复合材料科学与工程

贺强, 杨文锋, 杨晓强

2020, 0(12): 5-9.

摘要 ( 99 )

PDF (1946KB) ( 109 )

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表面形貌与表面自由能的关系对揭示玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)胶接修理的粘附力理论具有重要意义,通过改变打磨目数,生成不同形貌的GFRP表面,并通过激光共聚焦测量获得表面轮廓线,以测量的接触角间接计算不同表面的表面自由能;然后采用夹角-弦高准则对表面轮廓线进行特征保持的简化,同时获得度量轮廓特征的轮廓线特征点数量、弦高分布曲线和夹角分布曲线,并分析其与表面自由能的关系。结果表明,轮廓线的特征点数量越多、弦高和夹角分布曲线的差异值越大,对应表面的表面自由能越大,轮廓特征有效支持了基于机械嵌锁的粘附力理论。

短切玄武岩纤维对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响

解国梁, 申向东, 刘金云, 张斌

2020, 0(12): 10-14.

摘要 ( 76 )

PDF (1371KB) ( 72 )

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为研究短切玄武岩纤维对氯盐冻融作用下混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响,试验制备了五组不同玄武岩纤维掺量的混凝土。探讨了玄武岩纤维掺量对混凝土抗压强度、自由氯离子浓度及氯离子扩散系数的影响,并建立了氯离子扩散系数与纤维掺量之间的定量函数关系。研究表明:玄武岩纤维的掺入提高了混凝土的抗压强度,减弱了冻融循环对混凝土抗压强度的破坏。在玄武岩纤维掺量为1.2 kg·m^-3时,抗压强度提高最为明显。适量玄武岩纤维的掺入有利于降低混凝土中自由氯离子的浓度和氯离子的扩散系数,而大量玄武岩纤维掺入会造成纤维结团,造成混凝土前期自由氯离子增长较快。在短切玄武岩纤维的作用下,混凝土氯离子扩散系数与玄武岩纤维掺量之间有着较好的二次函数关系。

考虑就位效应的复合材料层合板自适应遗传算法铺层优化

王轩, 许诺, 周春苹, 丁常方, 邓云飞

2020, 0(12): 15-20.

摘要 ( 93 )

PDF (1219KB) ( 71 )

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子层就位效应影响复合材料层合板强度预测,进而影响以强度比为目标函数的复合材料层合板铺层优化。本文联合利用MATLAB编程和ABAQUS有限元分析,建立了复合材料层合板铺层遗传算法优化平台,包括传统遗传算法、自适应遗传算法和考虑就位效应的自适应遗传算法。进行单向载荷条件下复合材料层合板铺层优化设计,结果表明,使用自适应遗传算法可以提高优化计算效率;考虑就位效应的自适应遗传算法不仅计算效率更高而且优化出的铺层顺序组成的层合板具有更高的强度比,从而实现了更加精确合理的复合材料层合板优化设计。

用能量法研究夹芯梁的弯曲挠度计算

吴晓

2020, 0(12): 21-25.

摘要 ( 105 )

PDF (1073KB) ( 93 )

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推导出了外载荷作用下夹芯梁截面剪切力表达式,利用夹芯梁截面应力表达式写出了夹芯梁弯曲时的应变能函数,把应变能函数对集中力求偏导即可得到集中力作用处夹芯梁的弯曲挠度。研究结果表明:能量法求得弯曲挠度的计算精度较高,与有关文献的试验结果吻合得较好。

CFRP加固损伤钢板的弯曲性能研究

张彤彤, 吴健, 王纬波

2020, 0(12): 26-30.

摘要 ( 81 )

PDF (2344KB) ( 62 )

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针对含横向表面裂纹的受弯钢板,基于复合材料加固受弯钢板界面应力分布的理论解,设计了加固方案。通过有限元仿真分析了钢板受弯时粘结界面的应力分布和加固前后的受弯性能。最后通过试验验证了加固方案和计算方法。研究表明:有限元仿真结果与试验结果表现一致;对于含表面裂纹的受弯钢板,用CFRP加固可显著提高其抗弯刚度和承载能力,加固效果显著。

预应力碳纤维筋型钢混凝土偏拉柱荷载-位移计算模型

张鹏, 赵晓冬, 邓宇, 沈民合

2020, 0(12): 31-37.

摘要 ( 75 )

PDF (2164KB) ( 77 )

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为探究预应力碳纤维筋型钢混凝土偏拉柱荷载-位移曲线与延性的影响因素并精确模拟其荷载-位移曲线的变化趋势,对7根不同加载偏心距与张拉水平的预应力碳纤维筋型钢混凝土柱进行偏心受拉试验,在试验的基础上建立预应力碳纤维筋型钢混凝土偏拉柱荷载-位移计算模型,并将计算结果与试验结果进行对比。结果表明:加载偏心距与预应力张拉水平为试件荷载-位移曲线及其延性的重要影响因素;荷载-位移计算模型计算值与试验值二者吻合较好,表明此种模型能较好地反映预应力碳纤维筋型钢混凝土偏拉柱的受力和变形过程。

CFRP约束钢管混凝土柱偏压力学性能研究

李昆明, 陈联盟, 吴冬雁, 赵俊亮

2020, 0(12): 38-42.

摘要 ( 84 )

PDF (2402KB) ( 56 )

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本文阐述了近期对CFRP约束圆形钢管混凝土柱的偏压性能的试验研究成果。总共制作了6个试件,研究参数为偏心距,试件长径比均为5,钢管径厚比为100,每个参数制作2个相同试件。通过偏心加载试验获得试件荷载-变形曲线、荷载-挠度曲线等,并基于试验结果分析了CFRP约束钢管混凝土柱的偏心受压工作机理。最后,对Jiang和Teng提出的CFRP约束钢筋混凝土柱偏压柱子分析模型进行修改,利用数值模型计算出试件的荷载-挠度曲线,并将其与试验测得的数据进行对比,验证了该模型的合理性。

海洋环境下BFRP筋与珊瑚混凝土粘结性能的试验研究

高傲, 杨树桐, 高广希, 王秀英

2020, 0(12): 43-53.

摘要 ( 82 )

PDF (13079KB) ( 37 )

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本文针对不同海洋养护环境(海水潮汐区和海水水下区)、不同粘结长度(2.5d、5.0d、7.5d)、不同筋材直径(d=8 mm、d=10 mm)、不同海水养护龄期(30 d、60 d、90 d)条件,研究了海水珊瑚混凝土基本力学性能的测定及其与BFRP筋(玄武岩纤维增强复合材料筋)的粘结性能。结果表明:随着养护龄期的增长,珊瑚混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度和弹性模量呈现先上升后下降的趋势。2.5d和5.0d粘结长度的试件破坏模式表现为筋拔出破坏,粘结长度为7.5d的试件破坏模式主要表现为珊瑚混凝土劈裂破坏、筋劈裂破坏。粘结滑移曲线大致可分为微滑移阶段、滑移阶段、剥离阶段、下降阶段、残余阶段共五个阶段。相同工况下,最大平均粘结应力随粘结长度和直径的增大而减小,残余粘结应力随粘结长度的增大而增大,浸泡区最大平均粘结应力高于潮汐区最大平均粘结应力。伴随着养护龄期的增长,直径为8 mm的试件的最大平均粘结应力值表现为缓慢增长,直径为12 mm的呈先增大后减小的趋势,海水浸泡环境下残余粘结应力呈先上升后下降的趋势,海水潮汐环境下呈现逐渐下降的趋势。

多因素协同对GF/VE复合材料螺栓连接强度的影响研究

蔡正林, 马鹏, 李进, 康少付, 张佃平

2020, 0(12): 54-58.

摘要 ( 73 )

PDF (2889KB) ( 62 )

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采用真空辅助RTM工艺制备玻纤/乙烯基酯(GF/VE)复合材料,基于L9(3⁴)正交表选取宽径比、端径比、夹紧扭矩和改性无纺布材料四个因素并分别选取三个水平,研究了多因素协同对GF/VE复合材料单钉双搭接螺栓连接性能的影响。结果表明,宽径比为2,端径比为6,夹紧扭矩为9 N·m,层间加入TPU无纺布改性的GF/VE复合材料的螺栓连接强度最大。宽径比对复合材料连接强度的影响大于端径比,宽径比与端径比大于3时,复合材料在达到最大载荷后不会立即失效,而宽径比和端径比小于3时复合材料达到最大载荷后会立即失效。通过SEM对断口形貌进行分析,发现试样层间断裂面凸凹不平,热塑性薄膜加热熔化后与乙烯基酯树脂发生共混形成颗粒状弥散相,这种现象有利于增强纤维与树脂之间的粘结强度。

中低温固化碳纤维预浸料的制备与性能

廖国峰, 杨小兵, 吕飘飘, 叶国方, 高艳, 刘端娜

2020, 0(12): 59-63.

摘要 ( 97 )

PDF (1039KB) ( 180 )

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开发了可在中低温下完成固化并适用于热熔法制备预浸料的环氧树脂体系。通过对树脂体系的粘度-温度变化、凝胶时间-温度关系和固化特征的分析,确定了树脂体系的组分配方及固化制度。同时探究了滚筒的温度和压力对纤维浸润性的影响,确定了最佳工艺参数。研究表明,制备的T700碳纤维预浸料具有良好的工艺性以及力学性能,其纵向拉伸强度为2588 MPa,纵向压缩强度为1229 MPa,弯曲强度为1749 MPa,层间剪切强度为83 MPa。

含分层复合材料结构压缩强度研究

张东哲, 林智育, 林仁邦, 杨颜志, 张霞

2020, 0(12): 64-73.

摘要 ( 104 )

PDF (14435KB) ( 60 )

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对含有不同预置分层的复合材料层合板进行压缩试验,记录不同分层损伤下复合材料层合板的极限载荷和破坏模式,并分析预置分层对复合材料层合板压缩强度的影响。基于ABAQUS平台建立含预置分层复合材料结构的有限元模型,编写UMAT子程序引入Hashin准则和Camanho准则研究结构纤维或基体损伤产生及演化,采用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)结合B-K准则计算分层扩展,并将仿真分析结果与试验结果对比,验证仿真模型的正确性。采用相同方法进一步对含分层曲板进行分析,分析曲板弧度、分层尺寸、分层位置对曲板破坏模式以及压缩强度的影响。结果表明:弧度较大的曲板相比平板,其剩余压缩强度较高;弧度较小的曲板,分层尺寸越大剩余压缩强度越小,分层位置越深剩余压缩强度越大。

平前刀面麻花钻钻削CFRP层合板耦合作用及制孔损伤分析

刘礼平, 张放, 连波, 周长庚, 徐建新, 刘雪峰

2020, 0(12): 74-80.

摘要 ( 76 )

PDF (5920KB) ( 61 )

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本文采用三把不同前角的平前刀面麻花钻,以不同的加工参数对CFRP层合板进行钻孔实验,研究平前刀面麻花钻前角、转速和进给速度的耦合作用对碳纤维复合材料制孔出口损伤的影响。实验结果表明:前角、进给速度和转速的改变会影响刀具的推挤作用、切削作用及材料的物理性能,从而使出口损伤受到影响。当前角为26°,进给速度为200 mm/min及前角为30°,进给速度为50 mm/min时,制孔出口损伤随着转速的增加先减小后增大。最后,根据实验结果给出了每把平前刀面麻花钻的最佳加工工艺参数。

自动铺丝过程中倾角施压的行程影响

王显峰, 赵安安, 唐珊珊, 王浩军, 马成

2020, 0(12): 81-83.

摘要 ( 68 )

PDF (2983KB) ( 90 )

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本文针对在装备行程或尺寸受限的情况下实现负曲率柱面的大区域铺放问题开展研究工作,提出采用倾角施压的方法来规避设备行程的不足,扩大设备的作业范围。首先建立倾斜施压的模型,分析影响因素,比如铺丝头长度、负曲率柱面半径等关键参数;然后分析参数的影响趋势以及在不同铺放位置的影响程度,并给出合理的倾角影响范围;最后根据实际情况给出倾角方案,进行实际铺丝验证。同时实验验证了算法的有效性,为负曲率曲面铺放时使用倾角施压增大铺放区域或规避行程不足奠定了理论基础。

尼龙6基复合材料的抗冲击性能与协同增强效应

李艳, 尹洪峰, 秦月, 杨顺

2020, 0(12): 84-91.

摘要 ( 94 )

PDF (16079KB) ( 67 )

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采用熔融挤出法、阳极氧化法和叠层模压法制备了二元、三元和四元尼龙6(PA6)基复合材料。利用场发射扫描电子显微镜对多尺度增强体增强PA6基复合材料的冲击断口形貌进行了表征,研究了无机颗粒(IP)、碳纤维(CF)和金属增强的尼龙6复合材料的冲击性能。结果表明:①无机颗粒和碳纤维多尺度增强PA6具有一定的协同效应,可以显著提高复合材料的冲击性能;②微米级玻璃微珠(micro GB)在冲击应力下发生脱粘,对裂纹扩展有偏转和钉扎等作用;③纳米级CaCO₃(nano CaCO₃)在冲击应力下发生脱粘的同时还产生了微裂纹和银纹,协助玻璃微珠和碳纤维产生增强效果;④纤维金属层板在冲击应力下的失效方式为纤维脱粘、断裂和拔出,基体拉伸断裂,金属的塑性形变、断裂与氧化层开裂,以及金属与基体界面脱粘。

乙烯基酯树脂增韧改性双酚A型环氧树脂研究

陈锋, 王淑霞, 翟军明, 郭建军

2020, 0(12): 92-99.

摘要 ( 73 )

PDF (2747KB) ( 94 )

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针对环氧树脂交联固化后易开裂、韧性差的问题,采用乙烯基酯树脂(854)与环氧树脂(5241)同步固化的方式,实现对环氧树脂的增韧改性;采用旋转粘度法和DSC法研究了混合体系固化过程并确定了固化制度;测试了浇注体力学性能,采用SEM表征了其断面形态并推测了断裂机理;采用DMA、TG和力学测试研究了纤维增强材料的玻璃化转变温度、热力学性能和力学性能。结果表明,当phr(5241∶854)=80∶20时,浇注体的冲击强度高达15.4 kJ/m²,较纯环氧树脂增长了41.3%,相应纤维增强材料的冲击强度达到了605 kJ/m²,拉伸强度保持在1090 MPa,储能模量的最大值仅为13 GPa,体系具有最优异的综合力学性能。

变角度牵引铺缝缺陷对复合材料力学性能的影响

王怡敏, 燕春云, 刘婷, 高志成, 吕凯明

2020, 0(12): 100-104.

摘要 ( 72 )

PDF (6504KB) ( 92 )

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VAT(Variable Angle Tow Placement)是当前国际先进的计算机控制纤维预制体成型工艺。本文对VAT工艺中的三种多发性制品缺陷及缺陷程度进行试验设计,并采用VARI工艺制备10种CFRP板制件。运用超声相控阵C扫描、SEM进行宏观检测和细观表征。对CFRP制件进行纵向拉伸与压缩试验,研究了变角度牵引铺缝对CFRP板材力学性能的影响,对进一步完善VAT工艺,以及质量体系建立和效益提升十分有益。

中空织物复合材料电池箱体制备和保温性能研究

吉增香, 孙倩倩, 姜春阳, 王捆, 胡宁, 袁卓伟

2020, 0(12): 105-108.

摘要 ( 86 )

PDF (4419KB) ( 80 )

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对比研究了几种不同的结构保温材料,仿真计算了中空织物复合电池箱体的结构强度和最大位移。这样设计既可以解决保温需求,又不过多占用空间。为了验证中空织物复合材料箱体的保温性能,利用手糊工艺制备了中空织物复合材料电池箱体样件,并对复合箱体进行了保温测试。测试结果表明,中空织物复合电池箱体保温时长比金属箱体延长1倍。

国产T800级高韧性环氧树脂基复合材料C梁热隔膜预成型工艺研究

蒋诗才, 安学锋, 闫丽, 崔敬程

2020, 0(12): 109-114.

摘要 ( 133 )

PDF (5427KB) ( 83 )

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富含热塑性增韧剂的AC531树脂在国产T800级复合材料的固化过程中,由于增强纤维的存在,热塑性增韧剂在环氧树脂基体中的溶解-分相行为过程与环氧树脂的固化过程同时发生,宏观上表现为AC531树脂基体的黏温曲线在120 ℃~160 ℃之间存在明显的黏度升高又降低的过程,使得其黏温曲线变得复杂,从而对国产T800级复合材料的成型工艺产生影响。通过不同温度下保温不同时间后,树脂黏度和层间滑移阻力的变化,选择了100 ℃保温(30~40)min作为隔膜成型的条件。在此基础上,制备了缘条无曲率(基本型)和缘条带曲率两种C型翼梁。结果表明,国产T800级具有良好的隔膜成型工艺性,能够用来制备C型翼梁,但是对于缘条带曲率的C型翼梁,由于其几何形状的不可展性,在缘条R区和曲面形成的双曲界面处产生了明显的褶皱现象。

石英纤维增强氰酸酯树脂选频透波性能研究

李青, 车永星, 赵靖, 柴朋军

2020, 0(12): 115-120.

摘要 ( 84 )

PDF (4229KB) ( 55 )

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以石英纤维布为增强材料,氰酸酯树脂为基体,芳纶纸蜂窝为芯材,氰酸酯/丙酮溶液为蜂窝浸渍液,采用真空袋压成型法制备出蒙皮平板、A-夹层和C-夹层复合材料平板。测试了蒙皮平板的力学性能,比较了不同浸渍液配比对力学性能的影响,当氰酸酯/丙酮配比为1∶1时,综合力学性能最优,可满足雷达天线罩强度要求。对夹层结构平板的蒙皮厚度对电性能的影响进行了研究,发现当蒙皮厚度为0.6 mm时,在14 GHz以上可明显降低电磁波损耗。将两种FSS膜分别嵌入复合材料的A-夹层和C-夹层结构,成功实现了两个频段(频段Ⅰ:33 GHz~34 GHz;频段Ⅱ:11.5 GHz~14.5 GHz)的选频透波功能。

复合材料自动铺放表面缺陷检测技术研究进展

马少博, 文立伟, 王若舟, 宋桂林, 高少楠

2020, 0(12): 121-128.

摘要 ( 134 )

PDF (10401KB) ( 82 )

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先进树脂基复合材料已成为航空航天领域的热门材料,自动铺放技术是其自动化成型的代表性技术。然而在自动铺放过程中,由于设备精度、轨迹规划、预浸料质量等原因可能会出现各种缺陷,如间隙、搭接和扭转,缺陷不仅会影响构件质量,还会因为需要人工检测导致生产效率难以提高,因此对铺放过程中的缺陷进行自动检测就显得极为重要。本文首先简要介绍了缺陷的成因和影响,然后从不同检测方式出发,介绍了基于红外热成像技术、图像识别技术、轮廓扫描技术等的检测方案和应用,最后对自动铺放表面缺陷检测技术的发展趋势进行了展望。

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