复合材料科学与工程

丁磊, 陈南梁, 王晋熹, 李贝贝

2020, 0(11): 5-11.

摘要 ( 107 )

PDF (11652KB) ( 44 )

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为了增强Vectran基布与水性聚氨酯的界面粘结性能,本文通过对Vectran基布进行碱处理和等离子体处理,研究其对Vectran增强膜材拉伸性能和剥离性能的影响,并采用扫描电子显微镜、接触角表面性能测定仪分析表面处理对Vectran纤维表面形貌和浸润性的影响。研究结果表明:碱处理和等离子处理均能有效提高Vectran纤维界面性能,但对Vectran增强膜材力学性能有不同程度的损伤,其中Vectran基布经20 mol/L碱溶液处理120 min后增强膜材剥离强度增大了70.67%,经10 mol/L碱溶液处理120 min后增强膜材剥离强度增大了29.19%,经等离子体处理6 min后增强膜材剥离强度增大了13.50%;但Vectran基布经20 mol/L碱溶液处理120 min后增强膜材拉伸断裂强度降低了89.99%,经10 mol/L碱溶液处理120 min后增强膜材拉伸断裂强度降低了19.02%,经等离子体处理6 min后增强膜材拉伸断裂强度降低了4.38%。

复合材料夹层板在板锥网壳结构中的受力特性分析

邓宇晨, 王星

2020, 0(11): 12-18.

摘要 ( 97 )

PDF (1716KB) ( 151 )

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针对复合材料夹层板在板锥网壳结构中的应用进行了受力特性的研究。基于ANSYS软件对结构进行了整体性能分析,考虑复合材料夹层板的局部屈曲影响因素分析了其局部屈曲能力,并与普通板锥网壳结构进行了分析对比。结果表明复合材料夹层板结构具有较大的整体刚度,与普通板锥柱面网壳相比具有相同的静力规律,同时,其具有很好的强度储备。分析复合材料夹层板的局部屈曲影响因素得到了其可用于实际工程设计的重要结论,并且在受力特性各方面,复合材料夹层板比普通板锥网壳结构具有更大的优越性。

平纹编织复合材料吸湿行为试验及有限元模拟

张宪丰, 管国阳

2020, 0(11): 19-25.

摘要 ( 130 )

PDF (2980KB) ( 230 )

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试验测定了一种平纹编织复合材料的吸湿曲线,并建立了包含平纹编织细观结构的层合板吸湿有限元模型。通过该模型研究了层合板的铺层位置的随机偏移、铺层角度比例及纤维束中纤维体积含量对吸湿的影响。研究表明:平纹编织复合材料层合板吸湿行为基本符合Fick定律;细观有限元模型分析的结果和试验吻合良好;铺层位置的随机偏移对平衡吸湿时间有影响;复合材料铺层角度比例不同对平纹编织复合材料的平衡吸湿量略有影响,对平衡吸湿时间没有明显影响;平纹编织复合材料的纤维束中纤维含量升高,更易达到吸湿平衡,但平衡吸湿率和吸湿速率降低。

复合材料固化过程中的热阻效应

王亚朋, 黄其忠, 尹双双, 贺靖

2020, 0(11): 26-31.

摘要 ( 126 )

PDF (2522KB) ( 204 )

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聚合物的交联反应是影响复合材料构件质量的关键因素,而固化过程中温度的分布是影响交联反应的关键。复合材料构件制备经验表明,辅助材料之间、模具与复合材料构件之间的接触面都存在不可忽视的热阻效应,会影响复合材料构件内的温度分布。为了更好地分析热阻对复合材料构件固化的影响,本文提出了一种改进的有限元模型,即在接触面之间定义一个可变的接触热阻参数。数值分析和试验结果表明,与传统模型相比,在计算资源消耗相同的情况下,改进模型的预测精度更好。

水溶性环氧上浆剂对碳纤维复合材料性能影响

柴进, 孔海娟, 张新异, 余木火

2020, 0(11): 32-36.

摘要 ( 133 )

PDF (2836KB) ( 187 )

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以邻苯二甲酸酐、聚乙二醇2000和环氧树脂E51为原料,制备了水性环氧树脂型上浆剂,使用真空袋成型工艺制备了碳纤维环氧树脂复合材料。分别从热稳定性、接触角表面自由能、碳纤维表面形貌及其复合材料断面形貌和力学性能等方面研究了上浆后的碳纤维环氧复合材料性能。结果表明:上浆剂分解温度在300 ℃左右时,上浆后的碳纤维热稳定性好;与水的接触角从71.4°降低到65.1°,表面自由能从32.2 mN/m增加到了38.9 mN/m;其环氧树脂复合材料层间剪切强度(ILSS)在上浆质量分数为6wt%时达到最大值(88.6 MPa),相比未上浆碳纤维(80.3 MPa)提高了10.3%。

碳纤维复合材料电流分布特性仿真与试验研究

阮巍, 段泽民, 司晓亮, 李志宝

2020, 0(11): 37-41.

摘要 ( 86 )

PDF (2878KB) ( 136 )

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碳纤维复合材料(CFRP)的电导率具有各向异性,在雷电注入下,其电流分布与传统金属材料不同。为探究CFRP板电流分布特性,本文利用多物理场电磁仿真软件建立CFRP板缩比雷电流注入模型,依据电流密度仿真结果开展电流注入试验,采集不同方向的电流波形。结果表明:以峰值电流较小的波形注入时,对于无防护CFRP板,沿着表层纤维排布方向的电流峰值大于表面垂直和厚度方向电流峰值,各方向电流波形与注入波形基本一致,且峰值电流随着注入电流峰值线性增长;铜网防护下,CFRP板厚度方向的电流峰值远小于表面其他方向电流峰值;铝板则表现为厚度方向的电流峰值大于表面其他方向电流峰值。

Kevlar复合材料钻孔切削力及制孔质量研究

巩文东, 林毓梁, 李颖

2020, 0(11): 42-48.

摘要 ( 134 )

PDF (5381KB) ( 201 )

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针对Kevlar复合材料强韧性、难加工等特点,首先探索不同垫板对麻花钻钻孔质量的影响机理,然后在此基础上进行加工参数单因素实验。实时采集钻削过程中的切削力数据,分析切削力的变化规律;测量最大撕裂和毛刺长度,分析撕裂、毛刺的变化规律;观测并统计孔壁烧蚀碳化现象。实验结果表明:垫板可改善制孔质量,铝合金垫板效果最佳。在铝合金垫板下,切削力随着主轴转速的增大而减小,随着进给速度的增大而增大,进给速度对切削力的影响更为显著。减小轴向切削力可以抑制撕裂和毛刺现象。在较低的进给速度下,过高的主轴转速将会导致孔壁烧蚀碳化。

深海用复合材料耐压壳体结构设计方法研究

王鹏飞, 江亚彬, 宋江, 谭智铎

2020, 0(11): 49-53.

摘要 ( 216 )

PDF (4752KB) ( 368 )

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与金属材料相比,复合材料具有更高的比强度和比模量,从美国等水下科技强国的设备来看,碳纤维复合材料是制作深海用耐压舱的重要途径。但是,目前国内尚无成熟的复合材料耐压舱设计方法和规范,因此本文以水下1000 m级复合材料耐压舱为例,采用经验公式对其进行壁厚估算,然后基于ANSYS有限元分析软件对耐压舱进行强度校核和稳定性分析,最终通过外压性能测试对复合材料耐压舱进行验证。研究发现,对于薄壁圆筒型复合材料耐压舱,其破坏模式为失稳破坏,本文采用的经验公式可用于薄壁复合材料耐压舱的工程应用设计。

基于DIC研究应力比对T700碳纤维复合材料疲劳性能的影响

王付胜, 欧阳俊杰, 孔繁淇, 邸则坤

2020, 0(11): 54-60.

摘要 ( 117 )

PDF (10396KB) ( 60 )

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在不同应力比的疲劳周期载荷下,利用数字图像相关技术(DIC)探究碳纤维层合板损伤模式及过程。使用Instron8803电液伺服疲劳机对复合材料层合板进行疲劳试验,使用DIC技术对损伤过程进行信息采集,结合微观失效形貌,分析复合材料疲劳失效模式。拉-拉疲劳载荷作用下,应力比对复合材料层合板的疲劳寿命有较大影响,应力比越小,疲劳寿命越短。应力比从0.6降至0,试样疲劳寿命从6×10⁵降低至6×10³。利用DIC技术分析层合板在厚度(Z)方向上的分层损伤情况,得到试样表面的宽度(Y)方向应变云图。比较疲劳失效与准静态拉伸失效微观形貌,发现疲劳失效有明显的分层损伤,层与层之间的树脂基失效,层内纤维拔出。

某型无人机碳纤维复合材料尾撑杆研制

关鑫, 王洪雨, 徐挺, 武海生

2020, 0(11): 61-65.

摘要 ( 129 )

PDF (5444KB) ( 195 )

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针对某型双尾撑布局无人机尾撑杆的总体设计指标要求,开展了结构设计与工艺研制:设计了变椭圆截面锥管构型尾撑杆,采用高比强碳纤维复合材料,通过有限元仿真计算校核,确定了尾撑杆的设计状态;创新性地采用低成本卷管成型工艺方案,制备了尾撑杆实物,并通过2.5 g静力试验考核。本文研制的尾撑杆满足了轻量化、高性能、低成本的综合要求。

基于三维激光扫描技术测量叶片腹板合模间隙尺寸

刘晓彬, 朱坤, 毛义梅, 高雁辉

2020, 0(11): 66-70.

摘要 ( 104 )

PDF (3204KB) ( 134 )

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叶片腹板粘接胶层厚度预测通常是在叶片试合模过程中压橡皮泥,测量的橡皮泥厚度为腹板粘接胶层厚度。本文提出利用三维激光扫描技术扫描叶片蒙皮和腹板外形,通过模拟合模方式形成合模模型并测量合模腹板间隙的测量方法。本文将通过三维激光扫描对腹板合模间隙进行测量得到的数据与试合模所压橡皮泥的数据进行对比,发现两者测试数据相近,可将三维激光扫描测量作为叶片腹板合模间隙的测量方法,实现免试合模过程,同时分析了影响测量精度的主要因素。

一种新型高分子硬质泡沫

周典, 张超, 张睿, 朱烨

2020, 0(11): 71-75.

摘要 ( 169 )

PDF (2420KB) ( 224 )

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本文对一种具有互穿聚合物网络的新型硬质泡沫Atlas HPE进行了准静态拉伸、压缩、剪切、疲劳、吸胶和尺寸稳定性测试,并与现有常规的PVC、PET泡沫进行较为全面的对比研究。结果表明,Atlas HPE泡沫具有突出的抗疲劳性能,由其制成的夹芯结构可以在最大动态载荷为静态剪切强度50%的情况下,承受200万次的循环加载。Atlas HPE单位面积的吸胶量仅为1.287 kg,120 ℃高温处理后的体积变化率仅为0.81%,其吸胶特性和尺寸稳定性均优于PVC和PET泡沫,是一种性能优异的泡沫芯材,因此可适用于各种夹芯复合材料承力结构件中。

纤维缠绕自动挑剪/挂纱机构剪切实验研究

田会方, 张阳, 吴迎峰, 王森

2020, 0(11): 76-80.

摘要 ( 119 )

PDF (2290KB) ( 128 )

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针对目前纤维缠绕配套辅助设备自动化程度相对较低的现象,本文设计了一种自动挑剪/挂纱机构,并对关键挑剪切模块的剪切效果进行了实验探究。以工业生产中应用的玻璃纤维和环氧树脂为实验材料,分别在干纱和浸胶状态下,测试了纤维根数、滑移距离、张力、剪切速度对最小切断力的影响,并对比分析了丝束的断口形貌,以此反映切断效果。实验结果表明最小切断力随纤维根数增加几乎呈线性增长,随滑移距离的增加呈减小趋势且趋于平缓,随张力的增大而减小,随剪切速度的增大而增大。相同条件下,处于浸胶状态的玻璃纤维丝束所需最小切断力更小,断口形貌更佳。

民机复合材料结构制造符合性检查研究

余涛, 魏冉, 陈曦

2020, 0(11): 81-86.

摘要 ( 108 )

PDF (5132KB) ( 159 )

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本文通过对标国内外现有的对复合材料结构适航符合性标准要求,结合复合材料结构制造符合性检查实践工作经验,在材料、工艺过程及成品质量检查三方面归纳检查要点,分析形成了一套适用于民机复材结构制造符合性检查的理论和实践应用方法,以期为复材结构制造符合性检查工作提供参考和指导。

聚氨酯丙烯酸酯增韧改性乙烯基酯树脂

白国栋, 刘烨, 管涌, 江先龙

2020, 0(11): 87-92.

摘要 ( 143 )

PDF (3598KB) ( 331 )

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为提高乙烯基酯树脂韧性,本文以二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚丙二醇(PPG)和甲基丙烯酸羟乙酯为原料,合成聚氨酯丙烯酸酯(PUA),再与乙烯基酯树脂共混,在引发剂的作用下通过自由基共聚合反应制得含有聚氨酯丙烯酸酯嵌段的改性乙烯基酯树脂。通过力学性能测试研究了不同聚氨酯丙烯酸酯的添加量对改性树脂力学性能的影响,结果表明,聚氨酯丙烯酸酯能有效改善乙烯基酯树脂脆性。当MDI∶PPG=3∶2,制备的聚氨酯丙烯酸酯添加量为15%时,其拉伸强度达到56.3 MPa,断裂伸长率为22.5%,缺口冲击强度为2.56 kJ/m²,断裂伸长率与冲击强度分别为未改性树脂的2.45倍和2.29倍,综合力学性能最好。以改性树脂为基体树脂,通过拉挤成型工艺制备的玻纤增强光缆加强芯,其断裂伸长率提升了21.5%,高温弯曲性能得到改善。

自动铺放工艺参数对干纤维预成型体工艺性能的影响

刘姝呈, 李林秀, 潘利剑, 宁博

2020, 0(11): 93-101.

摘要 ( 191 )

PDF (14115KB) ( 102 )

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相比于航空航天领域常用的预浸料/热压罐工艺,干纤维自动铺放/液体成型工艺可成型出具有相同的纤维体积含量和力学性能的复合材料,且其成本较低。干纤维束可以通过自动铺丝机在加热和加压工艺条件下铺叠成预成型体,其渗透率、纤维体积含量和压缩特性对成型后的复合材料性能有较大的影响。本文针对自动铺放技术的干纤维丝束,通过调控温度和压力制备了不同层间结构的预成型体,研究了自动铺放工艺参数对预成型体性能的影响。结果表明:在一定的压力下,升高铺放温度,预成型体渗透率降低,厚度减小,抗变形能力增强,纤维体积含量提高,在175 ℃时可达到58.45%;在一定温度下,当增加铺放压力,预成型体厚度、渗透率、抗变形能力和纤维体积含量有同样的变化趋势,0.2 MPa时,纤维体积含量可达55.39%。这主要与干纤维表面定型剂及导流纤维的物理化学变化有关。

不同铺层复合材料夹芯结构低速冲击与冲击后剩余强度研究

孙子恒, 王继辉, 倪爱清, 陈宏达

2020, 0(11): 102-110.

摘要 ( 150 )

PDF (5472KB) ( 206 )

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本文使用碳纤维平纹编织预浸料和单向预浸料以及巴沙木,制备了三种不同铺层结构的碳纤维夹芯板。选用5 J、15 J、25 J、35 J以及45 J的冲击能量,对这三种复合材料夹芯结构进行低速冲击及冲击后压缩试验,来研究不同面板铺层类型对夹芯板低速冲击性能以及冲击后剩余压缩强度的影响。结果表明,不同铺层结构的碳纤维夹芯板在受到低速冲击和冲击后压缩测试时的损伤失效形式不同,三种夹芯板的低速冲击损伤面积、凹坑深度、分层面积、冲击响应曲线以及冲击后压缩强度下降比例均有较大的差异。在这三种铺层方式中,碳纤维单向预浸料准各向同性铺层的试样表现出较高的抗冲击载荷能力。

成型工艺对聚氨酯合成轨枕性能影响的研究

魏建国, 李帅旗, 马端人, 柳佳

2020, 0(11): 111-115.

摘要 ( 82 )

PDF (5252KB) ( 159 )

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本文研究了排纱方式、固化温度、固化时间等因素对纤维增强聚氨酯合成轨枕的压缩性能和道钉抗拔强度的影响。结果表明:排纱方式1的密度最接近设计值,其压缩强度及压缩模量均优于其他排纱方式,其道钉拉拔强度最高且均匀性最好;在55 ℃~63 ℃,固化时间在60 min以上的产品力学性能较好,压缩强度可达110 MPa左右,道钉抗拔强度(ø22)在55 kN以上。

纤维增强树脂基复合材料多尺度界面模拟研究与进展

李崇瑞, 高聪, 史鹏程, 颜春

2020, 0(11): 116-122.

摘要 ( 172 )

PDF (3438KB) ( 318 )

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纤维增强树脂基复合材料作为轻量化结构材料,被广泛应用在各行各业,其界面设计与调控研究也受到人们的广泛关注。然而,传统的实验表征很难解释复杂的平衡态/非平衡态界面作用机理,计算机模拟技术作为其补充,在构效关系可视化方面展现了强大的优越性。本文从微观、宏观以及跨尺度三个方面综述了纤维增强树脂基复合材料界面的建模方法和作用机理及其对材料力学性能、热力学性能、动力学性能等的影响,并提出了计算机模拟技术在未来高性能复合材料研发中的指导意义和发展趋势。

碳纤维增强复合材料螺旋铣孔研究进展

方春平, 赵金泽, 叶正茂, 郭安儒

2020, 0(11): 123-128.

摘要 ( 133 )

PDF (3693KB) ( 201 )

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碳纤维增强复合材料(CFRP)传统钻孔易产生毛刺、撕裂、分层等缺陷问题。近年来,螺旋铣削技术在碳纤维增强复合材料零件制孔方面凸显了重要作用,在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。本文分析和总结了国内外碳纤维增强复合材料螺旋铣孔过程切削力、加工表面质量、切削刀具方面的研究成果,综述了碳纤维增强复合材料螺旋铣孔技术的研究现状,并对其未来的发展方向进行了初步展望。

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