复合材料科学与工程

詹瑒, 李奔奔, 崔璟, 杨亚强

2021, 0(8): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.001

摘要 ( 161 )

PDF (1129KB) ( 119 )

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通过试验数据详细考察了目前用于预测工字形截面FRP杆件局部屈曲临界力的7种方法,即Kollar、Qiao、Cardoso、Pecce、美国土木工程师协会(ASCE)、Strongwell与Creative公司给出的7种计算方法的预测精度及性能。结果显示:ASCE与Cardoso建议预测方法的平均绝对误差均较大(分别为53%和49%),且预测值远低于试验值,过于保守;Strongwell公司建议预测方法的平均绝对误差高达60%,且预测值远高于试验值,过于不安全;Pecce与Creative公司建议方程均以ASCE建议方程为基础,通过相应的系数提高方程的预测精度,然而此种方法并不能体现FRP杆件局部屈曲失效的力学机理,且相应的系数并没有确切的物理意义,其预测平均绝对误差分别为17%和15%;Kollar和Qiao均采用离散板元法推导了预测方程,并充分考虑了腹板和翼缘之间的约束刚度对杆件局部稳定性能的影响,其预测平均绝对误差分别为17%和18%。考虑到预测方程的物理意义及预测精度,推荐采用Kollar建议方程预测FRP杆件局部屈曲临界力。

基于模态声发射的碳纤维增强复合材料损伤机制识别

张宏远, 蒋鹏, 宋佳宇, 李伟, 张志远, 李彩瑞, 闫孝伟

2021, 0(8): 11-17. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.002

摘要 ( 102 )

PDF (7524KB) ( 80 )

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针对碳纤维增强复合材料(CFRP)损伤机制复杂、损伤声发射信号识别困难的问题,本文提出了一种基于模态分离方法的CFRP损伤信号识别分类算法,可实现CFRP损伤声发射信号的模态表征。首先,基于CFRP层合板模拟声源模态分析结果设计不同范围的数字滤波器,实现了声发射信号中的S₀、A₀模态分离;随后,根据纤维断裂和基体开裂单一损伤信号的模态特征,建立了损伤信号的识别分类算法,并验证了其对单一损伤信号的分辨率;最后,利用算法对层合板面内弯曲损伤信号进行分析,验证其在CFRP完整结构损伤信号识别中的有效性。结果表明,该算法在纤维断裂和基体开裂试验中的分辨率分别高达97.3%和92%,同时也实现了CFRP层合板的损伤过程表征,证明其可实现CFRP完整结构损伤机制的识别。

格构腹板增强泡沫夹芯复合材料梁准静态压陷试验

黎冲, 方海, 祝露, 钱震, 李晓龙

2021, 0(8): 18-24. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.003

摘要 ( 94 )

PDF (7211KB) ( 93 )

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采用真空导入成型工艺,制备以聚氨酯泡沫为芯材,以玻璃纤维增强复合材料为面板和格构腹板的双向格构腹板增强泡沫夹芯复合材料梁。对普通泡沫夹芯梁和格构腹板增强泡沫夹芯梁进行准静态压陷性能测试并进行对比分析。结果表明:格构腹板增强泡沫夹芯梁相对于普通泡沫夹芯梁,其抗压陷能力得到了显著提升,通过理论推导得出格构腹板增强泡沫夹芯复合材料梁准静态压陷表达式,并且与试验进行对比,结果较吻合。

基于模态应变能与频率融合方法的功能梯度欧拉伯努利梁损伤识别研究

梁福安, 黄君, 黄立新

2021, 0(8): 25-30. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.004

摘要 ( 116 )

PDF (1343KB) ( 82 )

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针对功能梯度欧拉伯努利梁,本文提出了融合结构模态应变能和自振频率的损伤识别新方法。首先通过有限元方法计算得出功能梯度欧拉伯努利梁的自振频率和振型模态参数,然后基于单元模态应变能融合了自振频率,构造了模态频率应变能的计算公式。通过计算出梁结构损伤前后单元模态频率应变能的变化,定义了单元的损伤识别指标。数值算例表明,功能梯度欧拉伯努利梁的损伤识别新方法能够把梁结构存在的损伤单元有效地识别出。从损伤识别结果可以看出该新方法具有较好的抗噪声性能。

乙烯基聚硅氮烷/苯并噁嗪反应机理研究

许亚丰, 宋金梅

2021, 0(8): 31-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.005

摘要 ( 116 )

PDF (4544KB) ( 55 )

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采用乙烯基聚硅氮烷(PSN)与纯化后的苯并噁嗪单体(BZ)熔融共混杂化制备了一种兼具可陶瓷化和较高力学性能的PSN/BZ热熔树脂。通过分步骤多因素控制变量的DSC实验对比分析PSN、BZ、DCP三种成分对PSN/BZ反应性的影响,通过非等温DSC研究了PSN/BZ的固化反应动力学,通过IR和DSC综合分析PSN/BZ官能团演变从而表征PSN/BZ固化反应机理。结果表明,PSN/BZ的固化反应机理主要为PSN在DCP引发下发生C=C打开加成聚合,N-H键间脱氨缩合反应,BZ在高温引发下发生开环聚合。同时BZ聚合物中的酚羟基与PSN中的Si-N键也可以部分反应生成Si-O-Si。PSN/BZ固化反应近似一级反应,固化反应级数非整数,证明固化过程较为复杂,其活化能较低,反应易进行,但固化温度相对较高。

玄武岩纤维改善混凝土拉伸性能分析

贺晶晶, 师俊平, 张勇, 狄圣杰, 卢浩丹, 刘潇敏

2021, 0(8): 39-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.006

摘要 ( 106 )

PDF (2591KB) ( 81 )

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基于试验研究,讨论了纤维体积掺加率、纤维长度对玄武岩纤维混凝土(BFRC)拉伸强度、拉伸应变的影响规律,分析了玄武岩纤维混凝土拉伸破坏形态。试验结果表明:纤维体积掺加率对BFRC拉伸强度有显著提升作用,而纤维长度对BFRC拉伸应变有明显增强效应。BFRC断裂面粗糙度系数随纤维体积掺加率增大呈幂函数关系降低趋势,粗糙度系数可作为纤维改善混凝土拉伸性能评价指标。

高温对几种有机高性能纤维力学性能及结构的影响

林婷婷, 邵慧奇, 蒋金华, 陈南梁, 刘时海

2021, 0(8): 44-49. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.007

摘要 ( 149 )

PDF (3292KB) ( 149 )

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轻质高强、温度适应范围广的有机高性能纤维常应用于高温过滤、国防军事、特殊防护、航空航天等领域。为探究几种有机高性能纤维的耐热性能及结构变化,采用扫描电子显微镜、热重分析仪、傅里叶红外光谱仪研究了聚酰亚胺纤维(PI)、聚芳酯纤维(PAR)Vectran^®、聚芳酯纤维(PAR)Yokolar^®和芳纶Ⅲ纤维在200 ℃~350 ℃高温下处理一定时间后的表面形貌、拉伸性能、化学结构变化。结果表明:PI、Vectran^®、Yokolar^®和芳纶Ⅲ单纤维拉伸断裂应力分别为3.3 GPa、4.0 GPa、3.9 GPa和5.0 GPa,经过200 ℃~350 ℃高温条件长时间处理后,PI纤维表面无明显缺陷,其余三种纤维沟槽、颗粒等缺陷结构增多;PI纤维的红外光谱图特征峰没有特别明显的变化,相应官能团未被高温完全破坏,其他三种纤维红外光谱图中特征峰强度有不同程度减弱或消失,有化学键发生断裂;耐热性能PI>芳纶Ⅲ>Vectran^®>Yokolar^®,质量损失5%时对应的温度分别为529 ℃、506 ℃、472 ℃和445 ℃;分子链的断裂和表面缺陷增多是纤维力学性能下降的关键影响因素。

起圈织物泡沫夹芯复合材料低速冲击性能研究

崔为运, 陈广思, 熊信发, 彭锦峰, 蔡登安, 周光明

2021, 0(8): 50-59. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.008

摘要 ( 130 )

PDF (16223KB) ( 62 )

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根据ASTM试验标准D7136,采用落锤冲击试验对起圈织物泡沫夹芯复合材料(U-cor)进行低速冲击试验研究。采用聚氨酯发泡工艺制备了四种夹芯密度、两种夹芯厚度、三种面板铺层的试验件,分别在5 J、10 J、15 J能量下进行冲击试验。试验结果表明:在较低能量冲击下,当夹芯密度较高时,接触力时间历程曲线接近于一条沿顶点对称的二次曲线;当冲击能量增加到一定程度后,含起圈织物夹芯板相比较同型号传统平纹织物夹芯板,最大接触载荷增加;由于起圈织物泡沫夹芯复合材料特殊的成型工艺,当夹芯的平均密度相同时,夹芯厚度的增加会带来冲击面附近局部刚度的增加,进而导致不同厚度夹芯板冲击响应存在较大差异以及抗冲击性能增加。

高超音速弹用承载/烧蚀一体化复合材料弹翼研究

祖磊, 陆金虎, 张骞, 张桂明, 吴乔国, 王华毕

2021, 0(8): 60-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.009

摘要 ( 120 )

PDF (8218KB) ( 77 )

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本文针对某型导弹的复合材料弹翼结构进行了设计,根据其耐烧蚀性能及刚度性能要求,提出外层铺放一层耐烧蚀功能层材料,内层铺放承载层材料,功能层与承载层采用共固化的模压成型工艺方案。通过烧蚀试验证明硼酚醛树脂的耐烧蚀性能较好,因此采用硼酚醛树脂预浸料作为弹翼功能层,以环氧树脂预浸料作为承载层;制备弹翼,对其进行烧蚀及力学性能试验,结果均满足要求;通过ABAQUS有限元分析软件,对弹翼力学性能进行数值模拟,最大变形量位于弹翼后上部,仿真结果与试验结果吻合较好,误差率为6.47%。与传统铝合金弹翼进行对比,采用复合材料弹翼可以减重42.8%,优势明显。

不同纤维增强复合材料加固混凝土短柱轴心受压承载力试验研究

郭晓云, 陈杰, 唐永明

2021, 0(8): 66-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.010

摘要 ( 117 )

PDF (2910KB) ( 54 )

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对70个混凝土短柱试件进行轴心受压试验,其中未加固素混凝土方柱和圆柱各5个,纤维增强复合材料外包约束素混凝土方柱、圆柱各30个。根据试验结果对比分析了CFRP、GFRP和BFRP对不同截面形状素混凝土短柱采用不同层数进行外包加固后对混凝土短柱轴压承载力的提高效果,并采用我国《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2013)和美国《FRP加固混凝土设计指导规范》(ACI 440.2R-17)中FRP外包加固混凝土柱承载力公式计算了加固试件的受压承载力设计值,通过对比试验结果,分析了中美规范中FRP加固柱承载力设计值的安全储备,并提出FRP加固混凝土规范的修订建议。

纤维改性水泥稳定铁尾矿砂的无侧限抗压性能研究

姜屏, 杨建冬, 李娜, 钱健

2021, 0(8): 73-79. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.011

摘要 ( 92 )

PDF (5023KB) ( 40 )

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铁尾矿砂的资源化利用是降低尾矿库存风险和节约建筑材料的有效措施。分别采用聚丙烯纤维和玻璃纤维对水泥稳定铁尾矿砂(CIT)进行改性处理,其中纤维掺量分别为0、0.25%、0.5%、0.75%、1%,养护龄期分别为7 d和28 d。通过脆性指数、模强比、韧度指数三个力学性能指标表征纤维改性水泥稳定铁尾矿砂(FCIT),并通过扫描电镜(SEM)试验对纤维作用机制进行分析。研究结果表明:玻璃纤维的最优掺量为0.5%,而聚丙烯纤维的最优掺量为1%。在最优掺量的情况下,玻璃纤维和聚丙烯纤维对CIT无侧限抗压性能的作用基本一致。在相同纤维掺量的情况下,7 d养护龄期无侧限抗压强度和韧度指数低于28 d,不掺纤维时养护龄期对CIT的脆性指数作用不明显。纤维对CIT的作用机制可分为拉拔作用、交织作用和团聚作用。

基于工业机器人的碳纤维预浸带成型设备设计与试验

阎冬, 胡业发, 张锦光, 马泽超, 付凯

2021, 0(8): 80-84. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.012

摘要 ( 108 )

PDF (5538KB) ( 85 )

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为实现不同零件的缠绕铺放成型加工并满足柔性制造的需求,本文提出了一种基于KUKA机器人的碳纤维预浸带成型设备设计方案。本文首先提出了设备总体方案,其次分别介绍了该设备的不同结构原理,然后介绍了该设备的工作流程,最后展示该成型设备的实物并通过试验验证了该设备可以运用到实际生产加工中。

玄武岩纤维纳米SiO₂增强混凝土力学性能试验研究

任莉莉

2021, 0(8): 85-90. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.013

摘要 ( 131 )

PDF (2571KB) ( 87 )

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以玄武岩纤维体积掺量和纳米SiO₂取代率为考虑因素,通过立方体抗压强度、劈裂抗拉强度以及抗折强度试验,研究了玄武岩纤维与纳米SiO₂增强混凝土的力学性能。研究发现:玄武岩纤维的掺入改变了纳米SiO₂混凝土的破坏形式;复合掺入玄武岩纤维与纳米SiO₂时,混凝土基体的立方体抗压强度、劈拉强度与抗折强度均有一定的提高。纤维体积掺量为0.10%的玄武岩纤维与取代率为1.0%的纳米SiO₂共同掺入时,玄武岩纤维纳米SiO₂混凝土的立方体抗压强度与抗折强度增强效果最优;当玄武岩纤维体积掺量为0.15%、纳米SiO₂取代率为1.5%时,玄武岩纤维纳米SiO₂混凝土的劈拉强度增强效果最优,较素混凝土提高了22.97%,基于试验数据建立了玄武岩纤维掺量纳米SiO₂增强混凝土的立方体抗压强度预测模型。

C/C复合材料SiC-Mo(Si,Al)₂涂层结构和抗氧化性能研究

侯党社, 李克智

2021, 0(8): 91-94. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.014

摘要 ( 116 )

PDF (5719KB) ( 76 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

采用高温原位反应法在C/C复合材料表面制备了SiC-Mo(Si,Al)₂防氧化复合涂层,用XRD、SEM测试表征了其物相组成和显微结构,对制备粉料中铝硅含量对涂层微观结构和抗氧化能力的影响进行了研究,分析了涂层失效原因。研究结果表明:添加Al粉使涂层制备过程粉料浸渗能力增强;Al、Si原子比为1∶10时所得到的复合涂层主要有Mo(Si,Al)₂、MoSi₂、SiC和游离Si等物相,具有较大的厚度和致密的结构,体现出良好的抗氧化性能。随着氧化的进行,SiO₂玻璃层出现的孔洞加速了涂层材料损耗,导致涂层中出现贯穿性裂纹,是涂层失效的主要原因。

夹层结构榫卯T型接头弯曲破坏机理试验研究

张宽, 郭晓宁, 张晓晶

2021, 0(8): 95-99. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.015

摘要 ( 65 )

PDF (3331KB) ( 82 )

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本文针对复合材料蜂窝夹层结构榫卯胶接T型接头,进行了弯曲破坏模式和承载能力的试验研究。试验研究了不同榫头宽度、不同榫头数量的五种T型接头试验件,绘制了弯矩-位移曲线图。弯曲试验结果表明:T型接头试验件的破坏包括榫肩区域的胶接面拉伸破坏和榫头区域上面板胶接面剪切破坏或面板拉断。在加载过程中榫肩区域首先发生脱黏,榫头区域承担大部分载荷,最后榫头区域上面板与底板脱黏或面板被拉断。参数研究结果表明:对于复合材料蜂窝夹层结构榫卯胶接T型接头,增加榫头宽度和榫头数量能显著增加T型接头的弯曲刚度,对提高T型接头的弯曲承载能力也有重要贡献。

面向风电叶片制造工艺研究及创新体系的思考

赵立岩, 刘妍, 王向东, 徐俊

2021, 0(8): 100-104. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.016

摘要 ( 153 )

PDF (1375KB) ( 77 )

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风电叶片制造工艺系统的合理性对于新品开发、制造、型号的成功投产影响深远。参考航空工艺研究体系,结合风电叶片实际情况,总结出大型复合材料构件-风力发电叶片工艺系统的逻辑结构及组织特征,形成面向风电叶片制造的工艺设计逻辑。最终,构建了面向制造的工艺研究及创新体系,提出风电叶片工艺数据库、基于工艺参数驱动设计、面向实体制造、高效管控等方面的设想,并阐述了具体内容,为大型复合材料构件-风电叶片的工艺能力建设及创新提供有效支持。

复合材料帽型加筋壁板结构VARI工艺模拟与制造技术研究

陈吉平, 钟震超, 刘宇婷, 郑义珠, 宁博

2021, 0(8): 105-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.017

摘要 ( 102 )

PDF (15179KB) ( 43 )

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采用PAM-RTM软件,对帽型加筋壁板结构进行了树脂流道仿真与设计。过程中,分别对注射口和溢料口在蒙皮、筋条等典型区域的分布位置和数量,树脂重力及注射溢料开关顺序对壁板树脂渗透效果及注射时间的影响进行了分析对比。仿真结果表明:采用蒙皮边缘两端注射帽顶溢料、从零件边缘向中央区域依次关闭溢料口的流道设计,零件出现缺陷的概率最小。以此仿真结果为参考,开展了帽型筋条壁板VARI工装设计与制造,最终通过零件成型及质量检测验证了仿真分析结果的有效性。

碳纤维/聚醚酮酮界面强度影响因素的研究进展

张凤, 焦梦晓, 李博澜, 张骁骅

2021, 0(8): 112-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.018

摘要 ( 104 )

PDF (3859KB) ( 80 )

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碳纤维(CF)增强聚醚酮酮(PEKK)复合材料具有强度高、韧性好、工艺简易等优点,已成为一种极具潜力的热塑性复合材料。现有方法制备的复合材料中CF和PEKK的界面黏结强度依然不高,给其实际应用造成了困难。本文对CF/PEKK复合材料研究现状进行总结,通过分析界面结构及性能对应力传递所发挥的作用,归纳影响界面强度的关键因素。其中浸润理论、化学键理论、物理吸附理论可有效用于界面改性的机理分析。而针对CF/PEKK复合材料,可通过调节PEKK分子中的对苯和间苯比例或发展聚醚酮类上浆剂来进一步提高其界面性能。

酚醛树脂耐热改性的研究进展

许国娟, 陈敬菊, 潘天池, 张力

2021, 0(8): 120-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.019

摘要 ( 196 )

PDF (2421KB) ( 304 )

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酚醛树脂具有优异的耐热抗烧蚀性能、良好的力学性能、突出的阻燃性能,在航空航天、摩擦材料、防火阻燃等领域得到了广泛地应用。提高酚醛树脂的耐热性一直是业内研究的热点,本文对近年来酚醛树脂的耐热改性方法进行了综述,包括结构改性、纳米掺杂、捕捉挥发分、可陶瓷化,其中,重点总结了结构改性方法。最后,对该领域所存在的问题进行了概述,并展望了其发展前景。

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