湿循环老化构件在25和70℃两种温度环境条件下的界面性能,从试验所得的荷载-位移曲线可以看出:结构的界面强度随老化时间的延长而降低;温度对老化构件的界面力学性能影响显著,温度越高,界面强度越低,裂纹扩展越稳定。     

齿槽增强泡桐木夹层结构界面性能试验

采用在芯材表面开槽并注入树脂的方法,可以有效提高泡桐木夹层结构的玻璃纤维树脂面板与泡桐木芯材之间的黏结性能.为比较齿槽的界面增强效果,使用真空导入工艺制备了多个不同槽宽、槽深及间距的试件,应用双悬臂梁(DCB)方法,测试了夹层梁发生层间断裂时的能量释放率,发现齿槽构造可以显著地提高泡桐木夹层结构的界面性能.同时,分析了影响夹层结构界面性能的关键因素,齿槽的增强作用可体现在工艺和界面构造两方面.     

高温后玄武岩和玻璃纤维增强 复合材料筋的力学性能

采用MTS万能试验机对不同温度处理后的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋的拉伸和剪切性能进行测试,研究了高温对BFRP筋和GFRP筋力学性能和破坏模式的影响.利用Weibull模型对不同温度处理后BFRP筋和GFRP筋的拉伸强度进行统计分析,采用热重分析仪定量化阐明BFRP筋和GFRP筋的热分解机制.结果表明:高温会导致BFRP筋和GFRP筋发生明显的颜色和形貌变化;BFRP筋和GFRP筋的拉伸强度、极限应变、韧性和剪切强度均随着温度的升高而呈先上升后下降的趋势,而弹性模量变化不明显.与相同温度处理后的GFRP筋相比,BFRP筋的拉伸性能较差,剪切性能较好;BFRP筋和GFRP筋的热分解特性解释了其高温后力学性能的退化机理.     

温度和应变率对碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料压缩性能的影响

利用带有温度控制装置的分离式霍普金森杆(SHPB)测试碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料的冲击压缩性能,分析温度和应变率对碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料压缩性能的影响.结果表明:温度和应变率对碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料的面外冲击压缩模量、最大应力及破坏形态都有很大影响.随着温度的增加,纤维与树脂界面变弱,最大应力减小,压缩模量减小;随着应变率的增加,最大应力增加,压缩模量变大.通过扫描电子显微镜(SEM)观察发现,纤维与树脂界面在100℃时发生变化,有大量纤维束从经、纬纱中被拉出,导致纤维束无规则断裂.     

缝线在复合材料单搭接头中的作用

应用数字图像相关（digital image correlation,DIC）技术测量了拉伸栽荷下复合材料单搭接头中缝线附近区域的应变场分布,从而了解缝线破坏复合材料细观结构所带来的负面影响．同时,应用有限元方法计算了缝线对于粘接界面裂纹尖端的应变能释放率（strain energy release rate,SERR）的影响,从而阐明了缝线对于延缓粘接界面裂纹扩展所起的作用．     

真空辅助成形泡沫夹层复合材料粘接界面性能研究

夹层泡沫与复合材料整体VA RI成型过程中,在界面上易产生弱粘接以及粘接不稳定现象.该文采用三种不同方法改善夹层泡沫与复合材料界面粘接性能,在夹层泡沫表面涂覆本体树脂,采用本体树脂制备胶膜铺放在夹层泡沫盒复合材料之间,在夹层泡沫与复合材料之间增加一层空隙率更大的织物.结果表明,三种方法均能改善夹层结构的界面,铺放胶膜对界面改善效果最佳,涂敷树脂效果相对最差.     

Ⅱ型加载条件下复合材料与管线钢共固化界面有效搭接长度试验

为了确定复合材料与管线钢共固化胶结界面受剪时的有效搭接长度,设计了双搭接胶结试件拉伸试验.对界面在Ⅱ型加载条件下的失效扩展过程进行了试验研究和有限元模拟.试验结果表明,界面的破坏形式为脱粘失效.试验得到了复合材料表面沿拉伸方向上的应变分布规律,胶结界面剪切应力与滑移量之间的关系(Bond-Slip曲线),计算可得Ⅱ型加载条件下复合材料与管线钢胶结界面的临界能量释放率为1062 N/m,界面的有效搭接长度约为15.5 mm.将临界能量释放率应用到有限元模拟的界面本构,模拟得到的复合材料沿拉伸方向的应变分布规律与试验结果对比较好.有限元分析结果表明,裂纹沿着胶结界面由两侧向中间位置逐渐发生与扩展.     

温度作用下复合材料夹芯墙板的冲击试验

研究了以真空导入成型的玻璃纤维增强复合材料(GFRP)夹层板墙板在不同温度作用下的抗低速冲击性能。根据ASTM D7136M—2005规范的冲击试验和冲击后压缩强度测试,来评价该墙板在不同温度下的低速冲击性能。在30、50、70、90℃下分别测量增强格构腹板墙板的中心点和增强格构腹板型墙板的无腹板处、单向腹板处、纵横向腹板交叉处的冲击接触力和侧压承载力,得到相应冲击力-时间曲线和冲击后侧压荷载-位移曲线。试验结果表明:随着试件温度升高,各冲击作用点的冲击接触力都呈现下降的趋势;以冲击后的压缩强度作为评价GFRP-泡沫复合材料夹层墙板的冲击韧性:随着温度的升高,各冲击作用点的冲击韧性也都呈现下降的趋势;温度对墙板的冲击性能影响较大:无论何种温度下,冲击作用点处的腹板数量增加有助于提高其冲击接触力和冲击韧性。     

纳米纤维素丙烯腈-丁二烯-苯乙烯复合材料的特性

为了改善纳米纤维素晶须(CNC)在非亲水性树脂中应用时分散困难、热分解温度低、与基体相容性较差等缺点,将冷冻干燥的纳米纤维素在高聚物的有机溶液中预先包覆,然后与苯乙烯-丁二烯-丙烯腈树脂(ABS)、马来酸酐接枝聚乙烯在挤出机内熔融共混制成ABS/CNC复合材料。通过扫描电镜(SEM)、热重分析测试(TGA)、拉伸性能测试等手段对复合材料进行性能表征。SEM观察发现CNC是以层状纳米片的形式均匀地与ABS复合; 力学性能测试表明,接枝聚乙烯的加入有利于改进CNC与ABS的界面相容性,与纯ABS相比,添加0.7%CNC的复合材料其拉伸强度提高了15.6%,弹性模量提高了52%。TGA测试结果表明,CNC的热分解温度由211 ℃提高到263 ℃,大大改善了CNC在聚合物加工过程中的温度适应性。     

风电叶片用聚氨酯与环氧树脂结合界面的剪切性能研究

利用万能拉伸试验机对风电叶片用聚氨酯树脂在不同固化时间条件下与环氧树脂结合界面的剪切性能进行研究,为此设计了聚氨酯树脂与环氧树脂的双切口层间拉伸剪切强度的测试和层间剪切测试,参照现有聚氨酯树脂在叶片主梁上的应用工艺,通过分析固化时间为2、3、4 h时的剪切破坏形貌和抗剪强度,探讨不同固化度的聚氨酯树脂与环氧树脂结合界面的性能及制备工艺的可行性,为聚氨酯叶片的结构设计提供理论依据。     

爆炸载荷作用下玻璃钢/硬质聚氨酯泡沫夹层结构抗冲击性能实验研究

为分析玻璃钢/硬质聚氨酯泡沫组成的单夹层方板、双夹层方板以及单夹层方板单面喷涂聚脲结构在爆炸载荷作用下的动力响应及抗爆性能,进行了等面密度的3种结构靶板的爆炸冲击波毁伤效应试验,获得了3种结构靶板在爆炸载荷作用下的破坏模式,并比较了3种结构的抗冲击性能.研究发现,靶板的面板破坏模式以固支边界断裂裂纹、四角弯折裂纹和应力集中处剪切裂纹为主,芯层形成了明显的压溃区、裂纹聚集区、脱粘破坏和拉伸裂纹破坏.等面密度设计的双夹层方板和迎爆面喷涂聚脲的单夹层方板破坏程度和残余变形比单夹层结构更大;背爆面喷涂聚脲的单夹层方板破坏程度比单夹层结构更大,但背爆面板残余变形明显减小.      

CFRP在不同应变率和温度下的力学性能试验研究

采用真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI)制备了CFRP,利用MTS液压伺服高速机对CFRP试件在4种应变率(25,50,100和200s-1)和6种温度(-25,0,25,50,75和100℃)下进行测试.试验结果表明,在相同温度(室温25℃)下,除200s-1应变率下的韧性外,拉伸强度和韧性随着应变率的提高而明显增大.在相同应变率(25s-1)下,与室温相比,随着温度的升高或降低,CFRP的拉伸强度和韧性都将降低.试件破坏形态在不同应变率下并没有明显区别,但在不同温度下有所改变.最后,通过Weibull分析,研究了拉伸强度在不同条件下的变化规律.     

温度影响下泡沫填充复合材料筒体的吸能特性

为了研究不同温度对玻璃纤维增强复合材料(GFRP)泡沫填充圆筒的轴压性能和吸能特性的影响,对泡沫填充GFRP圆筒在20~110℃下进行轴心受压试验,研究了温度、外壁厚度以及有无泡沫填充对泡沫填充GFRP圆筒的力学性能及吸能特性的影响。试验结果表明:轴压性能和吸能特性受GFRP面层厚度影响,但温度起决定性作用。随着温度的升高,泡沫填充GFRP圆筒的极限压缩强度明显降低。通过能量延性系数(η)和比吸能值(Se)来描述圆筒的吸能能力,当温度升高时,η与Se均逐渐降低。     

高温下GFRP筋力学性能的试验研究

为了研究高温下纤维增强复合材料(FRP)筋的力学性能,对直径为8mm的玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋进行了高温下的拉伸试验,获得了10 ～ 500℃范围内随着温度升高GFRP筋的极限强度和弹性模量的衰减趋势;并结合材料TG/DSC热学试验结果提出了GFRP筋在高温下的拉伸本构模型.该三参数拉伸本构模型以纤维和树脂的...     

垂直于双材料非完美界面的裂纹断裂分析

当垂直裂纹到达两种材料界面时,其进一步的扩展受多种因素影响。采用线性弹簧模型模拟两种材料间的非完美界面,用能量释放率作为描述裂纹扩展的参量,结合有限元方法与虚拟裂纹闭合技术（VCCT）,提出了一种垂直于双材料非完美界面裂纹扩展能量释放率的计算方法;研究分析了能量释放率的影响因素。结果表明,界面参数对能量释放率有较大影响,尤其是沿裂纹法线方向的界面参数对能量释放率影响更大,存在上、下临界的界面参数,当界面参数大于上临界值或小于下临界值时,能量释放率达到极值,基本不受界面参数的影响;当裂纹在较软材料内时,能量释放率随着裂纹逐渐靠近界面而减小,反之,能量释放率增大;能量释放率随材料二弹性模量的增大而减小,随外载荷及裂纹长度的增大而增大,且外载荷及裂纹长度越大,能量释放率的增幅越大。     

含中心裂纹石墨烯拉伸性能的分子动力学模拟

基于分子动力学方法,采用Tersoff势函数,研究了含中心裂纹扶手椅型单层石墨烯薄膜的破坏过程.得到了相应的应力-应变曲线及破坏形态,分析了裂纹尺寸、应变率以及温度变化对含中心裂纹石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响.研究结果表明:随着裂纹尺寸的增大及温度的升高,石墨烯薄膜的破坏强度和破坏应变均减小,裂纹开始扩展时对应的应力减小;随着应变率增大,石墨烯薄膜的破坏强度和破坏应变均增加,裂纹的起裂应力及扩展过程中的平均速度均增加;薄膜的破坏均是从中心裂纹附近开始,随着裂纹尺寸、应变率及温度的变化,石墨烯薄膜表现出不同的破坏机制;较高应变率作用下,薄膜中心和边缘处均出现C—C键断裂.     

不同温度下钢-改性聚氨酯混凝土界面黏结滑移性能试验研究

在钢桥运营过程中,铺装层与桥面板的黏结层常会因车辆碾压、温度等因素的影响而出现脱黏现象。近年来,国内出现一种新型改性聚氨酯混凝土,具有较好的工程适用性,已用于多座钢桥梁铺装工程。为研究该混凝土与钢桥面板的界面黏结性能,设计并制作该改性聚氨酯混凝土与Q345钢的层间复合试件。考虑温度的影响,分别在-10、15、40和60℃下进行斜剪试验。基于数字图像处理技术(DIC)采集试件界面的滑移量和应变,分析试件在不同温度下的破坏形态、界面黏结性能及界面应变分布规律。基于试验结果,建立钢-改性聚氨酯混凝土界面剪切强度、刚度与温度的关系式。研究结果表明：温度对试件界面黏结性能的影响显著,试件的界面剪切强度和刚度随温度升高而降低,而其界面极限滑移量与温度无明显关系,界面应变的绝对值均沿胶层方向从试件混凝土层的加载端到未加载端逐渐减小;随着温度升高,试件由脆性破坏向塑性破坏过渡;据所建立的钢-改性聚氨酯混凝土界面剪切强度、刚度与温度的关系式所得剪切强度、刚度计算结果与试验结果较吻合,可为聚氨酯类混凝土钢桥面铺装工程应用提供参考。