复合材料科学与工程

闫金顺, 孙鹏文, 马志坤, 赵雄翔, 董新洪

2022, 0(6): 5-9. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.001

摘要 ( 153 )

PDF (1623KB) ( 58 )

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论文探究了过滤函数在基于独立连续映射法复合材料层合板拓扑优化数学模型建立和求解中的作用以及幂函数形式过滤函数不同参数对优化收敛率的影响,引入幂函数形式过滤函数,建立了位移约束下以质量最小为目标函数的拓扑优化数学模型,推导了目标函数和约束函数的灵敏度计算公式,采用序列二次规划算法求解。结果表明:幂函数形式过滤函数的参数不同,优化收敛率亦不同,选择合适的参数可提高收敛率。同时,提高收敛率可降低映射反演结果对给定替换阈值的依赖程度,减少连续解与离散解目标函数的差值,提升结果的可靠性。

基于Weibull分布函数的FRP退化模型研究

吴毅彬, 许丽华, 金国芳, 欧永辉

2022, 0(6): 10-16. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.002

摘要 ( 108 )

PDF (2221KB) ( 73 )

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为进一步认识纤维增强复合材料(FRP)在不同使用环境下的长期性能,通过已有FRP耐久性试验研究,引入二参数Weibull分布函数,在试验样本与参数估计的基础上,对比例参数η与形状参数β二参数进行分析,建立FRP等效Weibull分布退化模型。分析结果表明:在不同环境下,拉伸强度比例参数η随退化时间的延长而逐渐降低,且退化前期下降较快;而形状参数β对不同环境与退化时间均较不敏感。将退化模型与试验结果及现行规范取值对比分析表明,本文模型与试验结果吻合良好,可较好地预测FRP在不同环境下的长期性能。在此基础上,简化得到相应的环境影响修正系数κ_env,并对现行规范中存在的问题进行探讨,为FRP材料加固混凝土结构的耐久性设计提供参考。

铺层角度偏差对曲面复合材料层合板形面轮廓的影响分析

杨智勇, 刘清念, 孙建波, 解永杰, 左小彪, 张建宝

2022, 0(6): 17-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.003

摘要 ( 174 )

PDF (7576KB) ( 79 )

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铺层角度偏差在预浸料铺放过程中难以完全避免,且随机地发生在任意一层或多层预浸料片上。针对性地研究铺层角度偏差对典型曲面复合材料层合板形面轮廓的影响程度和应对方法是有工程应用意义的。在复合材料层合板总厚度相同的条件下,设计了六组准各向同性铺层顺序,通过有限元分析、概率论方法及典型层合板成型验证的方法,研究了单层、两层、多层铺层角度偏差对曲面层合板形面轮廓图形演变及精度影响规律,获得单向预浸料铺层层合板形面精度提高的控制要点。研究结果表明:铺层角度偏差发生在外层比在内层对层合板形变精度影响大,层合板形面精度随着铺层角度偏差的增大而降低;铺层角度偏差直接引发层合板的马鞍形形面变化,将铺层角度偏差控制在0.25°以内可以有效地抑制层合板的马鞍形形面的产生;适当降低预浸料单层厚度,增加铺层角度和总铺层数量,可有效地降低铺层角度偏差对限定总厚度层合板形面精度的影响。

氨基化石墨烯-玻璃纤维增强环氧复合材料的界面黏合性研究

黄东辉, 曾少华

2022, 0(6): 27-32. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.031

摘要 ( 114 )

PDF (7650KB) ( 74 )

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为提升玻璃纤维增强环氧复合材料(GFRE)的界面黏合性,本文先将脂肪二胺共价键合于氧化石墨烯表面得到氨基化石墨烯,再将其负载于玻璃纤维得到氨基化石墨烯-玻璃纤维预制体;最后通过真空辅助树脂灌注工艺制备氨基化石墨烯-玻璃纤维增强环氧复合材料。结果表明:适当烷基链长的脂肪二胺改性氧化石墨烯有助于提升复合材料的界面黏合性,而过长烷基链削弱了复合材料的界面黏合强度;相比于纯GFRE,经辛二胺改性氧化石墨烯所得复合材料的性能最佳,其中层间剪切强度提高了约35%,拉伸强度及模量分别提升了约37%和28%,弯曲强度及模量分别提升了约32%和43%;玻璃化转变温度提高了近9 ℃。

不同端部锚固FRP-砌体界面黏结性能试验研究

唐永明, 郭晓云, 陈杰

2022, 0(6): 33-40. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.005

摘要 ( 101 )

PDF (7837KB) ( 41 )

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适当的端部锚固措施可以有效提高FRP与砌体之间的界面黏结力,延缓或阻止端部发生过早剥离破坏。为明确端部锚固对界面黏结性能的影响,在总结现有的端部锚固措施方法的基础上,设计制作了4种不同端部锚固GFRP-砌体试件,通过单面剪切拉伸试验,重点分析了试件的破坏现象、荷载-滑移与应变分布特性,讨论了锚固的工作机理和适用性。结果表明:所有锚固形式的GFRP加固试件失效模式均为界面脱黏;采用碳纤维扇头钉锚固、胶-机械混合锚固、树脂胶钉锚固和双向碳纤维补丁锚固的GFRP加固试件相比未锚固的加固试件,其极限承载力分别提高了约85.69%、88.34%、68.82%和50.09%;锚固在一定程度上限制脱黏滑移,双向碳纤维补丁锚固的效果最为显著,降低了44.58%。试验结果可对实际工程中选择最佳锚固方法提供参考。

碳纤维与聚酰胺自增强复合材料协同增强体系的制备及其性能研究

门树林, 张健敏, 高志浩, 温荣严, 骆林, 崔笑晨

2022, 0(6): 41-46. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211028.031

摘要 ( 138 )

PDF (7512KB) ( 86 )

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采用叠层热压工艺制备了单向碳纤维与聚酰胺自增强复合材料协同增强体系(CF-PF/coPA),即在碳纤维增强聚酰胺复合材料(CF/coPA)的基础上引入界面性能优异且韧性好的聚酰胺自增强复合材料(PF/coPA)。采用0°/90°拉伸试验、三点弯曲测试和动态机械性能测试研究了不同纤维体积分数CF-PF/coPA单向复合材料的纵向/横向拉伸力学性能、弯曲力学性能和热机械性能的变化趋势。结果表明,与PF20/coPA复合材料相比,CF-PF(10∶10)/coPA复合材料的纵向拉伸强度(267.6 MPa)与模量(8.9 GPa)分别提高了38.4%和778.7%。而且弯曲强度(67.1 MPa)比PF20/coPA、CF20/coPA复合材料分别提高了77.8%和17.2%。同时,与CF20/coPA复合材料相比,纤维增强效率提高了18.3%。断裂面SEM图像、90°拉伸试验和三点弯曲测试均表明CF-PF/coPA复合材料的界面性能优异。动态机械性能测试表明,在低温与高温条件下,该复合材料均具有比PF20/coPA与CF20/coPA复合材料更优异的力学性能。因此,该协同增强体系具有潜在的性能和成本优势,对结构材料的轻量化具有重要的理论和实践意义。

BP-GO-AgNPs复合粉末添加量对BP-GO-AgNPs复合涂层抑菌性能的影响

肖鹏, 李秀琴, 冯霞, 张蓓蓓, 李博轩

2022, 0(6): 47-52. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.007

摘要 ( 93 )

PDF (12247KB) ( 44 )

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将实验室研发的BP-GO-AgNPs抑菌复合粉末添加到环氧树脂中,制备了BP-GO-AgNPs抑菌复合涂层。探究了不同BP-GO-AgNPs复合粉末添加量对涂层表面亲水性、基材附着力和抑菌性能的影响。采用SEM和接触角测试可观测涂层表面微观形貌及判断涂层表面亲水性能好坏,结果表明,粉末的添加没有显著改变涂层表面的亲水性。采用划格法评定复合涂层的基材附着力等级,结果表明,添加量为1wt%、3wt%的附着力较优,等级为0级。采用贴膜法测试复合涂层的抑菌性能,结果表明,随着添加量增加,其对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率呈现先上升后下降的趋势,添加量为3wt%时,涂层对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果最好,抑菌率分别为95%和89.6%,且对大肠埃希氏菌的抑菌效果要强于金黄色葡萄球菌。综合上述各项性能,较优的抑菌复合粉末添加量为3wt%。

填料/基体三维氢键网络提升PHBV复合材料力学性能

赵宝艳, 陈丽娜, 张利, 包锦标

2022, 0(6): 53-58. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.008

摘要 ( 145 )

PDF (4710KB) ( 93 )

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通过熔融共混方法,构建生物质填料三维氢键网络增强甲壳素、单宁酸与PHBV之间填料-基体的相互作用,实现了甲壳素-单宁酸/PHBV复合材料的弯曲性能和冲击性能的大幅提升。采用红外光谱对PHBV基体加入甲壳素和单宁酸前后的特征峰变化进行研究,探讨三维氢键网络的形成,验证氢键是否成功作用于基体与填料之间。力学性能测试结果表明PHBV复合材料拥有优异的弯曲性能和冲击性能,在引入三维氢键网络后,其弯曲模量提高到了833 MPa,约为纯样的1.79倍;弯曲强度从28.7 MPa提高到了42.5 MPa,提升了48%;冲击强度达到了2 851 J/m²,较纯样提升了68.3%。使用SEM观察其弯曲断面的微观结构以及填料的分散状况,结果表明甲壳素与单宁酸和聚合物基体混合较为均匀,共混物两相界面作用得到进一步增强。采用WAXD和DSC观察其结晶性能,结果表明其三维氢键网络在一定程度上破坏了大分子链的规整性,限制了分子链的运动,导致其结晶度一定程度下降。

菠萝叶纤维增强热塑性淀粉复合材料的性能研究

刘雅奇, 刘运浩, 李普旺, 王超, 宋书会, 杨子明

2022, 0(6): 59-64. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.009

摘要 ( 123 )

PDF (7136KB) ( 45 )

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为深入研究天然纤维增强热塑性淀粉复合材料的性能,以双醛淀粉为原料,甘油为塑化剂,利用菠萝叶纤维作为增强材料,采用热压成型法制备菠萝叶纤维增强热塑性淀粉复合材料。研究了不同尺寸的菠萝叶纤维对复合材料力学性能、密度、含水率、降解性能的影响,并通过扫描电镜观察复合材料的表面和断面形貌。结果表明:加入菠萝叶纤维能有效提高复合材料的力学性能。随着菠萝叶纤维尺寸的减小,复合材料的力学性能呈现出逐渐增加再减小的趋势,当纤维尺寸为0.6 mm时,拉伸强度达到最大值7.18 MPa。当纤维尺寸>0.6 mm时,弯曲强度最佳,为13.79 MPa。随着菠萝叶纤维尺寸的减小,复合材料的密度呈现逐渐增大的趋势,含水率呈总体下降的趋势。在短期降解时间内,复合材料的失重率在常规及酵母菌两种土壤环境下呈现出随着纤维尺寸减小而逐渐减小的趋势,随着时间的延长,失重率逐渐趋向一致。

基于显微CT技术的碳纸微观结构特征分析

史启通, 李冰, 冯聪, 明平文, 张存满

2022, 0(6): 65-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.010

摘要 ( 132 )

PDF (7378KB) ( 46 )

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作为一种多功能高孔隙率碳纤维复合材料,碳纸在燃料电池中承担着传质、传热和导电等重要作用,其微观结构特征直接决定了燃料电池的性能和耐久性。本文利用显微CT扫描技术重建了碳纸的微观结构,并对其体积分数、孔径分布、碳纤维长度、弯曲度、空间方位角和倾斜角进行了测量和分析。主要结论有:①孔径服从正态分布,平均孔直径为30.95 μm;②碳纤维长度和弦长服从三参数Weibull分布,平均弯曲度为1.03,表明纤维直线性较好;③方向角在0°~90°之间等概率分布,倾斜角大于45°的只占1.1%,说明碳纤维在XY平面上随机分布,只有少量的纤维呈垂直状态嵌入碳纸。最后本文指出了碳纸在微观结构上的一些显著性特征和缺陷。该项研究有助于提高人们对碳纸在燃料电池中作用的认知。

玄武岩-PVA纤维协同增强轻骨料混凝土抗弯拉及抗冲击性能

李成金, 李静, 夏锦红

2022, 0(6): 70-75. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.011

摘要 ( 215 )

PDF (3713KB) ( 76 )

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对混掺玄武岩-PVA纤维轻骨料混凝土进行了抗弯拉强度、抗弯拉弹性模量和抗冲击性能试验,得到了玄武岩-PVA纤维对轻骨料混凝土抗弯拉及抗冲击性能的影响规律。结果表明:混掺纤维材料比单掺纤维材料对提升轻骨料混凝土力学性能效果更佳;玄武岩-PVA纤维掺量为0.6%、混掺比为1∶2时,轻骨料混凝土的抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量提升幅度最大,分别较基准组提高了22.19%和23.78%,动态压缩性能试验结果与抗弯拉强度试验结果较为一致;掺量过大时,轻骨料的强度会下降,甚至出现负效应。最后阐述了纤维增强轻骨料混凝土的机理并对其进行了色散谱(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)测试分析。

阻燃植物纤维蜂窝芯制备及性能研究

刘燕峰, 刘青曼, 陈旭

2022, 0(6): 76-80. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.012

摘要 ( 116 )

PDF (7832KB) ( 62 )

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为了响应我国碳达峰和碳中和的环境目标并提高蜂窝芯的性价比,本文采用木纤维纸和混杂纤维纸制备蜂窝芯材,研究蜂窝芯的制备工艺、阻燃性能、力学性能和水迁移性能。结果表明:当阻燃剂与纸张的重量比约为6%时,48 kg/m³体密度的木纤维纸蜂窝芯和混杂纤维纸蜂窝芯都具有优异的阻燃性能,平均自熄时间为0 s,平均烧焦长度分别为79 mm和51 mm,滴落物平均燃烧时间为0 s,能够满足HB 5469-91垂直燃烧阻燃性能要求;木纤维纸蜂窝芯和混杂纤维纸蜂窝芯在常温下稳态平面压缩强度分别为1.64 MPa和1.75 MPa,L向剪切强度分别为1.02 MPa和1.08 MPa,W向剪切强度分别为0.53 MPa和0.61 MPa。

树脂基复合材料外涵机匣结构设计与试验验证

刘超, 吴正洪, 邵红艳, 林磊, 马健

2022, 0(6): 81-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.013

摘要 ( 183 )

PDF (5654KB) ( 72 )

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为实现某航空发动机的减重目标,开展复合材料外涵机匣结构设计。依据总体设计要求,首先通过工作环境分析,完成了材料选择。其次开展机匣结构轻量化设计,基于经典层压板理论、蔡-希尔失效准则,开发了典型层合板极限强度的VBA计算程序,完成机匣壳体的铺层方案设计;通过UG二次开发,解决了金属安装座建模困难问题,提升了结构设计效率;通过在机匣壳体内壁面铺贴热防护膜和优化“卸荷腔”排气堵头结构等措施,完成机匣热防护设计。最后,完成了机匣装配性分析及热变形分析,并通过MATLAB编程实现了发动机工作任务剖面的外部载荷确定,完成典型结构及全尺寸机匣的静强度、疲劳试验验证。相比原钛合金机匣,新设计制造的复合材料外涵机匣减重效率达到27.8%,实现了设计目标;全尺寸试验和机匣的装机应用进一步验证了结构设计的可靠性。

真空辅助灌注成型用聚双环戊二烯的制备及其碳纤维增强复合材料的性能研究

杨青, 程超, 刁春霞, 吕玥蒽, 周飞, 丁小马, 陈正国

2022, 0(6): 89-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.014

摘要 ( 110 )

PDF (8546KB) ( 118 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

本文采用聚苯乙烯-丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物作为DCPD单体的增黏剂,以亚磷酸正三丁酯作为缓聚剂,使其工艺特性满足真空辅助灌注成型,成功制备碳纤维增强聚双环戊二烯复合材料。通过研究增黏剂含量对单体黏度和聚合后树脂力学性能的影响确定树脂体系的组分配方。利用VARI工艺制备复合材料,研究了改性聚双环戊二烯/碳纤维复合材料的Ⅰ型断裂韧性以及弯曲性能,并与环氧树脂/碳纤维复合材料进行比较。研究结果表明,由该树脂体系制备的碳纤维复合材料Ⅰ型层间断裂韧性起始值和扩展值分别比环氧树脂/碳纤维复合材料高26.1%和30.4%,但是弯曲强度较低。微观结构表明,碳纤维表面残留聚双环戊二烯树脂发生明显塑性变形,消耗更多的能量,从而获得更高的Ⅰ型断裂韧性,然而树脂与碳纤维界面结合力较差,载荷无法实现在树脂与树脂之间的良好传递,最终导致较低的弯曲强度。

紧凑型110 kV输电复合材料火箭塔的力学性能研究

朱晔, 吴雄, 冯炳, 李攀峰

2022, 0(6): 96-104. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.015

摘要 ( 271 )

PDF (11457KB) ( 43 )

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在经济发达的城市地区,存在土地供应紧张与输电线路征地间的矛盾。基于以上问题,本文开发了一种类似火箭外形的复合材料绝缘窄基塔,导线从绝缘的复合材料塔内部穿过,最大程度地压缩线路走廊宽度,并对110 kV复合材料火箭塔的力学性能进行仿真计算及真型力学测试研究。研究结果显示:根开1.8 m,塔高19 m的110 kV的复合材料火箭塔通过了正常运行、断上导线、90°大风及不均匀覆冰等四个工况的100%设计荷载测试,复合材料杆塔各部杆件未见异常;其真型力学测试结果与杆塔的仿真计算结果高度吻合,其塔身最大变形均发生在火箭塔根部区域,对应的主杆最大变形均位于火箭塔根部区域;不均匀覆冰工况下,火箭塔的端部位移最大,最大位移量为48 mm,满足110 kV杆塔设计要求。

纤维缠绕罐工装杆旋拧装置设计与分析

田会方, 任政, 吴迎峰, 张国武

2022, 0(6): 105-110. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.016

摘要 ( 195 )

PDF (5007KB) ( 36 )

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本文针对纤维缠绕罐工装杆的自动搬运和自动装卸设计了一种旋拧装置,其主要能够实现搬运工装杆和芯模、夹持芯模、装卸工装杆、安装芯模底托的工作需求。文中主要介绍了所设计的工装杆结构、夹持旋拧装置和机械手末端执行器结构,并在SolidWorks软件中对纤维缠绕罐工装杆旋拧装置进行总体设计与装配,计算了夹持力和真空吸盘吸力的大小,所得结果均满足工作要求。在Ansys Workbench软件中分别对夹持装置和工装杆在工作状态下进行仿真分析,验证设计的合理性。

酚醛树脂在线预浸拉挤工艺探索

毛义梅, 郭建军, 郑诗宏, 毛雅赛

2022, 0(6): 111-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.017

摘要 ( 266 )

PDF (2579KB) ( 69 )

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由于拉挤酚醛树脂在固化成型时有非活性稀释剂挥发,导致制品疏松,强度低,为了改善这一缺陷,本文将拉挤工艺与预浸技术结合,开发出酚醛树脂在线预浸拉挤工艺,即将浸胶纱在85 ℃进行烘干处理10 min,在入模前有效除去非活性稀释剂以及大部分游离醛和部分游离酚,解决了传统酚醛拉挤工艺中挥发物难控制的问题,同时不影响酚醛树脂的固化过程。通过对两种制品的物理和机械性能的测试、分析,发现预浸拉挤制品的孔隙率和吸水率显著降低,密度、压缩性能、层间剪切强度和冲击韧性得到大幅度提高,证明预浸拉挤在工艺上可行。

芳香族聚酰胺纤维抗紫外老化的研究进展

魏枫, 裴勇勇, 徐海兵, 颜春, 刘东, 欧阳少波, 祝颖丹

2022, 0(6): 115-121. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.018

摘要 ( 135 )

PDF (3844KB) ( 108 )

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芳香族聚酰胺纤维因具有高强高模、轻质耐热、抗冲耐磨等优势,被广泛应用于军民两用领域。由于分子结构中存在大量的生色基团,芳香族聚酰胺纤维易吸收紫外辐射而引发不可逆的光老化损伤,制约其使役性能。本文概述了芳香族聚酰胺纤维的紫外光敏特性,分析总结了其光老化机理,并重点介绍了目前抗紫外老化的主要改性研究方法。

复合材料空间3D打印技术研究进展

陈怡, 莫桂冬, 余抗, 秦俊杰, 李敬洋, 祁俊峰, 赖小明

2022, 0(6): 122-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.019

摘要 ( 167 )

PDF (8634KB) ( 129 )

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作为一种在轨制造技术,空间3D打印可快速实现复杂构型产品制造,对深空探索、外星基地建设等具有重要意义。但是空间的微重力、高真空、高低温、强辐射等极端环境条件,对在轨3D打印设备、材料和工艺均提出了较高的要求。目前空间3D打印发展时间较短,技术成熟度仍然偏低,全球仅有少数几个国家进行了空间验证。本文简要回顾了国内外空间3D打印技术进展,结合本团队研制的复合材料空间增材制造系统,提出了适用于空间站及航天器舱内的3D打印系统设计要素,并分析了复合材料空间打印的关键技术;最后对我国复合材料空间3D打印后续发展提出了展望和建议。本文旨在为后续空间3D打印更广阔的工程化应用提供一定的技术基础。

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