复合材料科学与工程

何振鹏, 邓殿凯, 刘国峰, 孙爱俊, 钱俊泽, 黎柏春, 胡艺馨, 杨帆

2022, 0(1): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.001

摘要 ( 201 )

PDF (5239KB) ( 326 )

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在内聚力本构模型的基础上发展了三维零厚度内聚力单元的数值计算方法,结合有限单元理论推导双线性内聚力模型和基于势能的内聚力模型的有限元格式,通过运用ABAQUS-UEL用户单元子程序模块开发了一种三维八节点的内聚力单元,与实际的复合材料分层试验结果和有限元软件中的模拟结果进行比较,证明其能较准确地模拟含裂纹的复合材料分层损伤问题。并将数值程序应用在复合材料分层损伤机理的研究中,对比双线性内聚力模型和基于势能的PPR内聚力模型,结果表明基于势能的PPR损伤准则用于计算分层损伤具有计算成本低、收敛性高、准确度高的优点,进一步阐明了峰值强度、内聚区长度、复合材料的铺层角度对内聚力模型数值收敛性和计算精确度的影响规律。

基于分层法石墨烯增强功能梯度梁的有限元分析

滕靓媚, 黄君, 黄立新

2022, 0(1): 13-21. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.002

摘要 ( 112 )

PDF (1977KB) ( 59 )

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基于分层法的思想,对石墨烯增强功能梯度梁进行有限元力学分析。在有限元计算的分层模型中,每层的材料参数为常数,并根据修正后的Halpin-Tsai微观力学模型计算得到,然后按照标准化步骤完成石墨烯增强功能梯度梁的有限元建模和力学分析。通过数值算例,分析了石墨烯的质量含量、分布形式和尺寸等因素对梁的弯曲性能的影响。数值算例结果表明,加入少量的石墨烯可以显著减少梁的弯曲挠度,在梁的上下表面分布更多的石墨烯是减少弯曲挠度的最有效的方法。在相同质量含量的情况下,长厚比较大的正方形石墨烯片更能够提高梁的弯曲性能。

不同工艺参数和界面改性对碳纤维增强聚苯硫醚复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响

常舰, 肖海刚, 谢钟清, 毕华阳, 郑金华, 朱姝, 侯进森

2022, 0(1): 22-28. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.003

摘要 ( 119 )

PDF (8075KB) ( 196 )

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本文研究了不同工艺参数(温度、压力、降温速率)和界面改性对碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)航空热塑性复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响。试验发现较高成型温度(340 ℃)、较快降温速率(32 ℃/min)和经过界面改性的CF/PPS复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性(G_ⅠC)更高。这是因为较高的温度有利于聚苯硫醚(PPS)分子链发生缠结;较快的降温速率抑制了PPS结晶,使基体韧性更好。利用课题组自制的上浆剂对碳纤维(CF)进行改性,发现经过界面改性的CF/PPS复合材料界面相互作用加强,强界面性能有利于应力和能量传递,因此G_ⅠC值较未改性的CF/PPS复合材料更高。成型压力对CF/PPS复合材料的G_ⅠC影响不明显,较高的成型压力反而会导致树脂对纤维的浸渍减弱,大量树脂从模具边缘间隙溢出,不利于复合材料韧性的提高。

基于UMATHT子程序的玻璃纤维环氧树脂三维热响应研究

冯振宇, 韩雪飞, 袁浩然, 李翰, 解江

2022, 0(1): 29-35. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.004

摘要 ( 142 )

PDF (5459KB) ( 78 )

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基于UMATHT与USDFLD子程序构建了一个考虑复合材料的各向异性热传导、基体热解、热解产物扩散的复合材料热响应模型,研究了单侧热流环境下玻璃纤维/环氧树脂的热响应规律及在阻燃剂条件下的热反应速率。结果表明:热响应模型预测的温度变化历程和实验的测量值吻合较好,可有效预测玻璃纤维/环氧树脂的温度变化。在相同工况条件下,阻燃改性后的玻璃纤维/环氧树脂相比未改性材料,其温升速率有所降低,阻燃剂促进了热分解反应,使材料表面的密度迅速减小,形成焦炭,热分解率与热分解速率显著提高,剧烈热解区随时间逐渐向绝热面推移的现象更显著,从而达到吸收热量、推迟表面着火的阻燃效果。

CO₂激光剥离碳纤维表面涂层及其性能研究

杜宏昱, 成健, 刘顿, 李子文, 丰凯

2022, 0(1): 36-41. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.005

摘要 ( 146 )

PDF (7243KB) ( 39 )

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碳纤维复合材料(CFRP)被广泛应用于航空领域飞行器结构和部件的制造。由于飞机经常会在一些恶劣条件下工作,碳纤维表面涂层会老化失去原有的性能,飞机服役年份越久,所需剥离涂层厚度越深。采用CO₂激光器对CFRP表面涂层进行了定量剥离研究来代替传统机械打磨。实验结果表明,在一定误差允许的范围内,20 W、25 W和30 W的功率下分别能够实现预设的5 μm、10 μm、20 μm的去除量剥离的要求;此外,材料力学性能未出现削弱,满足重新涂装的要求。

共固化黏弹性复合材料梁结构的阻尼性能

朱晓丽, 王绍清

2022, 0(1): 42-45. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.006

摘要 ( 86 )

PDF (893KB) ( 40 )

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为获取共固化黏弹性复合材料梁结构的阻尼性能,建立该结构的动力学解析模型,基于复模量理论和Rayleigh-Ritz法,推导其振动微分方程,并对该方程进行求解,将求解结果同已发表文献结果进行对比,验证理论模型的有效性,利用已验证模型探讨材料和尺寸参数对该结构动力学性能的影响。结果表明:将阻尼膜放置于黏弹性复合材料梁结构中面位置,可获得较理想的阻尼性能;缩短梁的长度、增大阻尼层厚度均可提高结构阻尼性能。

基于大隔距材料陆基充气天线反射面精度的影响因素

陶红兵, 郝恩全, 邵慧奇, 沈为, 陈南梁, 蒋金华

2022, 0(1): 46-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.007

摘要 ( 72 )

PDF (5699KB) ( 37 )

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在陆基充气可展开天线的制作过程中,影响到反射面精度的主要因素包括间隔织物复合材料的隔距、气压、贴条数、粘贴材料以及气压作用时间等。为了探究这些因素对反射面的影响,用这种材料制作了不同种类长宽均为40 cm的方体试样,通过不同情况下的气压实验,观测试样在长度、宽度以及厚度方向上的形变量变化,结合对这种材料的力学性能测试,分析其在实际应用中的效果,结果表明:试样在不同方向上的形变存在差异,这与复合材料的组织结构密切相关;不同隔距的复合材料会对试样的形变产生不同程度的影响;对于相同隔距的试样,贴条越多,试样变形越容易,要保证反射面精度,可以控制合适的贴条数以及选取尺寸稳定性更好的贴条材料;对于同一试样,随着气压值增大,形变速率降低,总的形变量增加,可以通过控制合适的气压范围以及选取形变更小的组织结构来保证反射面精度;试样在5 psi气压下工作24 h,会发生蠕变,蠕变速率不断降低,气压也随之发生变化,因此,保证反射面的精度,天线的工作时间需要被重点考虑。

大型天线罩的模态分析与实验验证

李建伟, 秦强强, 韩冰, 周金柱

2022, 0(1): 54-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.008

摘要 ( 96 )

PDF (11390KB) ( 52 )

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天线罩作为天线防护的复合结构,它不仅要满足结构强度和刚度的要求,还要满足电磁高透波性能的要求,蜂窝夹层复合结构的有限元仿真时,真实的蜂窝结构建模存在较大的难度。本文通过有限元仿真模态分析与实验模态分析的方法,对大型复合材料天线罩模态特性进行研究,通过模型修正方法缩小了实验与仿真固有频率之间的误差;通过实验模态测试获得了天线罩的前六阶固有频率和振型,确定了天线罩的固有振动特性;修正后天线罩模型的实验与仿真一阶固有频率的误差从16%下降到了2.3%,前五阶固有频率累计误差降低了31.8%,有效提升了有限元仿真的精度,验证了有限元模态分析的准确性;天线罩实验与仿真最大变形处的误差为9.6%,证明了模型修正方法的合理性和模型修正后材料参数的可信度。最后通过研制的模拟风载实验装置,采用沙子重力模拟风载验证了模型修正结果的可信度,同时证明了模型修正方法的合理性。

疲劳荷载作用下CFRP板底层嵌贴加固RC梁开裂后挠度计算方法

邓朗妮, 雷丽贞, 谢宏, 周峥, 廖羚

2022, 0(1): 62-67. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.009

摘要 ( 76 )

PDF (1943KB) ( 42 )

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基于5根试件梁的试验数据,分析疲劳荷载作用下CFRP板底层嵌贴加固钢筋混凝土梁跨中挠度的变化情况。试验结果表明:循环荷载作用下,钢筋混凝土梁截面抗弯刚度会产生疲劳衰减,导致截曲率不断延伸,从而使挠度持续增大;CFRP板底层嵌贴加固方式能有效抑制钢筋混凝土梁截面抗弯刚度的衰退速率,缓解曲率延伸,从而提升其疲劳受弯变形性能。最后引入受拉刚化效应法,推导出疲劳荷载作用下CFRP板底层嵌贴加固梁截面开裂后的挠度计算模型。计算结果表明:提出的挠度计算模型计算值与试验值吻合情况良好。

高速永磁电机转子碳纤维护套张力缠绕仿真分析

肖剑雄, 周向, 申政

2022, 0(1): 68-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.010

摘要 ( 133 )

PDF (3097KB) ( 182 )

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对于表贴式结构的高速永磁电机,其转子永磁体在高速旋转时产生的较大离心力作用下易于发生破坏。采用张力缠绕技术制备的碳纤维复合材料转子护套可以有效确保电机转子安全稳定运行。通过ANSYS Workbench对一台高速永磁电机表贴式转子碳纤维护套张力缠绕进行了有限元仿真分析。结果表明,通过等效温度场法与生死单元法建立的有限元模型较为准确地模拟出了缠绕过程中受应力松弛效应作用下的护套应力场,从而为后续转子运行工况仿真计算提供了输入条件。此外,在纤维缠绕预应力作用下,护套对转子产生的预紧压力可以确保在转子运行过程中永磁体与转轴始终处于压紧状态,并且护套与永磁体仍处于强度安全范围内,转子保持安全稳定运行。

Vectran纤维在飞艇蒙皮材料中的力学性能研究

崔馨文, 蒋金华, 李俊

2022, 0(1): 73-78. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.011

摘要 ( 109 )

PDF (2237KB) ( 101 )

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为了研究Vectran纱线是否符合飞艇蒙皮材料的性能要求,探究捻度对Vectran长丝纱的力学性能的影响,并织造Vectran平纹织物。通过比较四种不同的Vectran织物的拉伸、撕裂性能,讨论涂层对Vectran织物力学性能的影响以及不同的撕裂失效模式。结果表明:加捻可以增强Vectran长丝纱的断裂强力,但需要特殊工艺,随着捻度增加,强力出现先降低后增加再降低的趋势;成本更低的400D Vectran织物可以达到飞艇蒙皮材料的力学性能要求;Vectran涂层织物与未涂层织物的撕裂失效模式不同。

碳纤维复合材料芯导线芯棒压接不同心问题研究

宋泽明, 万建成, 朱波, 刘建德, 罗宏建

2022, 0(1): 79-85. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.012

摘要 ( 95 )

PDF (4354KB) ( 37 )

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在以往的碳纤维复合材料芯导线(下文简称“碳纤维导线”)架设工程建设阶段的X射线检测工作中,除碳纤维复合材料芯棒(下文简称“芯棒”)常规的显性缺陷外还发现了一种其与楔形夹座不同心的现象,而此类缺陷未经过研究,长远影响尚未可知。本文基于碳纤维芯导线压接X射线的检测图像,对压接不同心现象进行了分析,给出了芯棒压接不同心的定义,并提出了造成芯棒压接后不同心的原因;根据导线、金具、芯棒参数,提炼出芯棒压接不同心的数值仿真模型,并建立起芯棒压接不同心所产生弯曲变形效应的有限元计算模型;然后,通过对芯棒压接不同心的弯曲变形力学问题的静力学仿真计算,分析了其在压接不同心环境中的静力学响应,评估了压接不同心造成的安全隐患,为碳纤维导线压接工艺的改善提供理论支撑。

二氧化硅气凝胶/三元乙丙橡胶复合隔热材料的制备与性能研究

王振豪, 陈勃, 高飞, 汪书苹, 李向梅, 刘晶冰

2022, 0(1): 86-90. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.013

摘要 ( 97 )

PDF (4284KB) ( 54 )

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本文合成制备了SA/EPDM隔热复合材料,研究了不同SA/EPDM含量比例以及添加阻燃剂后的复合材料的隔热性能、热稳定性能以及力学性能。当火源温度为300 ℃和500 ℃时,SA含量为70%的复合材料背面温度维持在130 ℃和250 ℃,导热系数为0.2253 W/m·K。热失重分析结果表明,SA含量的升高虽然没有延缓材料的高温降解速率,但是SA含量的加入减小了复合材料玻璃化转变放热量,在促进材料成炭中起到了积极作用,残碳量最高为50.67%,并且复合材料力学性能表现优秀,拉伸强度可达22.45 MPa,断裂伸长率可达661.90%。

含硼酸酯键的可降解环氧树脂基复合材料的制备与性能研究

张文华, 方超宇, 李鑫, 尤立文, 亓奕卿, 周权

2022, 0(1): 91-97. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.014

摘要 ( 154 )

PDF (5969KB) ( 89 )

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本文采用苯硼酸(PBA)代替传统的环氧树脂固化剂,制备了一种在温和条件下可绿色降解的含硼酸酯键的环氧树脂(PBAE)。利用FTIR、DSC、TGA探究了PBAE树脂固化过程中的结构变化和耐热性能。研究结果表明PBAE结构中形成了硼酸酯键,固化物具有优异的耐热性能,玻璃化转变温度(T_g)为147 ℃,N₂氛围下质量损失5%的温度(T_d5)为267 ℃,800 ℃的质量保留率高于25%。玻璃纤维增强PBAE复合材料的弯曲强度和层间剪切强度分别为499 MPa、70 MPa;可在常温下,乙醇/水混合溶液(体积比=2∶1)中实现绿色降解。

紫外老化对快速固化碳纤维增强环氧树脂基复合材料性能影响

蒋诗才, 闫鸿琛, 石峰晖, 李韶亮, 竹文坤

2022, 0(1): 98-103. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.015

摘要 ( 124 )

PDF (5772KB) ( 74 )

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本文将环氧树脂基碳纤维复合材料置于紫外灯光源下进行人工加速老化试验,用以探究长周期紫外老化对环氧树脂基复合材料力学性能的影响。系统测试了复合材料拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、表观形貌、红外光谱、X射线荧光光谱等材料性能的变化,对环氧树脂基碳纤维复合材料的紫外老化行为进行了研究。试验结果显示长周期紫外老化后复合材料力学性能出现不同程度的下降,复合材料表面出现孔洞;其红外光谱和XPS谱图表明环氧树脂基体中出现分子链断裂,发生氧化反应。研究结果表明长期紫外照射会破坏环氧树脂基体化学键,造成环氧树脂基体的裂解,破坏树脂/纤维界面,最终导致材料力学性能下降以及材料缺陷的产生。

基于复合材料的变电构架设计

曹明阳

2022, 0(1): 104-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.016

摘要 ( 96 )

PDF (7528KB) ( 35 )

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使用复合支柱绝缘子代替角钢格构横梁,将电气绝缘路径从悬垂绝缘子改为水平复合支柱绝缘子,进而降低变电构架的结构高度和占地面积。具体方案包括:将四根复合支柱绝缘子通过法兰与挂线板对接,导线通过挂线板与变电构架连接。复合支柱绝缘子作为结构受力件与电气绝缘构件,与传统格构式横梁相比,减少了钢构架元件的数量。使用Workbench对新型构架模型进行力学分析,分析结果表明在相同外部荷载下,新型构架力学性能良好,复合支柱绝缘子在变电构架中有良好的适配性。最终,通过力学与电气实验,验证了新型构架设计的可行性与合理性。研究结果表明,一种新型紧凑变电构架,利用复合支柱绝缘子降低了变电构架的重量和导线挂点的高度,缩减了占地面积,推广效益明显,拥有广阔的应用前景。

耐高温聚酰亚胺树脂复合材料固化封装技术研究

梁恒亮, 周洪飞, 陈静

2022, 0(1): 112-116. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.017

摘要 ( 106 )

PDF (5751KB) ( 85 )

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针对热压罐-真空袋成型、固化温度为375 ℃的聚酰亚胺树脂,其固化温度已接近高温真空袋和高温密封材料等耐温上限,单层真空袋封装体系经常在固化过程中发生破损;本文采用新的封装工艺即双真空和机械密封等封装工艺来保障BMP370复合材料固化所需的真空度,从而完成BMP370制件的固化,双真空封装固化后制件经无损检测、玻璃化转变温度及随炉件力学性能测试,符合标准要求,表明双真空封装合理可行。

纤维增强复合材料层间增韧技术研究进展

刘晓军, 战丽, 邹爱玲, 李志坤, 赵俨梅, 王绍宗

2022, 0(1): 117-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.018

摘要 ( 196 )

PDF (15432KB) ( 330 )

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连续纤维增强复合材料因轻质、高强等优点被广泛应用于航空航天等领域,提高复合材料层间强度的方式主要有改善树脂基体性能、增加法向材料和层间增韧等。层间增韧方法是一种将纤维、颗粒及薄膜等作为增强相嵌入连续纤维复合材料层间,以达到层间增强效果的方法。采用层间增韧方法无须改变现有的工艺方法,实现过程容易,并且增强效果明显。综合成本、技术难度等方面因素,层间增韧方法为一种切实可行、效果明显的层间增强方法。本文综述了纤维增强复合材料层间增韧技术的最新研究进展,将复合材料层间增韧技术的研究分为纤维层间增韧、纳米材料层间增韧、颗粒层间增韧、薄膜层间增韧等,可为提升纤维复合材料层间性能及纤维复合材料得到更广泛的应用提供支撑。

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