复合材料科学与工程

张阳, 陈建稳, 吴善祥, 夏雨凡

2021, 0(5): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.001

摘要 ( 99 )

PDF (9208KB) ( 50 )

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刺入破坏是经编织物类膜材破坏失效的基本形式之一,膜材自身的刺破力学性能对膜结构安全至关重要。本文针对双轴经编织物类膜材PVDF 8028进行双向限制下的刺破仿真,应用ABAQUS软件建立考虑纱线与基体细观结构的刺破数值模型。通过设置方锥与片状刺具两种刺具形态,在细观层面分析经编织物在不同刺具下的刺破形态特征,系统考察入刺水平转角以及入刺角度对膜材刺破性能的影响规律,另外构建类四棱锥刺入理论模型并通过理论校核证实了数值模型的准确性与可行性。研究结果表明:随着方锥刺具入刺水平转角增加,膜材刺破强度呈现下降趋势,当水平转角由0°增加至90°,刺破强度降低达39.39%;随着片状刺具刺入角度的增加,刺破强度呈现先增大后减小的趋势,峰值刺破力随刺破角度增加呈现倒“V”形的变化特征。所得结论可为膜材料的损伤分析及膜结构的安全性评估提供有益参考。

复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性影响研究

王军利, 李庆庆, 陆正午, 雷帅, 李托雷, 沈楠

2021, 0(5): 12-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.002

摘要 ( 114 )

PDF (5035KB) ( 108 )

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为了减轻重量和提高升阻比,现代飞行器结构普遍采用大展弦比布局,并且轻质复合材料在飞行器结构中的使用占比也越来越高。为了研究复合材料铺层角度对大展弦比机翼纵向气动特性及非线性气动弹性的影响,首先以机翼结构的弹性变形为优化目标,以结构强度为约束条件,采用Screening方法对大展弦比复合材料机翼蒙皮的铺层角度进行优化,优化后机翼的刚度明显增强。然后基于松耦合的双向流固耦合数值计算方法,对大展弦比机翼非线性气动弹性及流场进行优化前后的数值模拟,分析了复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性变形及纵向气动特性的影响。

纤维增强复合材料中多分层损伤的识别研究

黄梅, 潘静雯, 江剑, 张芝芳

2021, 0(5): 21-30. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.003

摘要 ( 84 )

PDF (12545KB) ( 44 )

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本文基于纤维增强复合材料(FRP)层合板受冲击后可能在多个界面发生重叠分层损伤的工程背景,研究利用多层损伤发生前后的一系列模态频率变化值来预测FRP层合板中的多分层损伤。首先分别采用两种方法构建了含分层损伤的FRP层合板的有限元模型并验证了模型的准确性,其中,分层损伤被模拟为多层椭圆形态。然后,采用有限元模型生成了不同的多分层情况下对应的频率变化值,通过基于代理模型的遗传算法(SAGA)和支持向量机(SVM)两种逆向检测算法来识别多分层的界面、位置与大小。多分层损伤案例的验证结果表明,两种逆向检测算法SAGA和SVM均能利用损伤发生前后的频率变化值成功识别FRP层合板内的多分层损伤。

树脂基体中热塑性树脂含量对碳纤维环氧复合材料压缩性能的影响

张代军, 陈俊, 包建文, 钟翔屿, 龚明, 陈祥宝

2021, 0(5): 31-36. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.004

摘要 ( 89 )

PDF (4452KB) ( 140 )

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制备了国产CCF800H碳纤维增强环氧树脂基复合材料,通过调控环氧树脂中的热塑性树脂增韧剂含量,探索增韧剂含量对树脂浇注体拉伸弹性模量的影响规律,并进一步研究增韧剂含量对碳纤维增强环氧树脂基复合材料纵向压缩性能的影响。结果表明,随着树脂基体中增韧剂含量的升高,环氧树脂浇注体拉伸弹性模量降低,其对应碳纤维增强复合材料单向层合板泊松比升高。增韧剂含量对单向复合材料压缩模量的影响不明显,但复合材料纵向压缩强度会随着增韧剂含量的升高而降低。

基于变温红外的苯基苯酚改性酚醛树脂固化机理研究

张莹, 胡宏林, 王在铎, 刘亮, 余瑞莲

2021, 0(5): 37-42. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.005

摘要 ( 102 )

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针对高碳酚醛树脂固化反应机理随温度的演变机制不清晰的问题,采用变温红外光谱研究了树脂特征官能团羟甲基、不同取代位亚甲基和醚键的变化规律,结合热重-质谱分析了固化过程释放气体的种类,研究了树脂从90 ℃~230 ℃发生的主要固化反应。结果表明:90 ℃~120 ℃,主要为酚环对-对位相连的亚甲基生成反应,此阶段较难生成邻-对位亚甲基桥连结构;120 ℃~170 ℃,主要为对-对位相连的亚甲基生成反应;170 ℃~200 ℃,主要为醚键断裂和羰基的生成反应,以及丙基桥连结构的生成反应;200 ℃以上,主要为酚羟基之间的脱水反应以及羰基的生成反应,醚键在230 ℃以上基本断裂完全。本文提供了一个新的研究树脂固化机理的思路,为合理设计高碳酚醛树脂复合材料固化工艺制度提供了有益的指导和帮助。

大长径比固体火箭发动机壳体轻量化设计

冯彬彬, 袁金, 胡旭辉, 张雄军, 陆金虎

2021, 0(5): 43-48. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.006

摘要 ( 202 )

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针对目前对大长径比碳纤维复合材料壳体封头部位补强及壳体轻量化减重问题,基于网格理论,完成ϕ180 mm固体发动机燃烧室壳体的铺层设计,然后设计壳体螺旋缠绕层厚度减薄,采用碳布、碳纤维编织预浸封头帽两种方式对封头补强;根据三次样条公式,计算出封头位置厚度曲线;通过有限元ABAQUS仿真软件对三种结构形式进行模型分析计算,研究壳体应力状态及爆破压强;进行壳体试制及水压爆破试验,研究分析碳布补强和碳纤维编织预浸封头帽对封头补强的影响。结果表明:碳布补强效果不明显,而按照一定纵环比编织的碳纤维预浸封头帽强度远大于碳布增强,其补强强度与螺旋缠绕强度基本一致;采用碳纤维编织预浸料封头帽补强较基础样本成型方式重量降低14.1%。

碳纳米管薄膜电加热固化复合材料胶接修补金属结构研究

张宁, 严刚

2021, 0(5): 49-54. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.007

摘要 ( 97 )

PDF (6382KB) ( 94 )

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近年来,复合材料胶接修补技术被广泛应用于金属损伤结构,但传统补片固化工艺有着成本高、能耗大及成型时间长等问题。针对该问题,本文提出将碳纳米管薄膜作为加热元件与复合材料预浸料补片进行集成,通过电加热固化达到修补损伤结构的目的。进行了试验研究,分别采用碳纳米管薄膜电加热和传统烘箱加热的方法固化复合材料补片修补含裂纹铝合金板,对比不同固化方法下所需能耗和成型时间,并进行力学性能测试,评估胶接修补的效果。结果表明:碳纳米管薄膜电加热固化技术是一种节能高效的方法,可以显著降低能耗和材料成型时间;同时碳纳米管薄膜电加热固化修补的试件承载力与烘箱固化修补的试件基本一致,可以达到预期的修补效果,为金属结构低能耗、低成本胶接修补技术提供了一种新的思路。

碳纤维复合材料管件与金属配件销钉连接的研究

刘桂玉, 马岩, 初明越, 阳玉球

2021, 0(5): 55-60. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.008

摘要 ( 120 )

PDF (4609KB) ( 115 )

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碳纤维复合材料因其轻质、高强等性能在汽车领域得到广泛应用。碳纤维复合材料吸能盒作为汽车的重要部件,在汽车装配中与金属配件的连接问题是研究能量吸收的重要方向。为研究能量吸收盒的装配可行性问题,本文采用机械连接中的销钉连接方式首先研究了开孔对管件的能量吸收影响,其次通过正轴向、偏轴向准静态压缩实验分析复合材料管件与金属配件悬垂式与非悬垂式连接的能量吸收性能差异并观察其破坏过程,结果表明,底部开孔对管件能量吸收无较大影响,本文设计的悬垂式销钉连接方式无法稳定有效吸能,不具有可行性,非悬垂式销钉连接方式具有可行性,可采用非悬垂式销钉连接进行进一步研究。

3D打印纳米纤维素增强聚乳酸血管支架的体外力学性能研究

贾李涵, 李岩

2021, 0(5): 61-67. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.009

摘要 ( 146 )

PDF (9336KB) ( 90 )

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动脉粥样硬化疾病是当今人们生命健康的巨大威胁,而血管内介入治疗是最有效的治疗方法之一。金属血管支架是治疗动脉血管疾病的主要手段,但植入血管后会导致支架血栓和支架内再狭窄等问题。生物可吸收血管支架是有望解决支架血栓和支架内再狭窄的新一代血管支架。本文采用3D打印熔融沉积成型技术,分别成型具有不同壁厚、直径,以及采用不同打印填充路径的聚乳酸血管支架和纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料支架,采用平面压缩法和三点弯曲法对其进行体外力学性能测试,获得支架的径向支撑性能和纵向柔顺性能。研究结果表明:相比聚乳酸支架,复合材料支架的径向支撑性能最高提升了47.6%;在相同的支架壁厚和支架直径情况下,复合材料血管支架的纵向柔顺性高于聚乳酸血管支架,提升了20.2%。此外,极差分析结果表明,壁厚对支架体外力学性能影响最大,其次是支架直径,打印填充路径对支架体外力学性能影响较小。本研究的成果为新型生物可吸收降解支架的研制提供了新的思路。

风电叶片自动辊涂设备设计开发

李国良, 颜晨, 陈晓亮, 崔俊伟

2021, 0(5): 68-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.010

摘要 ( 151 )

PDF (3030KB) ( 182 )

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风电叶片大型化的发展,对叶片后处理工序提出了更多要求。目前风电叶片后处理辊涂工序完全采用人工手动作业,在辊涂作业质量不稳定的情况下也增加了叶片制造的人力成本。在此情况下,自动化装备在风电后处理工序的应用就变得极为迫切。本文主要探讨了一种新的风电叶片自动化辊涂设备,该设备主要包括AGV智能导航设备、桁架式机械臂、油漆自动配比及输送系统、电控系统集成等部分。自动辊涂设备的应用可有效提升风电叶片后处理的工作效率,保证叶片辊涂质量,降低叶片制造的人力成本,提升叶片行业的智能化程度。

冲破式异型结构易碎前盖设计研究

安庆升, 孙立东, 阎金贞, 武秋生

2021, 0(5): 73-79. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.011

摘要 ( 107 )

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针对某型发射箱前盖综合性能要求高且弹体轴线与发射箱箱体几何中心线不重合问题,通过需求分析、结构设计、材料选择及确定成型工艺,再通过仿真分析、样件试验验证,最终确定了以环氧泡沫材料为主承载结构、冲破点位置相对盖体几何中心偏心的冲破式异型结构易碎前盖技术方案。试验结果表明,该易碎前盖具有良好的综合技术性能,满足设计需求。

Z616耐烧蚀酚醛树脂固化反应动力学研究及TTT图

赵志颖, 田谋锋, 宋金梅, 许亚丰

2021, 0(5): 80-85. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.012

摘要 ( 121 )

PDF (1546KB) ( 76 )

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通过对耐烧蚀酚醛树脂进行全动态DSC测试,利用Kissinger方程及Crane方程,拟合得到了固化反应参数,得出固化反应活化能E_a=77.235 kJ/g,指前因子A₀=1.92×10⁸,反应级数n=0.9088;对恒定温度下不同保温时间的树脂进行DSC测试,得到玻璃化转变温度及固化度,应用DiBenedetto经验方程建立玻璃化转变温度与固化度关系模型;利用哈克RS6000旋转流变仪测试耐烧蚀酚醛体系凝胶时间数据,表征凝胶时间与温度的关系,分析凝胶时间与凝胶温度之间的关系,其中凝胶时的固化度α_gel=0.08,凝胶化后的玻璃化转变温度T_g,gel=89.1 ℃;绘制了耐烧蚀酚醛树脂体系的TTT图,为耐烧蚀酚醛树脂实际应用奠定了理论基础。

RTM复合材料的增韧技术研究

郭聪聪, 王怡敏, 单瑞俊, 孟梦, 李志涛, 毛慧文

2021, 0(5): 86-91. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.013

摘要 ( 129 )

PDF (7348KB) ( 76 )

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本体增韧和“离位”增韧是提高复合材料韧性的主要增韧技术,在RTM复合材料中也有大量应用。本文分别对EH301树脂进行本体增韧和“离位”增韧设计,并对改性前后树脂及其复合材料的流变特性、耐热性、冲击后压缩强度和其他力学性能进行分析,对比两种增韧技术在RTM复合材料中应用的优缺点。同时,结合扫描电子显微镜(SEM)观察PA毡的定型状态,研究定型工艺对复合材料力学性能的改善效果。结果表明:相比于本体增韧,“离位”增韧技术工艺性好,增韧效果显著,更适用于RTM复合材料体系的增韧,缺点是会降低复合材料的压缩强度和层间剪切强度。通过提高定型工艺时间和温度,改善PA毡与树脂的界面结合力,能够降低这种负面影响。

蜂窝夹层结构板-芯脱粘后的修补及对透气性的影响研究

李莺歌, 周占伟, 尉世厚, 周宓

2021, 0(5): 92-97. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.014

摘要 ( 73 )

PDF (7565KB) ( 54 )

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介绍了蜂窝夹层结构板-芯脱粘的注胶修补、挖补和贴片加强方法,分析了不同修补方法对夹层结构胶接质量、强度、重量和透气性的影响。结果表明:两种修补方法配合贴片加强后均可满足结构的胶接质量和设计许用强度要求;采取挖补方法不会影响原有结构的透气性,试件停止抽真空后压力恢复时间不到2 s,且修补增重最小;采取侧向定位注胶修补方法对原有结构4.5 mm高度外的透气性基本没有影响,试件停止抽真空后压力恢复时间约为4 s,但修补增重略大;采取竖直注胶修补方法对原有结构的透气性影响最大,修补区域或有1/3的蜂窝格孔会被胶液完全填充,因此试件停止抽真空后压力恢复时间最长,约为9 s,且修补增重最大。所得结果可为优化产品修补工艺提供参考。

挖补修理复合材料层合板静力压缩与疲劳性能试验研究

苏雨茹, 关志东, 王鑫, 张书铭, 黎增山

2021, 0(5): 98-103. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.015

摘要 ( 89 )

PDF (5867KB) ( 66 )

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挖补修理是应用较广的复合材料结构永久性修理方法。本文对热补仪固化的湿铺层挖补修理和预浸料挖补修理复合材料层合板的静力压缩和压-压疲劳性能进行试验研究。试件挖补斜度为1∶30,有3种损伤大小。疲劳试验的峰值和谷值为70%和7%限制载荷,共100万次。疲劳过程中采用无损C扫描检测试件的损伤及扩展情况。记录静力及疲劳后静力的应变数据、破坏载荷及破坏模式。试验结果表明:两种修理方式的试件在疲劳过程中均未出现损伤及扩展现象,疲劳后试件刚度未有降低;修理方式、是否经过疲劳和损伤大小对试件的屈曲载荷和破坏载荷没有影响;端部压溃试件比中部折断试件破坏载荷更高;两种修理方式的破坏载荷均可达限制载荷的200%以上,修理效果较为理想。

配合间隙对蜂窝夹层结构板芯胶接质量的影响与研究

刘志杰, 张艳芳, 刘安黎, 冷卫红, 何凯

2021, 0(5): 104-109. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.016

摘要 ( 112 )

PDF (4470KB) ( 129 )

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设计制作了一系列带有不同配合间隙的蜂窝夹芯结构试验件,并对试验件的内部性能和机械性能进行了测试,分析了配合间隙对蜂窝夹层结构胶接性能的影响。研究发现当蜂窝芯与面板的配合间隙大于胶膜的厚度时就会发生板芯脱粘;当使用发泡胶对配合间隙部位进行局部补偿时,可以获得合格的板芯胶接质量,且不降低结构的机械性能;对配合间隙使用胶膜校验检测时,低真空度有利于校验结果的可靠性,从而确保板芯的胶接质量;且蜂窝芯型面加工成阶梯状相比斜平面更有利于板芯胶接的质量。

石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的研究进展

李丽丽, 李青, 肖文刚, 柴朋军

2021, 0(5): 110-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.017

摘要 ( 117 )

PDF (3718KB) ( 133 )

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环氧树脂是一种常用的热固性树脂基体,在国民经济中发挥着重要的作用。近年来,将综合性能优异的石墨烯引入环氧树脂中制备石墨烯/环氧树脂纳米复合材料成为一个重要的研究课题。本文综述了近五年来石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的研究进展。首先,介绍了石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的常用制备方法。其次,重点总结了石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的力学性能、耐热性能、导热性能、导电性能、介电性能、阻燃性能、防腐性能。然后,简述了石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的应用现状。最后,指出了该领域目前所存在的问题,并展望了其发展趋势。

石墨烯及其衍生物在碳纤维增强复合材料中的处理技术及应用

王淑霞, 于航, 商云龙, 郭建军

2021, 0(5): 120-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.018

摘要 ( 147 )

PDF (4410KB) ( 157 )

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石墨烯及其衍生物(GRM)因其独特的二维片层全碳芳族结构,高纵横比、柔韧性好、机械强度优异等特性,可显著提高碳纤维增强复合材料(CFRP)的界面浸润性和界面粘接力,并赋予复合材料多种功能性,近年来受到人们的广泛关注并对其开展了相关研究。本文从GRM和碳纤维起源入手,聚焦GRM在CFRP中的处理技术,分别对GRM添加到聚合物基体中和GRM在碳纤维表面改性中处理技术的国内外研究现状进行了文献综述,并对CFRP-GRM在不同领域中的应用前景和难点进行了探讨,最后展望了CFRP-GRM的应用潜力和研究趋势。

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