复合材料科学与工程

董鹏程, 夏立鹏, 王绪纲, 郑愚

2020, 0(10): 5-12.

摘要 ( 131 )

PDF (4668KB) ( 274 )

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现有桥梁交通量增加、重型卡车靠边跨行驶使得传统混凝土桥面板易发生支座附近区域抗剪破坏,而现有加固方式多针对构件抗弯加固而忽视抗剪问题。本文根据实际桥面板受力状况,采用截面贯入式加固(Embedded Through Section,简称“ETS”)方法并结合纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称“FRP”)筋对桥面板进行抗剪加固,对比加固筋的筋材类型、筋材直径以及钻孔损伤的影响。通过分析试件承载力、裂缝分布、破坏模式发现:该加固方法能有效提高桥面板板带抗剪承载力,构件破坏模式从脆性的剪切破坏转变为延性的弯曲破坏或弯剪复合破坏;钻孔损伤和筋材类型变化对桥面板受力与变形影响较小,并且采用FRP材料更能提高加固后结构的耐久性。最后,针对此加固方法提出了相应的承载力计算公式,计算结果与试件承载力吻合良好。

GFRP筋与箍筋约束混凝土之间粘结性能的试验研究

胡成超, 高奎, 涂建维, 付金海

2020, 0(10): 13-20.

摘要 ( 127 )

PDF (4266KB) ( 159 )

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通过设计并完成120个拉拔试验,研究了不同影响因素(GFRP筋表面处理情况、GFRP筋直径、混凝土强度等级、箍筋约束情况)对GFRP筋粘结性能的影响并与钢筋粘结性能进行对比;重点分析了箍筋约束作用对GFRP筋粘结破坏和粘结强度的影响规律;利用Bertero-Popov-Eligehausen(BPE)模型和Cosenza-Manfredi-Realfonzo(CMR)模型对GFRP筋在箍筋约束混凝土中粘结应力-滑移(τ-s)关系上升段进行分析。研究结果表明:当粘结破坏主要发生在GFRP筋表面时,提高混凝土强度不会增加GFRP筋的粘结强度;在拉拔试件中配置箍筋可以使试件发生更加趋于延性的GFRP筋拔出破坏,从而提高GFRP筋粘结强度和对应的滑移量,提高幅度随着GFRP筋直径和GFRP筋与混凝土之间的机械咬合力的增大而变大;BPE和CMR模型可以准确描述GFRP筋在箍筋约束混凝土中τ-s关系上升段过程,利用试验数据,并基于表面处理方式处理后得到的BPE和CMR模型中具体的参数可以作为设计参考值。

增韧改性环氧树脂固化动力学研究及TTT图绘制

陶雷, 闵伟, 戚亮亮, 孙泽玉

2020, 0(10): 21-29.

摘要 ( 112 )

PDF (3070KB) ( 283 )

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本研究采用小振幅振荡剪切法和差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry,简称“DSC”)实验测量了增韧改性环氧树脂的凝胶化和玻璃化行为,建立了环氧树脂体系的时间-温度-转变图(Time-Temperature-Transformation,简称“TTT”)。对增韧改性环氧树脂体系进行DSC实验,并且利用唯象模型建立了树脂体系的固化动力学模型。利用等温DSC和动态DSC结合DiBenedetto方程研究树脂玻璃化转变温度与固化度之间的关系,并给出玻璃化转变温度T_g与时间t和温度T的数学关系。使用平板流变仪测试增韧改性树脂体系,并通过线性回归分析获得凝胶时间与温度之间的关系。绘制了基于增韧改性环氧树脂体系的TTT图,为环氧树脂及其预浸料的成型工艺提供理论指导,有利于提高生产效率。

玻璃料对MoSi₂改性硼酚醛树脂可瓷化复合材料烧蚀性能的影响

杨威, 黄志雄, 王雁冰

2020, 0(10): 30-38.

摘要 ( 114 )

PDF (10771KB) ( 124 )

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将两种不同成分低熔点玻璃料G1和G2引入MoSi₂改性硼酚醛树脂,采用预浸料-模压工艺制备了两种高硅氧纤维增强的复合材料,研究了玻璃料对MoSi₂改性硼酚醛树脂裂解残留物相、热性能以及其高硅氧纤维增强复合材料的瓷化结构弯曲性能和烧蚀性能的影响。结果表明:玻璃料的引入使复合材料可瓷化温度降低了大约600 ℃,并且其中引入玻璃料G2的复合材料在800 ℃~1200 ℃的瓷化结构室温弯曲强度提高了6.5 MPa~7.6 MPa。另外玻璃料的引入使复合材料在氧乙炔烧蚀过程中,表面形成了致密熔体结构,抑制了热氧向里层碳化基体的扩散,其中SiO₂成分含量较多的玻璃料G2有利于促进MoSi₂颗粒与硼酚醛裂解产物相互作用形成高熔点陶瓷相Mo_4.8Si₃C_0.6和MoB,使复合材料的质量烧蚀率降低了10.7%。

风冷和导热板对CF/PPS复合材料自感应焊接的影响

钱盈, 王家锋, 宋俣诺, 朱姝

2020, 0(10): 39-46.

摘要 ( 80 )

PDF (6473KB) ( 154 )

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随着热塑性复合材料在飞机上的用量日趋增多,感应焊接作为未来热塑性结构件连接技术的最重要发展方向而倍受重视。感应焊接技术目前存在的主要问题在于焊接过程中最高温度面难以锁定于焊接面,而常位于更靠近线圈的表面附近。本文针对连续碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)层合板,研究了空气喷嘴和陶瓷导热板对于CF/PPS复合材料感应焊接过程的影响规律。结果表明,空气喷嘴和导热板的使用均可以有效地降低焊接过程中层合板上表面的温度,避免靠近线圈的上表面树脂在焊接过程中发生高温熔融或降解,从而保证CF/PPS自感应接头的外观完整性。此外,本文研究了单向预浸料制备的CF/PPS层合板进行自感应焊接的可行性。结果表明,由0°和90°交替铺层的CF/PPS层合板由于内部存在交流导电回路,可在低频高功率条件下实现自感应焊接。

高性能热塑性树脂乳液上浆剂的制备与性能研究

陈博, 王锦艳, 李楠, 刘程

2020, 0(10): 47-54.

摘要 ( 122 )

PDF (6960KB) ( 101 )

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本文采用转相乳化的方法,以杂萘联苯共聚芳醚砜(PPBES)为主浆料,制备了一种热塑性乳液上浆剂。讨论了乳化剂种类、乳化剂含量、乳化温度、剪切速率、PPBES分子量对乳液性能的影响,并确定了上浆剂的最佳浓度。结果表明:当十八烷基三甲基氯化铵(STAC)作为乳化剂,乳化剂质量分数为树脂含量的18.75%,乳化温度为25 ℃,搅拌速率为11000 r/min,PPBES数均分子量为5000时,乳液平均粒径为110.5 nm,离心沉淀质量分数为2.01%,Zeta电位为55.1 mV;碳纤维表面能达到49.02 mJ/m²,上浆剂最佳浓度为1.0%,复合材料弯曲强度和层间剪切强度达到1824 MPa和80.2 MPa,分别提高了13.0%和9.4%。

原位冲压成型工艺参数对GFRTP黏度影响及优化研究

王宇, 杨睿, 梁宜楠, 张一鸣

2020, 0(10): 55-59.

摘要 ( 69 )

PDF (941KB) ( 157 )

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玻璃纤维增强热塑性复合材料(GFRTP)原位冲压成型过程中,冲头垂直冲压、剥离及GFRTP呈现粘流态时的高黏特性,导致预浸料与模具的黏附脱粘成为冲压工艺影响成型效果的重要因素。为研究重要工艺参数对热塑性预浸料黏度的影响并优化参数组合,采用设计与原位冲压工艺最类似的探针实验对其黏性进行了分析,通过定义最大脱粘力来表征黏性大小,利用控制变量及响应曲面法分析了重要工艺参数对制备过程中黏度的影响并最优化参数组合。结果表明,黏性随温度先增大后减小,随压力增大而增大,随保压时间先增大后减小,且工艺参数之间存在耦合作用等,为后续原位冲压工艺提供了理论指导。

先进拉挤C型梁预成型方案研究

高少楠, 齐俊伟, 王跃全, 陈以传

2020, 0(10): 60-66.

摘要 ( 158 )

PDF (4042KB) ( 260 )

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超长桁梁类复合材料构件可用以预浸料为原材料的先进拉挤成型工艺(Advanced Pultrusion,ADP)实现低成本、高效率生产。先进拉挤预成型阶段是将带状坯料连续折弯变形为指定截面的过程。本文基于先进拉挤生产C型截面长桁,建立预变形分析模型,确定模具最优长度为1100 mm,设计变形约束截面曲线有效地约束了纤维变形过程,提出以张力控制为基础的预成型方案对变形模型进行修正,计算结果显示放料端高度为50.9375 mm时纤维变形路径差最小,使其由2.42‰下降至1.22‰,并以此设计预成型模具及张力控制装置;研究了BA3202预浸料树脂流变特性及凝胶特性,确定了预成型100 ℃、热压180 ℃、保温60 min的拉挤成型工艺参数;拉挤试验过程中预浸料表面无褶皱堆积,拉挤制件折弯效果良好,角区表面质量高,金相观察制件内部铺层纤维无屈曲,表明工艺参数设置合理,预成型方案可行。

考虑模具和黏弹性的复合材料固化变形数值模型

乔巍, 姚卫星, 黄杰

2020, 0(10): 67-74.

摘要 ( 93 )

PDF (2902KB) ( 206 )

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考虑了模具作用和材料的黏弹性,建立了复合材料构件残余应力和固化变形的三维数值模型。在模具与复合材料构件间引入界面剪应力,模拟升温过程中模具-构件的相互作用。分析了固化过程中温度和固化度对材料力学性能的影响,分别采用线弹性和黏弹性本构方程描述凝胶前后材料的应力-应变关系。采用热-力顺序耦合分析方法,在ABAQUS软件中建立了模拟复合材料固化过程的有限元模型,分析了固化过程中温度场、固化度场、残余应力及变形。最后,通过与试验结果的对比,验证了所建数值模型的合理性和准确性。结果表明,固化过程中单向板和非对称层合板内产生的残余应力在厚度方向上呈非对称分布,这是脱模后层合板变形的根本原因。

物理增稠团状模塑料的制备及其性能研究

徐鑫敏, 胡明峰, 张颂, 季玲

2020, 0(10): 75-81.

摘要 ( 105 )

PDF (2118KB) ( 171 )

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碱土金属体系增稠的团状模塑料通常需要熟化约7 d才能用于生产,生产成本高、效率低。本文使用物理增稠剂来替代碱土金属氧化物体系增稠剂制备团状模塑料并对其性能进行了研究分析。采用椎板粘度计对团状模塑料的树脂糊粘度进行测定,分析粘度随时间的变化情况;利用平板硫化机、万能拉力机、击穿仪、高阻计等对物理增稠剂制备的复合材料的力学性能、电学性能以及其他相关性能进行测试表征,研究了物理增稠剂对团状模塑料性能的影响。结果表明:物理增稠剂大大缩短了达到模压粘度所需的时间;其用量为不饱和树脂质量20%时的团状模塑料能够在24 h内达到模压所需粘度,而且改善了BMC的电性能,其流动性D_min增加了6.4%,更加利于模压。

约束结构对连续玻璃纤维增强聚氨酯复合材料板簧性能的影响

李波, 张民爱, 杨建, 王钧

2020, 0(10): 82-87.

摘要 ( 124 )

PDF (2470KB) ( 223 )

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为了改善连续玻璃纤维增强聚氨酯(GF/PUR)复合材料作为弹性体的力学性能,采用真空树脂导入成型工艺制备了具有环向缠绕玻璃纤维纱、玻璃纤维布、玻璃纤维套管和两层玻璃纤维套管的复合材料板簧,对其弯曲模量、弯曲强度、疲劳性能以及阻尼性能进行了研究。结果表明:约束结构在一定程度上会降低复合材料板簧的弯曲模量和弯曲强度,但是其疲劳性能和阻尼性能明显提升。其中,纤维布带作为约束结构时,复合材料板簧综合性能较好,其弯曲模量为26201.16 MPa,弯曲强度为443.12 MPa,40%应力水平下循环次数达到2109,自振频率和损耗因子分别为215 Hz和0.071。

Y12F飞机复合材料雷达罩雷电防护符合性验证

孙金波

2020, 0(10): 88-95.

摘要 ( 109 )

PDF (4939KB) ( 225 )

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雷达罩一般位于飞机机头部位,在恶劣气候条件下容易遭受雷击产生灾难性后果,是民用飞机结构雷电防护设计和符合性验证的重点部位。文章以Y12F型飞机雷达罩雷电防护符合性验证为例,介绍了相应的适航要求、雷达罩雷电防护设计思路、符合性验证方法以及具体的试验过程和结果。该雷达罩先后进行了4轮试验,最终通过了适航审查,是一个典型的设计-试验-设计更改-再试验验证的反复迭代实际案例,其经验和教训可以供申请方和局方在民机型号雷电防护设计、验证以及适航审查方面借鉴,有着重要的参考意义。

新型树脂基热防护结构的制备及性能研究

夏雨, 汪东, 许孔力, 吴霄

2020, 0(10): 96-100.

摘要 ( 133 )

PDF (2829KB) ( 202 )

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针对飞行器热防护结构材料的低成本轻质化需求,设计了一种新型的承载防热一体化树脂基热防护结构,通过防隔热材料筛选及粘接工艺优化,成功制备了一种以耐高温聚酰亚胺复合材料为外防热层,气凝胶纤维毡为隔热芯,环氧树脂复合材料为承载层的热防护结构。对该结构的力学性能和防隔热性能进行了测试和评价,并考察了隔热层厚度对结构防热性能的影响。结果表明:树脂基热防护结构具有较好的力学承载性能和抗失稳性能,可满足结构的强度使用要求;在长时间的石英灯热测试中,试样整体结构保持完好,并且隔热性能随着气凝胶隔热层厚度的增加而提高,在隔热层厚度为13 mm时,500 ℃、1500 s后的背温降至100 ℃左右,表现出优异的防隔热性能。

石英纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料制备及性能研究

高龙飞, 柴笑笑, 马君毅, 李松

2020, 0(10): 101-104.

摘要 ( 115 )

PDF (2084KB) ( 162 )

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以环硼氮烷为氮化硼陶瓷先驱体,2.5D石英纤维预制体为增强体,制备了2.5D石英纤维增强氮化硼陶瓷基(2.5D SiO_2f/BN)复合材料。本文对环硼氮烷进行了结构表征,考察了2.5D SiO_2f/BN复合材料的致密化效果、力学性能和介电性能。研究表明,2.5D SiO_2f/BN复合材料外层致密,内部疏松多孔,具有优异的力学性能和介电性能,可用于天线罩透波材料。

大型风电叶片一体在线真空灌注技术与应用

颜晨, 卜丽静, 赵康南, 周瑞瑞

2020, 0(10): 105-109.

摘要 ( 146 )

PDF (4213KB) ( 442 )

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随着风火同价时代的到来,风电机组兆瓦数及其扫风面积不断增大,叶片设计轻量化、大型化愈发明显,对真空灌注提出了更高的要求和挑战。常规真空灌注技术在用工、质量、成本、节能减排等方面存在较大改进空间,且叶片越大真空灌注质量风险及成本越高,叶片制造工厂急需一种技术领先、质量可靠、成本更优的风电叶片真空灌注技术。本文介绍了一体在线真空灌注技术在大型风电叶片成型工艺中的应用,对比其与常规真空灌注技术的优势所在,证明了该技术具有更高的应用价值。实践表明:与常规技术相比,该技术在人员配置上可减少33%,灌注缺陷降低80%,树脂成本每支节约60 kg,并实现了自动化连续在线出胶,具有较高的工程应用价值。

含损伤复合材料壁板承载能力的试验与仿真模拟现状

倪迎鸽, 邹鹏, 毕雪

2020, 0(10): 110-121.

摘要 ( 111 )

PDF (9861KB) ( 131 )

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复合材料加筋壁板由于其薄壁、承载效率高的特点而在现代飞机中得到了广泛应用,但在制造和使用过程中不可避免地会遭受低速冲击而产生损伤。因此,解决含损伤复合材料加筋壁板的承载能力预测问题成为保证复合材料飞机结构使用安全的重要问题。本文从试验和仿真模拟两方面,对复合材料加筋壁板的承载能力进行了归纳总结。在试验研究中分析了四种典型的冲击后加载试验形式,包括冲击后压缩、冲击后压缩疲劳、冲击后剪切以及冲击后剪切疲劳。同时从加筋壁板的建模方法、损伤的建模方法、损伤判据和性能退化方法等四个方面对承载能力预测进行了汇总分析,并指出了目前利用仿真模拟手段进行承载能力预测中存在的问题,以期为复合材料加筋壁板承载能力预测的进一步研究提供有益参考。

蜂窝夹层结构等效模型研究进展

杨稳, 张胜兰, 李莹

2020, 0(10): 122-128.

摘要 ( 158 )

PDF (2290KB) ( 286 )

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蜂窝夹层结构复合材料质量较轻且具有较高的比强度和比刚度值,近些年来在许多领域中得到了广泛的使用。本文从蜂窝芯的等效参数以及蜂窝等效模型等方面对国内外的研究成果进行归纳和总结,分别从理论公式推导、均匀化法及有限元法等方面对蜂窝芯层等效参数的研究进行分类论述,并基于三明治夹芯板理论、蜂窝板理论以及等效板理论和其他等效方法对等效模型进行对比研究,最后对蜂窝夹层结构等效模型的研究方向提出一些建议。

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