复合材料科学与工程

张晨曦, 娄源峰, 铁瑛, 丛世凡, 李要磊

2021, 0(10): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.001

摘要 ( 143 )

PDF (5312KB) ( 94 )

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本文针对CFR平纹机织材料层合板低速冲击及冲击后压缩(CAI)响应和损伤问题,提出了一种渐进均匀化多尺度分析方法。基于渐进均匀化方法分别算出微观纤维束和介观子胞的等效强度和刚度,在这个基础上,采用三维Hashin失效准则以及连续损伤力学模型来模拟CFR平纹机织材料层合板的损伤起始和演化,用内聚力模型来模拟层间损伤。研究结果表明:CFR平纹机织材料低速冲击后压缩的仿真结果和试验结果吻合较好,验证了渐进均匀化多尺度方法的可靠性和准确性;随着冲击能量的递增,层合板的剩余压缩强度呈非线性下降。纤维损伤和基体损伤在低速冲击载荷下,随着冲击能量的增加,冲击损伤面积增大。而CAI行为则相反,压缩损伤面积随着冲击能量的增大而减小。

碳纤维混凝土动态力学特性试验研究

吴伟, 冯虎

2021, 0(10): 13-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.002

摘要 ( 125 )

PDF (2654KB) ( 112 )

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为探究碳纤维混凝土在动载作用下的安全性,采用非金属超声波检测仪测量不同掺量下碳纤维混凝土试件纵波波速,采用扫描电镜试验观测碳纤维与混凝土间的黏结方式,并利用直径为74 mm的变截面分离式霍普金森压杆试验装置在不同应变率下对四种不同碳纤维掺量混凝土试件进行冲击压缩试验,分析其应力-应变曲线、峰值应力、极限应变和DIF(动态强度增强因子)变化规律。结果表明:随着碳纤维掺量的增加,试件纵波波速随之增大,碳纤维能够在混凝土试件内部形成空间网状结构,增强试件整体性;相同碳纤维掺量下,随着应变率的增大,试件峰值应力、极限应变和DIF都随之增大,试件存在明显的应变率效应;相同应变率作用下,随着碳纤维掺量的增加,试件峰值应力先增大后趋于定值,两者呈现出很好的二次函数关系,DIF随之增大,极限应变随之减小,两者呈现线性关系,碳纤维对混凝土试件的强度和整体性存在显著提高。

复合材料蜂窝夹芯结构紧固件连接拉脱失效行为研究

王汝, 王蔓, 白瑞祥

2021, 0(10): 19-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.003

摘要 ( 129 )

PDF (4183KB) ( 107 )

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结合数值仿真计算和试验研究,得到了复合材料蜂窝夹芯结构紧固件连接在拉脱载荷作用下的破坏形式及承载能力,揭示了相应的失效机理。介绍了复合材料夹层结构的刚度理论,并建立了有限元模型,数值预测了结构的失效模式与极限载荷,通过与试验结果的对比,证明了本文数值模拟方法的有效性。试验与数值计算结果均表明复合材料蜂窝夹芯结构的失效区域主要集中于连接区域,故为提高结构承载能力,尝试将连接区域的蜂窝挖空后进行灌封,并对此局部灌封形式的复合材料蜂窝夹芯结构进行数值计算,结果表明,采用对复合材料蜂窝夹芯结构连接区域蜂窝灌封的方式,其性能要优于挖空蜂窝灌封的结构,承载能力有显著提高。

基于非线性Lamb波混频模式的复合材料低速冲击损伤研究

丛世凡, 铁瑛, 张晨曦, 尹振华

2021, 0(10): 26-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.004

摘要 ( 105 )

PDF (4512KB) ( 84 )

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针对复合材料中由于低速冲击产生的不可见损伤,建立了混频检测有限元模型,以预测不同冲击能量下复合材料的超声非线性混频响应。采用落锤冲击实验和RAM-5000 SNAP非线性超声检测实验系统研究非线性混频Lamb波与不同冲击能量冲击损伤的复合材料的相互作用关系,并对有限元模型进行对比验证。探讨了混频Lamb波检测冲击损伤的可行性,以及不同冲击能量对混频Lamb波和频非线性系数的影响。研究结果表明:混频Lamb波可用于检测冲击损伤,其和频幅值及和频非线性系数随着冲击能量的增大而增大,和频非线性系数可以有效评估复合材料板受到的冲击损伤情况。

以弹性模量为指标的CFRP网格单肢耐久性试验研究

李家兴, 杨勇新, 贾彬, 李彪, 黄辉, 赵进阶, 王涛

2021, 0(10): 34-41. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.005

摘要 ( 71 )

PDF (4224KB) ( 45 )

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FRP耐久性试验常以破坏性试验测量的极限强度为指标衡量FRP的性能退化,但FRP作为高分子材料,性能受到制作工艺、成分配比等诸多因素影响,材料个体差异性较大,不同阶段破坏性试验数据离散性较大;因此本文以弹性模量为指标的FRP耐久性试验,进行了水溶液、海水溶液、海水干湿循环三种工况下CFRP网格单肢耐久性破坏性试验和同体试验,利用材料腐蚀区与未腐蚀区应变一致原则建立弹性模量与抗拉强度之间的转换关系;相比传统耐久性破坏性试验方法,同体测试方法具有数据波动小、数据基准一致、试验成本低、节约材料等优点。结果表明:老化360 d,弹性模量保留率分别为96.9%、96.8%、96.1%,抗拉强度保留率分别为93.8%、89.8%、89.1%,CFRP在水浸环境中耐久性较好;采用弹性模量衡量耐久性与抗拉强度耐久性试验结果规律相似,且可以通过转化关系相互转化;用基于同体测试方法测得的弹性模量与抗拉强度关系建立的耐久性预测模型来评价FRP耐久性的方法更加合理与科学。

玄武岩织物网格-纤维水泥基复合层拉伸性能试验研究

廖维张, 王俊杰, 王秋婉

2021, 0(10): 42-50. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.006

摘要 ( 97 )

PDF (6872KB) ( 19 )

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玄武岩织物-纤维水泥基复合材料(BFRP-FRCM)复合层具有拉伸应变硬化、多裂缝破坏、变形能力好等优势,已成为当前结构修复与加固工程的首选材料之一。通过单轴拉伸试验研究不同FRCM配比、不同纤维种类和不同玄武岩网格层数对复合层拉伸力学性能的影响。结果表明:BFRP-FRCM复合层在掺入PVA(聚乙烯醇)纤维、PE(聚乙烯)纤维时具有明显的拉伸应变硬化效应,掺入PP(聚丙烯)纤维的复合层试件呈现拉伸软化效应。掺入PE纤维的BFRP-FRCM复合层最大极限拉应变可达3.95%,远高于普通砂浆材料的极限拉应变。复合层的纤维网格掺入量存在最优值。

碳纤维复合材料的激光超声测厚技术影响因素

曹文嘉, 陈友兴, 赵霞, 柴华淇

2021, 0(10): 51-55. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.007

摘要 ( 82 )

PDF (2082KB) ( 93 )

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碳纤维复合材料具有显著的高比强度和高比模量,已成为飞行器结构材料的首选。碳纤维复合材料厚度的均匀性会严重影响飞行器的正常工作。本文采用激光超声脉冲反射法对碳纤维复合材料的厚度进行测量,实现复合材料的非接触式测量,并分别研究了不同透镜、不同直径的光斑和不同功率的光源对测厚信号的影响。检测结果表明:在控制相同能量的激光脉冲激励下,使用直径小的光斑能激发振幅较高的超声回波信号;使用凸透镜聚焦产生的超声信号幅值高于柱面透镜聚焦产生的超声信号幅值,且测量碳纤维复合材料厚度的相对误差小于5.3%;在无外加光的暗室下进行测量实验,背景噪声对底面反射回波信号干扰小。

基于二维三轴编织的中空筒体复合材料制造技术研究

罗维, 程勇, 杨永忠, 郭强, 彭珂

2021, 0(10): 56-60. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.008

摘要 ( 74 )

PDF (6098KB) ( 61 )

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编织复合材料因其预成型过程自动化程度高、织物整体性好、可近净成型、结构设计灵活等优势,结合树脂传递模塑(RTM)、真空辅助树脂浸渍(VARI)等液体成型工艺可实现异型管类复合材料结构的快速低成本制备,是未来低成本复合材料发展的一个方向。本文对二维三轴编织复合材料的结构特点、国内外应用情况进行了介绍,并结合实际工程案例,阐述了典型二维三轴编织复合材料基本力学性能及典型复合材料变截面筒体的研制过程,验证了其工程应用的可行性。

热塑性复合材料点阵铺放工艺对层间剪切强度的影响研究

梁宜楠, 杨睿, 王俊龙, 张博

2021, 0(10): 61-66. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.009

摘要 ( 103 )

PDF (8424KB) ( 52 )

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为实现基于自动铺放原位成型工艺的热塑性复合材料点阵结构制备,本文将细观尺度热塑性复合材料层合板作为代表,以提高其力学性能为目标,基于试验对细观尺度自动铺放原位成型工艺开展研究,具体包括结合单因素法与响应曲面法设计试验方案,以层间剪切强度(ILSS)与微观形貌为表征方法,分析自动铺放原位成型工艺参数对层合板力学性能的影响规律并建立预测模型,结果表明,试验范围内铺放速度对ILSS的影响最大,铺放压力其次,铺放温度最小,且因素间存在交互作用,试件ILSS随铺放压力与温度的增加呈现先上升后下降的趋势,随铺放速度增加而下降,试验范围内最优工艺参数组合为铺放压力为14 N,铺放温度为408 ℃,铺放速度为60 mm·min^-1。

碳纤维复合材料轨道车辆结构的设计分析

王成雨, 彭晓博, 杨杰

2021, 0(10): 67-73. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.010

摘要 ( 72 )

PDF (9033KB) ( 58 )

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车体的轻量化是轨道交通车辆未来发展的方向之一,碳纤维复合材料是车体轻量化设计的优选材料。本文介绍了一种全碳纤维复合材料车体的轻量化设计,包括整车结构设计和连接设计。通过有限元方法对复合材料整车结构的强度、刚度以及模态进行了校核。进一步对碳纤维复合材料的力学性能进行了评价。并按照一体化成型和模块化的思维,采用真空辅助成型工艺在烘箱环境下制备复合材料车体试验段,验证了车体的结构设计和制造技术的可行性。研究结果表明:①碳纤维复合材料车体的设计应综合考虑材料特性、车体结构和承载方式,减少零部件数量和连接,实现车体的一体化成型;②碳纤维复合材料在车体制造上能够较大幅度减少车体质量。本文设计的碳纤维复合材料车体在满足车体强度、刚度和模态标准的前提下,全碳纤维复合材料车体相比传统铝合金车体减重42%。

不同钻尖几何角度平前刀面麻花钻对CFRP制孔的影响

刘礼平, 连波, 朱学明, 周长庚, 夏平锋

2021, 0(10): 74-82. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.011

摘要 ( 73 )

PDF (11357KB) ( 35 )

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针对钻削碳纤维复合材料时存在的出入口质量较差问题,提出使用一种新型的平前刀面麻花钻作为钻削刀具对碳纤维复合材料进行钻削,分析螺旋角、顶角和后角等几何角度对轴向力和出入口质量的影响规律。研究表明螺旋角和后角的增加可以减小轴向力,顶角的增加会增大轴向力。入口损伤受顶角与螺旋角影响较大,较大螺旋角和较小的后角可以抑制出口毛刺的形成。最后得出平前刀面麻花钻钻削碳纤维复合材料的钻头最佳角度。

碳纤维表面处理对液体成型碳纤维增强MC尼龙复合材料力学性能的影响

胡斌斌, 王少飞, 蔡超迁, 黄壮, 马禹, 张辉

2021, 0(10): 83-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.012

摘要 ( 82 )

PDF (7762KB) ( 40 )

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本论文采用真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI),通过己内酰胺原位阴离子聚合的方法制备了连续碳纤维增强浇铸(MC)尼龙的复合材料,并系统研究了丙酮去浆处理、气相氧化处理、偶联剂处理和火焰处理四种不同碳纤维织物表面处理方式的碳纤维表面的O/C比和微观形貌以及复合材料的力学性能、表面形貌和碳纤维体积分数。结果表明:对碳纤维表面进行偶联剂涂层处理,此碳纤维制备的复合材料的力学性能较其他处理方式的碳纤维制备的复合材料而言力学性能最优,其拉伸强度达到595.5 MPa,弯曲强度达到330.7 MPa,层间剪切强度达到30.6 MPa;此条件下碳纤维表面的O/C比达到44.51%,复合材料的碳纤维体积分数达到51.4%。

塑料内胆复合材料气瓶有限元分析与爆破试验

胡正云, 陈明和, 翁益明, 潘勃

2021, 0(10): 89-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.013

摘要 ( 123 )

PDF (2748KB) ( 176 )

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本文针对塑料内胆70 MPa碳纤维全缠绕气瓶进行铺层设计、模拟仿真分析与爆破试验研究。首先,基于网格理论对塑料内胆气瓶进行铺层设计;接着,采用ABAQUS建立气瓶的内胆模型与复合材料层模型;然后,通过UMAT子程序定义了气瓶筒身段与封头位置复合材料属性,基于Hashin损伤理论定义了渐进损伤模型,用于预测气瓶爆破压力;最后,对气瓶进行了爆破试验,并在试验过程中使用应变片采集了气瓶加载过程中的应变情况。结果表明,渐进损伤模型预测的爆破压力与试验结果的误差在10%之内,且预测的爆破位置与试验结果一致。

碳纤维/乙烯基树脂预浸料双真空袋成型工艺研究

张毅, 杨瑞瑞, 郭万涛, 陶红波

2021, 0(10): 96-100. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.014

摘要 ( 99 )

PDF (6812KB) ( 95 )

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本文使用乙烯基树脂预浸料以双真空袋成型工艺制备复合材料,研究了阶梯固化制度对制品力学性能及孔隙率的影响,当固化工艺为100 ℃/3 h+140 ℃/4 h,且在固化前期维持内层袋膜真空度为-0.075 MPa 2 h时,成型4 mm厚层合板力学性能最好,孔隙率最低为0.45%,成型10 mm厚层合板时,孔隙率为1.75%,也小于2%,证明了该工艺成型厚板的可行性。

风电叶片自动转运车设备设计开发

陈晓亮, 李国良, 颜晨, 崔俊伟

2021, 0(10): 101-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.015

摘要 ( 81 )

PDF (3085KB) ( 95 )

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随着风电叶片大型化的发展,叶片在风叶厂厂区内的转运难度越来越大。当前叶片转运仍采用传统的无动力小车,即叶根小车以叉车为牵引动力源进行驱动及转向,叶尖小车以人工手动掌舵为转向动力,以叶片摩擦拖动为牵引力。整个转运过程用工人数多、安全风险大、转运操作难度大、转运效率低。在此情况下,风电叶片自动转运车的开发成为各风电叶片生产企业的一致目标。本文主要讨论了一种新的风电叶片自动转运车设备,该设备主要包括叶根与叶尖转运小车车体、小车驱动系统、两车控制系统、两车联动纠偏系统、液压自动升降系统、安全避障系统等部分。自动转运车设备的应用可有效降低风电叶片的转运难度、降低叶片转运的安全风险、降低风电叶片制造成本、提升叶片制造行业的智能化水平。

制样基体树脂及固化张力对碳纤维复丝拉伸性能的影响

袁超, 邱启艳, 陈静

2021, 0(10): 107-110. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.016

摘要 ( 86 )

PDF (857KB) ( 99 )

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针对碳纤维复丝拉伸性能测试的制样过程,通过采用不同基体树脂、施加不同丝束固化张力进行T300B、T700SC及T800H三种碳纤维复丝拉伸性能测试值影响因素研究。结果表明:碳纤维复丝拉伸性能的测试值与基体树脂的黏度相关不明显,而与基体树脂的断裂伸长率密切相关,在基体树脂断裂伸长率不超过测试纤维4倍的条件下,基体树脂的断裂伸长率越高,越有利于保证碳纤维复丝力学性能的测试值准确;适当增加碳纤维复丝制样过程中的纤维固化张力,能提高碳纤维复丝力学性能的测试值,碳纤维丝束越大,需要的固化张力越高。

SiO₂基刚性透波隔热瓦的制备与性能

肖沅谕, 柴笑笑, 牛作哲, 李松

2021, 0(10): 111-115. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.017

摘要 ( 107 )

PDF (3412KB) ( 84 )

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本文采用石英纤维、硅溶胶和BN粉,经分散搅拌、湿法抽滤、高温烧结等工艺制备得到隔热瓦。研究了BN含量、烧结温度对隔热瓦微观形貌、力学性能以及热性能的影响;尤其是研究了高温环境对隔热瓦热导率以及湿热环境对隔热瓦介电性能的影响。研究结果表明:纤维通过硅溶胶和烧结助剂BN的作用有效连接,改变BN含量以及烧结温度可以调节材料性能,得到最优的制备工艺。隔热瓦具有极低的热导率,但是在高温环境下会发生烧结收缩等变化,使其热导率等热性能参数明显提高。湿热环境对隔热瓦的介电性能影响明显,介电损耗大幅增加;通过防潮处理可降低隔热瓦的吸水率,从而使其介电性能保持稳定。

弧形三角截面碳纤维复合材料桁架结构的研制

王增加, 王希杰, 孔娜, 师慧, 王华, 李博

2021, 0(10): 116-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.018

摘要 ( 75 )

PDF (3877KB) ( 50 )

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复合材料桁架结构具有重量轻、比刚度和比强度高、载荷分布合理的特点。为适应飞艇等浮空器的弧形曲面结构,创新设计了弧形三角截面碳纤维复合材料(CFRP)桁架结构,并对其制备技术进行了研究。桁架弦杆管件采用外模内加压的成型方式,三角腹杆与接头为整体结构、一体化成型,整体单元桁架在专用工装上组装连接。通过本方法制备的单元桁架组件比强度和比刚度大,各项性能满足设计指标要求,具有轻量化和承载性良好的特点。最终通过单元桁架组件的连接组合形成环形或弧形整体复合材料桁架结构件,可实现在飞艇、高空气球等浮空器桁架结构上的应用。

连续纤维增强热塑性复合材料成型工艺研究进展

王子健, 周晓东

2021, 0(10): 120-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210828.031

摘要 ( 192 )

PDF (6013KB) ( 383 )

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连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)具有高抗冲击性、高韧性、良好的耐热性能和电性能,无须低温贮存且无贮存期,损伤容限较高,废料可回收再利用等独特优点,在市场上所占比例日益增长,成为应用最广的复合材料之一。本文针对CFRTP成型工艺的不同种类,分别就模压成型、缠绕成型、铺放成型、拉挤成型以及3D打印成型工艺进行了介绍,阐述了各种成型工艺的研究进展与应用现状,并对CFRTP成型工艺的未来发展方向进行了展望。

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