复合材料科学与工程

王言磊, 王密锋, 张学, 许清风

2020, 0(4): 5-12.

摘要 ( 144 )

PDF (4135KB) ( 296 )

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为考察BFRP侧向约束对GFRP带肋筋与混凝土粘结性能的影响,对36个GFRP筋混凝土拉拔试件进行试验研究,主要试验参数为BFRP侧向约束层数(0层、1层、2层和3层)和混凝土相对保护层厚度c/d(1.6、2.2和3.0)。试验结果表明:BFRP侧向约束使拉拔试件的破坏模式由混凝土劈裂破坏转为GFRP带肋筋的拔出破坏;试件的粘结强度和达到粘结强度所对应的滑移量、侧向约束应力会随BFRP侧向约束层数的增加而增大;相同BFRP侧向约束层数下,相对粘结强度随着c/d的增大而增大,但达到粘结强度所对应的侧向约束应力却随c/d的增大呈指数减小;相对粘结强度增加量随着达到粘结强度时侧向约束应力的增加呈对数增加。

含槽口复合材料Ω型加筋壁板渐进损伤分析

余芬, 安伯宁, 刘武帅, 郭拓

2020, 0(4): 13-18.

摘要 ( 103 )

PDF (8753KB) ( 184 )

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对含不同角度槽口的复合材料Ω型加筋壁板受轴向压缩载荷作用下承载强度和失效模式的研究具有重要意义。通过编写VUMAT子程序将选择的三维Hashin失效准则及刚度退化模式加入渐进损伤模型分析中。首先研究0°槽口模型的位移-载荷曲线、面外位移及失效模式,并将结果与实验及已有文献进行对照,验证建立模型的正确性,进一步研究不同角度槽口对加筋壁板的影响。结果表明:具有90°槽口的加筋壁板模型在轴向压缩下的承载能力最强,45°槽口模型承载能力次之,0°槽口模型承载能力最弱。0°槽口模型纤维压缩失效出现在模型的下侧,45°和90°槽口模型均出现在槽口两侧,且三种模型失效均沿与载荷垂直方向扩展。

冲击角度对铝蜂窝夹芯板低速冲击性能的影响

谢鑫, 段玥晨, 齐佳旗

2020, 0(4): 19-27.

摘要 ( 58 )

PDF (11248KB) ( 69 )

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为了研究冲击角度对铝蜂窝夹芯板低速冲击性能的影响,在ABAQUS中参照文献试验过程建立了铝蜂窝夹芯板受低速冲击的有限元模型,将仿真结果与文献试验结果进行对比以验证模型的可靠性,并进一步利用该模型研究了冲击角度对铝蜂窝夹芯板损伤、吸能、接触力峰值和接触时间以及切向滑移粘滞状态的影响。增大冲击角度发现:①铝蜂窝夹芯板的最大损伤深度减小,上蒙皮变形减小,沿着冲头滑动方向的蜂窝芯单元屈曲增多,但损伤减轻,下蒙皮几乎没有变形;②接触力峰值减小,接触时间增大;③铝蜂窝夹芯板吸能减小,其各部件吸能也分别缓慢减小,但始终保持上蒙皮大于蜂窝芯大于下蒙皮的趋势;④滑移时间增大,粘滞时间先减小后增大,粘滞时间占比先减小后快速增大,并在45°时粘滞时间占比最小。

表面改性玄武岩鳞片及其无溶剂重防腐复合材料涂层

杨中甲, 乔彩霞, 顾轶卓, 李敏

2020, 0(4): 28-34.

摘要 ( 89 )

PDF (4692KB) ( 156 )

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玄武岩鳞片是一种新型环保材料,在提高防腐涂层性能方面有广阔的应用前景。本课题对玄武岩鳞片的厚度、成分、结晶性、微观形貌等基本性能参数进行了表征,采用硅烷偶联剂KH-550对玄武岩鳞片进行表面改性,将经过硅烷偶联剂处理的玄武岩鳞片加入环氧树脂E51中制备重防腐涂层,研究鳞片的添加量和鳞片粒径对涂层耐磨性、硬度、吸水性以及耐碱腐蚀性的影响。测试结果表明:加入玄武岩鳞片的涂层,表面硬度有较大提高;玄武岩鳞片的粒径和含量对于涂层性能的影响具有耦合效应;玄武岩鳞片的质量分数为6%,尺寸在60目~80目之间时,涂层的耐磨性最好;在涂层吸水性方面,随着鳞片含量的增加,涂层的吸水性降低;在耐碱腐蚀方面,随着鳞片粒径的减小,涂层的耐碱腐蚀性增强,随着鳞片含量的增加,涂层的耐碱腐蚀性先增强后减弱,在玄武岩鳞片的质量分数为9%时耐碱腐蚀性最强。

复合材料舰船T型板板接头的转角半径尺寸和喷砂处理工艺对其破坏强度的影响

陈英豪, 郭明恩, 丁磊, 代建军

2020, 0(4): 35-38.

摘要 ( 122 )

PDF (2216KB) ( 152 )

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复合材料构件间的T型板板接头在舰船结构中广泛使用,它是舰船结构力学性能的薄弱部位。通过实验研究了结构尺寸和制作工艺对接头破坏强度和变形的影响。T接头转角半径值增大,接头破坏强度提高,当半径值超过R50 mm时破坏强度开始下降。经喷砂处理,试样的破坏载荷是不经喷砂处理试样破坏载荷的2.1倍,位移值为2.16倍。喷砂工艺的压力和喷射时间参数提高,接头的破坏强度提高,当空气压力达到0.6 MPa,喷射时间为100 s以后,破坏强度提高缓慢。

碳玻混杂纤维增强复合材料的拉-拉疲劳性能的研究

许经纬, 顾嫒娟

2020, 0(4): 39-45.

摘要 ( 168 )

PDF (2072KB) ( 217 )

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纤维混杂是一种实现纤维增强树脂基复合材料性能与价格平衡的有效策略,碳/玻混杂织物(GCHF)是典型的纤维混杂实例。复合材料的疲劳性能是工程化应用的必要考核指标。本文以风力发电叶片梁帽用复合材料为研究对象,制备了4种不同混杂比例的单向GCHF增强环氧树脂基复合材料,基于对其静态拉伸性能的研究,扩展到动态拉-拉疲劳(R=0.1)性能,并与纯玻纤和纯碳纤增强环氧树脂基复合材料作对比。实验数据表明,高周疲劳下,GCHF增强环氧树脂基复合材料的疲劳性能符合线性混合定律,但是低周疲劳下误差相对较大。为叶片设计选材提供了一种简便快速估算GCHF增强环氧树脂基复合材料疲劳性能的方法。

空气耦合Lamb波对玻璃纤维复合板的扫查成像研究

常俊杰, 万陶磊, 吴俊, 曾雪峰

2020, 0(4): 46-52.

摘要 ( 124 )

PDF (3569KB) ( 167 )

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针对空气耦合Lamb波,采用了一种与信号速度无关的概率损伤成像方法,对玻璃纤维复合材料板(Glass Fiber Reinforced Polymer,简称“GFRP”)中存在的不同缺陷进行了成像研究。首先使用空气耦合探头在GFRP板的同侧激励和接收单一模态Lamb波,并将探头沿着两个正交的方向进行扫查。然后使用矩形窗截取每个扫查路径上接收信号的直达Lamb波,并对其进行快速傅里叶变换(FFT)。得到其频域能量后,定义其与参考信号频域能量的相对差异为能量损伤因子。最后将各扫查路径的能量损伤因子结合概率损伤算法,对不同类型的缺陷进行成像,并与空气耦合C扫查成像结果进行对比。实验结果显示,基于空气耦合Lamb波的概率损伤成像方法能够有效地对GFRP板中存在的不同损伤进行定位和定量。

共聚酯无纺布定型-增韧碳纤维复合材料的制备及力学性能

康少付, 李进, 瞿立, 马鹏

2020, 0(4): 53-59.

摘要 ( 116 )

PDF (3777KB) ( 190 )

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针对真空辅助树脂灌注工艺(VARI)成型纤维增强复合材料纤维体积含量较低、厚度难以控制、层间韧性较差的问题,将共聚酯无纺布引入碳纤维织物预成型体中,对其进行真空袋热压定型预处理,最后采用VARI工艺制得了碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板。对比研究了共聚酯无纺布改性前后复合材料的厚度变化规律、Ⅰ型层间断裂韧性、短梁剪切性能和三点弯曲性能。结果表明,经共聚酯无纺布改性后层合板的厚度降低,纤维体积含量由改性前的57.9%提高至62.2%,其Ⅰ型层间断裂韧性G_ⅠC值提高了144.7%,短梁剪切强度和弯曲性能基本持平。Ⅰ型层间断裂韧性提升的主要机制:一是层间断裂面之间的纤维桥联作用;二是层间界面处弥散分布的热塑性颗粒阻碍了裂纹的扩展;三是层间的界面相因发生剪切塑性变形而需耗散额外的断裂能量。

基于X850预浸料体系的工型长桁层压件固化变形仿真技术研究

高龙飞, 徐鹏, 王世杰, 栾英伟

2020, 0(4): 60-64.

摘要 ( 119 )

PDF (2811KB) ( 158 )

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采用仿真技术对X850预浸料体系的工型长桁层压件进行了固化变形研究。仿真模型的内容主要集中在零件成型的降温过程,分析了边界条件、网格尺寸、离散方法对仿真结果的影响,确定了仿真模型中的敏感参数,在仿真结果与实际测量结果之间发生偏差的情况下,通过调整敏感参数修正仿真模型。结果表明,仿真结果会随着单元尺寸的大小以及网格离散方法的改变而改变。考虑到计算成本和仿真结果的准确性,2 mm网格及单层离散方法为最佳选择。在零件尺寸相对较小并且零件固化过程温度均匀的情况下,此仿真模型能够准确地预测零件的变形趋势,采用调整敏感参数的方法修正后的仿真模型能够较为精确地预测零件的变形量,仿真计算结果与零件实际测量的结果之间的偏差在8%以内。

含聚硅氧烷结构的苯并噁嗪对双马来酰亚胺树脂改性研究

贾园, 刘振, 师瑞峰, 杨菊香

2020, 0(4): 65-71.

摘要 ( 93 )

PDF (4035KB) ( 173 )

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为了改善双马来酰亚胺树脂(BMI)固有的一些缺点,本文以含有氨基的聚硅氧烷(PSi-NH₂)作为胺源,以苯酚作为酚源,通过化学合成的方法制备了结构中含有超支化聚硅氧烷的苯并噁嗪单体(PSi-BOZ),并以其作为改性体系对BMI进行改性,得到了一种新型的PSi-BOZ/BMI共混材料,并研究了PSi-BOZ的添加对BMI固化反应动力学及冲击性能的影响,为新型BMI树脂材料的开发提供了思路。

超轻复合材料机翼结构设计及成型技术研究

王凯, 熊晨曦, 贺强

2020, 0(4): 72-78.

摘要 ( 184 )

PDF (5103KB) ( 330 )

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在给定外形与尺寸的机翼设计要求下,进行了机翼结构设计、工艺设计、产品制造及力学性能实验研究。采用有限元分析软件,对复合材料机翼进行静力学分析,提取了主承力结构,设计了内部骨架结构。提出了“工字梁+薄蒙皮+变厚度”的结构方案,并通过碳纤维复合材料铺层设计和聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫设计,实现机翼内部的结构制造。研究了复杂外形零件模具的设计思路,设计了中央翼盒和机翼双模具。采用模压+共胶接成型工艺方法,设计了机翼成型工艺流程。通过这种方法成功制造了机翼,并进行了力学性能测试。最终制备的机翼表面质量和外形尺寸满足要求,实现了重量轻、载荷比重大的机翼设计与制造。证明了本文结构设计及成型方法的合理性与有效性。

从传热角度评估复合绝缘支柱芯体热机试验温升时间合理性

邢照亮, 张卓, 袁金, 赵卫生

2020, 0(4): 79-83.

摘要 ( 146 )

PDF (2599KB) ( 150 )

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随着特高压应用的复合支柱绝缘子用芯体直径不断增大,现有标准中热机试验的温升保持时间合理性值得讨论。本文通过等效模拟热量在复合材料中的传递形式,估算复合绝缘支柱芯体的导热系数。以有限元模拟方法,用ANSYS软件建立复合绝缘支柱芯体的数学模型,输入估算的导热系数及热机试验环境条件,模拟支柱芯体内部温度变化过程。设定型式试验,通过在支柱芯体内部不同厚度位置设置监测点,实时记录均匀受热状态下芯体内部温度随时间的变化曲线。试验表明支柱芯体内部完全达到(50±5) ℃需62800 s,远大于热机试验时间43200 s,现有试验方法存在缺陷。仿真模拟与产品实际温升误差值分别为6.2687%、6.5026%、5.5696%,仿真模拟结果较为准确。

预埋FBG传感器的CFRP螺旋桨成型工艺研究

卢忠银, 丁国平, 张懿轩, 李文虎

2020, 0(4): 84-89.

摘要 ( 151 )

PDF (4628KB) ( 189 )

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设计了一种预埋FBG传感器的分体式金属预埋件桨叶结构的CFRP螺旋桨,该结构桨叶为金属预埋件和碳纤维材料复合而成,相较于纯复合材料螺旋桨叶片,其根部强度更高,后续对该CFRP螺旋桨制作时容易铺放碳纤维预浸布。使用ANSYS ICEM软件和3D打印技术得到11个不同铺层厚度的桨叶三维实体模型,并由此得到不同碳纤维铺层的铺层模板,其形状尺寸与理论设计的更为接近。采用模压成型工艺完成预埋FBG传感器的制备,并对预埋的FBG传感器损坏的原因进行分析,可知使用模压成型工艺制备复合材料结构件,需要采用开槽方式对光纤进行引出、保护,同时对于光纤可能受弯或受较大剪切力的地方,增大其倒角或圆角,防止光纤损坏。

铺层结构对复合材料层压板隔声性能的影响研究

田洪雷, 王明, 蔡计杰, 孙昊

2020, 0(4): 90-95.

摘要 ( 121 )

PDF (1475KB) ( 175 )

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为设计出隔声性能优异的轨道交通等运输工具用复合材料,本文采用热压罐工艺制备复合材料夹芯结构层压板,通过对铺层结构、厚度以及阻尼层进行设计有效调控复合结构隔声性能。结果表明:厚度和密度的增加可以有效提高复合材料的隔声性能;阻尼层的使用使得复合结构内部界面处阻抗匹配失调;声波在界面处极易发生反射,声能消耗增多有效提高了复合材料的隔声性能;利用结构优化设计可以在降低复合材料质量的情况下,提高隔声性能,最终满足复合层合结构材料在高端运输领域的隔声需求。

可瓷化PDMS改性聚氨酯泡沫复合材料的制备及其性能研究

欧芸, 石敏先, 姚亚琳, 黄志雄

2020, 0(4): 96-100.

摘要 ( 149 )

PDF (5436KB) ( 223 )

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硬质聚氨酯泡沫塑料具有低密度、低导热系数和优良的隔热保温性能,但耐热性较差,需提高其耐热性以满足应用要求。本文使用羟基硅油(PDMS)对聚氨酯进行改性,并添加低熔点玻璃粉、滑石粉和高岭土等填料,采用模压成型工艺制备可瓷化PDMS改性聚氨酯泡沫复合材料,研究了高岭土对可瓷化PDMS改性聚氨酯泡沫复合材料压缩强度、导热系数和耐热性能等的影响。结果表明:随着高岭土含量的增加,材料的密度增大,导热系数变大,压缩强度提高;SEM结果显示,800 ℃处理后材料表面生成一层陶瓷化连续相结构;XRD分析表明新生成的陶瓷相为α-石英和斜方锰顽辉石。因此,无机填料的添加有效地提高了硬质聚氨酯泡沫塑料的耐热性。

基于相变微胶囊材料的优化与热控应用研究

王瑞杰, 李晖, 金兆国, 纪旭阳

2020, 0(4): 101-105.

摘要 ( 114 )

PDF (2894KB) ( 248 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

相变材料的渗透性和低导热性能限制了相变材料的热控使用。本文基于航天器热控领域需求,开展了以原位聚合法制备正十八烷相变微胶囊产品的优化技术研究,归纳总结了低温相变微胶囊材料导热增强改进的方法,展示了相变微胶囊复合材料已在航天热控领域的多方面应用,提出了相变微胶囊材料今后的研究方向。

长桁下凸缘倒角在共胶接工艺中对蒙皮铺层褶皱的影响

薛向晨, 王犇, 俞天奇, 胡江波

2020, 0(4): 106-111.

摘要 ( 92 )

PDF (7715KB) ( 93 )

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在复合材料加筋壁板的成型中有一种工艺方案是将已固化的长桁与未固化的蒙皮进行共胶接。为了解决采用此工艺时长桁下凸缘边缘处蒙皮铺层面外褶皱的问题,采用了长桁下凸缘倒角的制造方法,提高了产品的质量稳定性。通过对蒙皮皱褶部位的剖切取样,再采用显微观察的手段测量褶皱的几何尺寸,探索了不同倒角的长桁下凸缘边缘与蒙皮共胶接后铺层的褶皱程度,并分析了褶皱的形成原因。结果表明:对长桁下凸缘边缘倒角后可以明显改善蒙皮褶皱的情况,并且倒角越锐利蒙皮的褶皱程度越小。根据实际情况,在选取特定的角度对长桁下凸缘进行倒角后,可以在简化工艺的同时有效控制蒙皮褶皱的幅度。

树脂基复合材料外涵道机匣的研制与应用

赵凯, 刘鹏飞, 刘波浪, 易凯

2020, 0(4): 112-116.

摘要 ( 152 )

PDF (1898KB) ( 232 )

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为满足某型发动机的减重目标,开展了复合材料外涵道机匣的研制。主要从设计和生产加工两方面介绍了某型发动机复合材料外涵道机匣的研制和应用情况。根据外涵道机匣在发动机上的使用要求,从连接形式、材料选定、铺层原则、总体结构设计等方面介绍了外涵道机匣的结构设计流程,并通过仿真分析对设计方案进行验证;根据研制方案,从模具设计、壳体成型、机械加工成型和无损检验等方面介绍了成型制造流程。通过整机地面试车验证了研制的树脂基复合材料外涵道机匣满足发动机的使用要求。

CFRP碳纤维增强复合材料钢丝螺套连接性能研究

李哲, 李健芳, 沈登雄, 万青

2020, 0(4): 117-120.

摘要 ( 110 )

PDF (5285KB) ( 178 )

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碳纤维复合材料结构件在航空航天领域广泛应用,通常在结构件加工通孔后采用螺接或铆接方法进行机械连接,该方法增加了结构件连接重量和连接复杂性。然而,采用复合材料结构件自身加工螺纹孔进行机械连接的方法,存在螺纹孔耐磨性差、承载能力差、连接强度低、螺纹易破损及抗疲劳性能差等问题,极大限制了复合材料螺纹孔的连接使用。近年来,出现了在复合材料结构件机械连接中使用钢丝螺套的方法,在部分程度上提升了复合材料螺纹孔的连接强度。本文针对MT700碳纤维复合材料钢丝螺套的连接性能,通过对钢丝螺套作用及原理分析、有无钢丝螺套复合材料试件的重复拆装试验及拉脱载荷强度试验,详细分析了钢丝螺套连接性能及复合材料螺纹孔破坏形式。结果表明,相比于无钢丝螺套的复合材料螺纹孔,带有钢丝螺套的复合材料螺纹孔明显增强了承载连接性能及耐磨性,拉脱力提升了26%且均匀稳定,降低了螺纹孔破坏风险,拓展了复合材料螺纹孔的连接应用范围。

一体成型复合材料空气舵模具设计技术研究

朱坤, 卢东滨, 高婷, 王丹

2020, 0(4): 121-124.

摘要 ( 110 )

PDF (2274KB) ( 150 )

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本文研究了一种蒙皮+舵芯结构复合材料空气舵的RTM成型模具方案。通过产品结构分析,确定了组装式的模具主体设计方案,进行了定位机构和合模缝结构设计,有效地解决了舵芯定位和织物缝合的问题;同时采用有限元分析方法对空气舵灌注过程进行仿真分析,对注胶口和出胶口进行了设计优化,采用舵面注射方式时,根据计算结果结合实际情况,适当设置出胶口,可避免缺胶或浸润不良的现象。进行了复合材料空气舵产品试制工作,成型产品外形尺寸较好。通过以上研究,形成了模具设计方案,并根据实际情况对模具进行了有效的优化设计,解决了复合材料空气舵的制作难题,实现了产品的一体成型。

圆柱形复合材料螺旋单元的成型技术研究

李奇辉, 郭俊刚

2020, 0(4): 125-128.

摘要 ( 129 )

PDF (1845KB) ( 162 )

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介绍了圆柱形复合材料螺旋单元的成型加工方法,重点从材料选择、工艺方案、模具设计及过程控制等方面进行了分析。结果表明:选用高性能的玻璃纤维复合材料,采用热压罐固化成型技术与数控加工技术相结合的方法,能够实现螺旋单元的加工制造,构件具有加工精度高和力学性能强的特点,其电性能测试及振动试验测试性能良好。

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