复合材料科学与工程

王帅, 吴炜, 黄益民, 罗楚养, 张向辉, 蔡培培

2021, 0(3): 5-13. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.001

摘要 ( 109 )

PDF (4270KB) ( 82 )

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采用分步求解方法,先分析热效应产生的热应力,导入热刚度矩阵中计算壁板的附加刚度,再将壁板的热刚度效应引入热模态分析中,最后在壁板颤振模型中进行颤振分析。分别研究了热应力、材料模量和温度对复合材料舵面颤振特性的影响。结果表明:温度的升高降低了舵面各阶固有频率,频率下降幅度随阶数升高而增大,导致颤振发生的可能性增大;颤振速度随温升近似呈线性下降,且温度对材料参数的变化引起的舵面颤振速度下降比热应力引起的颤振速度下降更大。

基于改进差分进化算法的复合材料结构优化设计

马森, 赵启林, 施丽铭, 单成之

2021, 0(3): 14-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.002

摘要 ( 112 )

PDF (1868KB) ( 75 )

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提出了一种改进的S形变异差分进化算法并对该算法在复合材料结构优化方面的应用进行了研究。首先,分析了控制参数对差分进化算法收敛性和寻优能力的影响机理;其次,针对控制参数对差分进化算法的影响机理,借鉴生物繁殖的“S形曲线”规律,提出变异率的“S形曲线”变化趋势,提出改进的差分进化算法SDE,数值算例证明该算法具有较好的全局寻优能力;最后,针对复合材料结构优化设计问题,建立了基于SDE算法的优化计算系统,利用该优化计算系统对某空间运载器复合材料构件进行了优化设计,优化结果较初始设计质量减小36.5%。

碳/碳坩埚预制体增强碳纤维缠绕轨迹研究

李晓晨, 董九志, 杨素君, 陈云军, 蒋秀明

2021, 0(3): 21-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.003

摘要 ( 126 )

PDF (1415KB) ( 78 )

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碳/碳坩埚作为当前直拉单晶硅炉的重要部件,其需求急剧增加。针对目前碳/碳坩埚预制体采用针刺成型效率低且纤维连续性差等不足,本文基于纤维缠绕技术对碳/碳坩埚预制体成型进行研究,确定了最佳纤维缠绕路径规律,建立了非测地线缠绕模式下的缠绕机丝嘴运动轨迹算法,通过对比不同的约束条件得到了最佳运动轨迹,最后通过反解落纱点坐标来进一步验证缠绕机丝嘴运动轨迹的合理性及正确性。结果表明,本文提出的碳/碳坩埚缠绕方法准确可靠,得到的缠绕机运动方程及规律满足碳/碳坩埚的绕制原理和可制造性,可为碳/碳坩埚的生产提供理论支撑。

基于纤维随机分布模型的复合材料弹性常数预测

彭湃, 吕剑

2021, 0(3): 27-32. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.004

摘要 ( 114 )

PDF (5161KB) ( 76 )

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为了实现复合材料弹性常数的准确预测,本文研究了基于纤维随机分布细观力学模型的数值模拟计算方法。首先采用改进的随机扰动算法实现了对复合材料的纤维随机分布结构特征的表征,并在有限元软件中建立了纤维随机分布的复合材料代表性体积单元(RVE)模型。通过施加周期性边界条件、采用体积均匀化的计算方法,实现了两种典型复合材料的弹性常数的预测,并与传统的四边形规则分布模型预测结果、文献试验结果进行了对比验证。结果表明,采用纤维随机分布的细观力学模型可实现对复合材料弹性常数较为准确的预测。此外,计算结果表明,纤维分布的随机性对复合材料宏观弹性常数的离散度影响较小。

基于比例柔度矩阵的复合材料梁损伤检测

齐兴然, 杨涛, 杜宇

2021, 0(3): 33-37. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.005

摘要 ( 79 )

PDF (1833KB) ( 79 )

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利用比例柔度矩阵的LU分解构造新的损伤指标,并用于对复合材料固支梁进行分层损伤检测。首先使用有限元软件ANSYS Workbench构造出有损伤梁和无损伤梁的仿真模型,通过模态分析得到无损梁和损伤梁的固有频率和振型值,计算单位矩阵归一化后的振型,并以此构造比例柔度矩阵。通过对损伤前后比例柔度的差值矩阵进行LU分解,构造出新的损伤指标来检测复合材料梁的分层损伤。仿真算例表明在复合材料梁损伤的识别中,对于不同程度的单点、多点损伤,该损伤指标突变率都有较大的变化。对于不同位置的损伤,也有较好的识别效果,能准确描述脱层损伤发生的区域。该方法表明了比例柔度矩阵法能够应用于复合材料梁的分层损伤识别。

基于随机算法的纤维微观结构渗透率预报及树脂流动数值模拟研究

李晨, 黄甲, 陈程, 高丽敏

2021, 0(3): 38-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.006

摘要 ( 94 )

PDF (6145KB) ( 78 )

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树脂基纤维增强复合材料的液体成型工艺制件的质量与制备过程中树脂流动浸渍情况紧密相关,微观尺度纤维结构和微观渗透率作为介观尺度和宏观尺度的基石,对树脂的流动浸渍具有直接影响,然而微观尺度难以有效开展试验,数值模拟成为更有效的研究手段。本文采用Monte Carlo随机算法建立了微观尺度纤维束内单丝随机排布结构和纤维束内、束外介观尺度结构模型;基于有限元方法对纤维束内结构进行渗透率预报,并创造性地采用Phase Field相场方法考虑表面张力和毛细力进行树脂流动数值模拟。结果表明:本文所建立的纤维单丝随机结构渗透率预报方法较传统经验公式预报精度显著提高;本文模拟的微观纤维束内孔隙的形成过程,对从微观尺度系统阐述树脂流动浸渍过程和微观气泡的产生机理具有重要意义。

基于空间编织法制备的连续纤维复合点阵材料及其压缩性能研究

张甲瑞, 翟光涛

2021, 0(3): 45-50. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.007

摘要 ( 97 )

PDF (9298KB) ( 21 )

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针对目前新材料领域现有连续纤维复合点阵材料制备技术的不足,提出了一种全新的纤维复合点阵材料制备方法。在深入分析现有纤维复合点阵材料制备技术和Octet-truss单元的结构特征的基础上,开发了一种利用连续纤维绳通过编织制备三维纤维复合点阵材料的新方法——空间编织法,并设计了一套专用成型工装,然后利用该方法和树脂固化工艺制备了连续纤维Octet-truss点阵复合材料,最后根据ASTM C365测试方法对试件进行单轴压缩实验。实验结果表明,Octet-truss结构稳定性较好,应力应变曲线变化规律基本一致,结合实验过程与电镜图片分析可知,试件主要失效模式为纤维微曲屈引起的节点附近斜杆断裂,为今后连续纤维复合三维点阵材料的制备和力学性能研究奠定了基础。

平纹编织面板泡沫夹芯结构修补后侧向压缩性能

张铁纯, 张世秋, 王轩, 周春苹, 王付胜

2021, 0(3): 51-59. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.008

摘要 ( 85 )

PDF (6169KB) ( 55 )

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为了研究不同修补方式和修补参数对平纹编织面板泡沫夹芯结构侧向压缩性能的影响,对完好试验件和单侧面板修补、单侧面板加芯材修补、双侧面板加芯材修补试验件进行侧向压缩试验。试验结果表明:单侧面板修补方式的侧向压缩强度高于其他两种修补方式;单侧面板修补时,面板挖补倾角比例越小,试验件侧向压缩强度越低;附加层重叠宽度对试验件侧向压缩强度影响很大;修补后试验件的侧向压缩模量比完好件均有所提升;单侧面板修补时,改变挖补倾角比例,不影响试验件侧向压缩模量,合适的附加层重叠宽度对试验件侧向压缩模量的提高有积极影响;修补方式和修补参数的变化不影响试验件的破坏模式,平纹编织面板泡沫夹芯复合材料侧向压缩的破坏模式为泡沫芯材破裂后,面板局部无支撑受压弯曲导致的整体结构破坏;面板的破坏形式主要为面板端部弯曲、面板中部弯曲、面板皱折和面板纤维断裂。

含碳纳米管薄膜表层的蜂窝夹芯壁板模拟雷击试验研究

王永伟, 严刚, 郭飞

2021, 0(3): 60-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.009

摘要 ( 119 )

PDF (11443KB) ( 32 )

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近年来复合材料以其优异性能而被广泛应用于航空结构中,但复合材料的整体导电性较低,遭受雷击容易造成严重损伤,威胁结构安全。本文提出将碳纳米管薄膜与复合材料结构共固化形成导电表层,对雷击进行防护。为验证碳纳米管薄膜表层的防护效果,制备了碳纳米管薄膜表层防护的复合材料蜂窝夹芯壁板试验件,施加不同峰值的模拟雷击电流,使用高速摄像机记录其雷击过程,并通过目视和CT扫描对其损伤进行检测。结果表明:不同雷电流峰值情况下,雷电流峰值越大,试验件的表层损伤面积和内部分层损伤长度也越大;相同雷电流峰值情况下,含碳纳米管薄膜防护试验件的表层损伤面积和内部分层损伤长度明显减小,由此可以得知碳纳米管薄膜表层对复合材料蜂窝夹芯壁板的雷击损伤具有较好的防护效果。

复合材料双搭接胶连接接头承载力计算中的胶层厚度问题

马毓, 李永亮

2021, 0(3): 66-70. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.010

摘要 ( 149 )

PDF (2349KB) ( 63 )

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现有复合材料双搭接胶连接接头承载力计算公式只在有限的胶层厚度范围内适用,有修正必要。利用已有试验数据,解析分析了胶层厚度变化引起的接头承载力改变与其剪应力、剥离应力之间的关系,发现胶层增厚,接头承载力减小,胶层的剪应力和剥离应力均减小,剥离应力不是接头破坏的主要原因;同时,试件胶层没有明显缺陷,缺陷也不是接头破坏的主要原因。提出胶层增厚引起的胶层剪切性能改变是接头承载力减小的主要原因,可作为公式修正的思路。

CVD沉积工艺对SiC涂层结晶度与耐腐蚀性能的影响

刘桂良, 何宗倍, 王梓璇, 张瑞谦, 王继平

2021, 0(3): 71-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.011

摘要 ( 139 )

PDF (5131KB) ( 96 )

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通过化学气相沉积(CVD)SiC涂层来提高SiC_f/SiC复合材料的耐腐蚀性能,本文以CH₃SiCl₃(MTS)为源气体,在反应烧结SiC基体上制备SiC涂层,控制沉积温度、炉压及H₂/MTS摩尔比等工艺参数,通过X射线衍射实验(XRD)得到不同工艺条件下生成的碳化硅涂层的物相组成和结晶度,通过高温水腐蚀实验检测涂层的耐腐蚀性,并利用扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀前后的表面形貌。结果表明:当沉积时间为8 h,沉积温度从1050 ℃到1250 ℃,β-SiC涂层表面平整性提高,沉积厚度由12.97 μm急剧增加至71.10 μm,SiC晶粒尺寸逐渐增大,最终呈金字塔状;碳化硅涂层腐蚀60 d后,表面呈现针状结构,1250 ℃下沉积的SiC涂层耐腐蚀性能较好;β-SiC涂层的晶粒尺寸随沉积炉压的增大而增大,结晶度随沉积炉压增大而减小,在200 Pa以下,获得的β-SiC晶粒的结晶度最高(81.08%)、晶粒尺寸最小(13.7 nm);随着H₂/MTS摩尔比增加,β-SiC晶粒结晶度迅速下降,当H₂/MTS=6.5时,结晶度最高(95.91%)。

复合材料风扇叶片钛合金加强边胶接技术研究

孙煜, 刘强, 黄峰, 马金瑞, 张宇

2021, 0(3): 78-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.012

摘要 ( 108 )

PDF (4809KB) ( 221 )

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本文以航空发动机复合材料风扇叶片钛合金加强边胶接为研究背景,开展钛合金/复合材料胶接技术研究,着重研究了基于AF191胶膜的钛合金/复合材料胶接工艺参数、不同结构复合材料与钛合金以及不同表面处理方式钛合金与复合材料胶接强度。结果显示:采用热压罐固化,并且在加压0.1 MPa后卸掉真空更有助于胶接;不同结构复合材料对胶接强度影响较大,刚度更高的复合材料表现为更好的胶接强度;采用酸洗和阳极化处理钛合金表面均能大幅提高胶接强度,并且配合表面预处理剂使用更佳。

电热效应对碳纳米管修饰碳纤维复合材料剪切性能的影响

王炳琛, 刘玲

2021, 0(3): 82-87. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.013

摘要 ( 105 )

PDF (3612KB) ( 54 )

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随着在航空航天领域的广泛应用,碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)既要求可以作为结构件,也要求具有导热导电等功能特性。因此,CFRPs往往面临着复杂的多场耦合环境,其中电热耦合是伴随着高导电CFRPs的应用而产生的。为分析CNTs的加入对CFRPs电热性能和剪切性能的影响,本文制备了碳纳米管(CNT)多孔薄膜,将其引入[±45°₂]_s层合板的±45°界面,研究了CNT薄膜对层合板面内电导率以及电热效应对面内剪切性能的影响,并与相应的温度载荷情况进行了对比。研究表明,CNT薄膜的引入使CFRPs电导率提升了65%~180%,使表面温度提升了10.8%~29.5%,其剪切强度、模量也均有所提高,同时,温度的升高可以提高CFRPs的力学性能,但CNTs改性CFRPs后这一现象并不明显。这充分表现出CNTs薄膜不仅可以改善CFRPs的电热性能,还可以对层间力学性能起到充分的增强作用。

Z-pin植入对碳纤维/环氧层合板弯曲性能的影响研究

严斌, 陈巍, 马承燕, 滕薛蓓, 刘维伟, 李向前

2021, 0(3): 88-92. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.014

摘要 ( 109 )

PDF (3639KB) ( 58 )

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通过三点弯曲试验研究了Z-pin材质、直径和加捻状态对Z-pin增强复合材料层合板弯曲性能的影响。结果表明相较于未增强对照组试件,碳纤维Z-pin增强组试件的弯曲强度、模量分别提升了20.28%与27.55%,且其提升效果要优于聚酰亚胺纤维Z-pin;小直径Z-pin组试件的弯曲强度、模量分别提升了19.96%与29.32%,且其提升效果要优于大直径Z-pin;Z-pin加捻与否对试件弯曲强度、模量的影响甚微,这与其失效形式有关。Z-pin植入试件后能大幅度提高试件的弯曲应变能,试验中相较于对照组试件,Z-pin增强组试件弯曲应变能的提升范围为15.23%~112.23%。其中,大直径Z-pin的提升效果最为显著,提升比率在110%以上。此外,Z-pin的植入会提高试件抵抗变形损伤的阻力,使试件表现出更大的失效位移,但弯曲应变能低的试件不易形成稳定的损伤扩展。

PAN原丝直径对碳纤维收率的影响

薛亚俊, 张明, 顾红星, 张淑斌, 齐晶瑶

2021, 0(3): 94-98. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.015

摘要 ( 129 )

PDF (1059KB) ( 72 )

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对不同预氧化条件下两种直径PAN原丝的碳纤维收率进行了分析,并利用TG、XPS、NMR、Raman等测试表征方法,深入讨论了原丝直径对其碳纤维收率的影响。结果表明:预氧化温度越高,PAN原丝的碳纤维收率越高,相同工艺条件下粗直径PAN原丝的碳纤维收率高于细直径原丝的碳纤维收率,粗直径PAN原丝的热失重一直低于细直径原丝的热失重,细直径PAN预氧丝的预氧化程度高于粗直径PAN原丝的预氧化程度,而不同直径预氧丝表面元素及碳纤维表面微晶结构无差异。

一种中空封闭复合材料结构件的模具设计及制备

周占伟, 蒋贵刚, 刘海鑫, 白银海

2021, 0(3): 99-103. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.016

摘要 ( 87 )

PDF (3844KB) ( 99 )

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本文介绍了一种细长、中空、变截面、封闭的复合材料结构件,分析了组合金属阳模和水溶性砂芯模的方案可行性,提出了泡沫填充复合式充气橡胶芯模的设计思路,并采用组合式阴模、内充气加压的方式成功实现该产品的研制。通过研究发现聚氨酯泡沫发泡成型后具有一定的强度和刚度,可制作碳纤维预浸料的铺层模具;同时其对乙酸乙酯具有较好的溶胀性,可利用该特性完成产品脱模。利用硫化橡胶制备的橡胶气囊,具有较强的耐压、耐温性,可被广泛应用于中空封闭式复合材料结构件的成型过程。

复合材料舱段静水内压试验和有限元分析

闫晋辉, 曾文源, 李强

2021, 0(3): 104-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.017

摘要 ( 71 )

PDF (3471KB) ( 71 )

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在玻璃纤维增强复合材料船体结构的设计中,基于模型试验和有限元分析相结合的方式开展结构性能评估与验证非常重要。以硬壳式玻璃纤维增强复合材料结构为研究对象,设计缩尺比为1∶3的模型并开展灌水静载试验,研究玻璃纤维增强复合材料结构在加载-卸载工况下的变形和水密性,获得了典型结构在不同工况下的变形特点。基于试验数据反演近似得到模型支撑结构的刚度特性,在此基础上以MSC.PATRAN/NASTRAN为平台进行有限元分析并与试验数据比较,研究表明玻璃纤维增强复合材料舱段模型在载荷作用下结构完好且具有良好的水密性,整体变形较小;基于试验数据反演模拟边界条件下的有限元计算值与试验值吻合度总体可接受,该方法可为同类型舱段模型试验有限元验证提供参考。

高温热处理对C/C复合刹车材料摩擦磨损性能影响的研究

周蕊, 韩文静, 施伟伟

2021, 0(3): 112-116. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.018

摘要 ( 110 )

PDF (3047KB) ( 74 )

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分析讨论了高温热处理温度对C/C复合刹车材料石墨化度及摩擦磨损性能的影响规律。研究表明:通过化学气相沉积法制备的C/C复合刹车材料热解碳结构与最终热处理温度无关,均呈现典型的粗糙型结构;从裂解态至2600 ℃热处理状态,C/C复合刹车材料石墨化度由7.3%提升至67.2%,对应综合导热系数由11.3 W·m^-1·k^-1增加至50.1 W·m^-1·k^-1;材料摩擦系数随着刹车压力、单位面积能载和速度的升高呈现出逐渐降低的趋势,且相同条件下,石墨化度越高,摩擦系数及磨损率越高。

碳纤维增强聚苯硫醚复合材料界面性能的研究进展

武博, 杨常玲, 张琳萍, 吕永根

2021, 0(3): 117-121. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.019

摘要 ( 123 )

PDF (3982KB) ( 105 )

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碳纤维增强聚苯硫醚树脂复合材料因其良好的机械性能、阻燃性、耐化学腐蚀性,在电子信息、航天航空等领域的应用越发广泛。界面是影响复合材料性能的关键因素,为进一步提高复合材料性能以适应不同的构件和使用环境,碳纤维与聚苯硫醚的界面性能越来越受到重视。本文从成型工艺、碳纤维上浆剂和树脂改性三个方面总结了碳纤维增强聚苯硫醚复合材料界面性能的影响因素和研究进展。

植物纤维树脂基复合材料阻尼减振研究进展

马绪强, 苏正涛

2021, 0(3): 122-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210328.020

摘要 ( 113 )

PDF (1538KB) ( 126 )

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近些年,随着环境污染控制要求的日趋严格和大众环境保护意识的逐步提高,具备可再生、可降解、环境友好特点的植物纤维受到了众多学者的关注。相比传统碳纤维或玻璃纤维树脂基复合材料,植物纤维复合材料具有更优异的阻尼减振性能。本文总揽了近十年植物纤维树脂基复合材料阻尼减振领域的研究状况,首先阐述了植物纤维多层级结构特点及其阻尼减振机理,其次介绍了植物纤维树脂基复合材料阻尼性能的测试方法和表征参数,进而分析了植物纤维铺放角度、长度、含量、表面处理和混杂等因素对植物纤维树脂基复合材料阻尼性能的影响,最后指出了植物纤维树脂基复合材料在阻尼减振领域应用发展存在的问题并给出了建议。

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