复合材料科学与工程

李辉, 赵春江, 梁建国, 曾光, 王蕊, 边强

2022, 0(7): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.001

摘要 ( 176 )

PDF (9000KB) ( 115 )

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航天飞机机翼蒙皮使用过程中易出现承载力及刚度不足,且没有足够的稳定性,针对这些问题,引入自动铺丝变刚度复合材料层合板并对其力学特性及失效机理进行研究。首先,提出以周期性三角波为纤维角度变化函数,对纤维方向及参考路径进行优化;其次,建立变刚度复合材料层合板力学模型并利用代表性体积单元对其力学性能进行预测分析;然后,基于分段线性化思想,通过MATLAB/ABAQUS联合构建三维变刚度层合板有限元模型;最后,基于Tsai-Wu张量理论分析了传统层合板及优化后的变刚度层合板在拉伸、压缩工况下的损伤演化、力学特性及失效机理。研究结果表明:合理的纤维铺放路径能有效抑制因局部大变形而导致的层合板失效,使变刚度层合板应力分布更加均匀,提高机翼蒙皮的承载力、刚度及稳定性。

预应力CFRP板加固钢-混凝土组合梁受弯性能的有限元分析

宫唯康, 刘晓阳, 荆玉才, 项俊宁, 李相国, 杨国涛

2022, 0(7): 11-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.002

摘要 ( 119 )

PDF (2226KB) ( 89 )

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为研究不同设计参数对预应力CFRP板加固钢-混凝土组合梁受弯性能和CFRP板强度贡献率的影响,采用有限元软件Abaqus对万世成^[1]论文中的试验构件进行有限元分析,通过对比模拟值、试验值与理论值验证模型的正确性。基于该有限元模型,对CFRP板加固钢-混凝土组合梁进行参数分析,结果表明,增加CFRP板的长度、宽度和厚度以及提高CFRP板的预应力水平,可以明显提升组合梁的抗弯性能。同时,增加H型钢单对称比和腹板宽厚比也可以提高组合梁弹性阶段刚度和抗弯性能。此外,增加CFRP板的长度和腹板宽厚比,提高CFRP板的预应力水平,以及减小CFRP板的截面面积和H型钢单对称比,可以提高CFRP板的强度贡献率。

基于应变能的风力机叶片铺层结构优化设计

赵雄翔, 孙鹏文, 李建东

2022, 0(7): 20-24. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.003

摘要 ( 223 )

PDF (5792KB) ( 50 )

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叶片性能直接关系到风电机组的服役寿命,铺层参数是决定叶片性能的关键因素之一。结构的刚度可由应变能的大小来反映,论文推导了复合材料壳体结构的应变能表达式。从工程角度出发,以某1.5 MW叶片为对象,采用分级优化策略,考虑叶片强度和质量特性,以结构应变能最小为目标函数,建立了叶片铺层参数的优化数学模型,通过求解得到了优化的铺层角度、整体铺层厚度分布和铺层顺序。结果表明:优化后叶片的质量降低,静态刚强度提高,验证了方法的有效性。

复合材料叶片建模及铺层参数对强度的影响分析

冯钰茹, 王军利, 张宝军, 刘志远, 李金洋, 张宝升

2022, 0(7): 25-31. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.004

摘要 ( 226 )

PDF (11674KB) ( 86 )

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本文采用有限元分析的方法,研究了压气机复合材料叶片的建模以及铺层参数对复合材料叶片的影响。在ANSYS平台中,采用ACP模块对复合材料叶片进行建模,通过对比传统TC4叶片的建模方法验证了复合材料叶片建模方法的准确性。研究了铺层角度与铺层厚度对复合材料叶片的强度影响规律。研究表明:随着铺层角度的增加,复合材料叶片的最大变形呈现先减小后增大的趋势,但叶片的最大等效应力逐渐增大。铺层厚度改变导致叶片变形与应力的变化不超过5%。因此,在设计复合材料叶片时应将设计的着重点放在铺层角度上。

不同成型方法的树脂基复合材料帽形结构共固化成型质量研究

常腾飞, 湛利华, 李树健, 潘阳

2022, 0(7): 32-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.005

摘要 ( 95 )

PDF (6560KB) ( 121 )

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传统手工铺贴存在成型质量不稳定、生产效率低等问题,难以满足复杂复合材料主承力结构的生产需求,而自动铺带技术还无法对特征复杂的承力结构进行有效铺贴。基于此,本文在手工铺贴的基础上,提出了一种预成型共固化工艺。同时,利用光纤光栅传感器监测应变,结合相控阵超声检测、光学显微观察以及力学性能测试,对比研究了手工成型共固化和预成型共固化方法对复合材料帽形结构成型质量的影响。结果表明:预成型共固化制备帽形结构内部应变变化幅度更大,主要受罐内压力和硅橡胶辅助模具影响,有利于结构内部纤维平顺分布,压实效果更好;帽形加筋结构内部缺陷种类繁多,主要存在于三角区以及帽形长桁与蒙皮壁板结合处;相比手工成型共固化工艺,预成型工艺(1 ℃/min升温至60 ℃,保温1 h)条件下帽形结构的关键区域基本不存在孔隙缺陷,有效降低了纤维皱曲的程度,外形精度分布均匀,其中,拉脱强度提高21.5%。

自组装蒙脱土-碳纳米管对玻纤增强复合材料力学及界面性能的影响

黄东辉, 曾少华

2022, 0(7): 39-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.006

摘要 ( 71 )

PDF (8434KB) ( 76 )

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为改善玻璃纤维复合材料的界面性能,本文先将一维管状多壁碳纳米管(MWCNTs)与二维层状蒙脱土(Mt)自组装形成蒙脱土-碳纳米管(Mt-MWCNTs)杂化纳米材料,再将其负载于玻璃纤维织物表面;最后通过真空袋压成型法制备含Mt-MWCNTs环氧复合材料。结果表明:MWCNTs能够抑制Mt堆叠,而Mt能提高MWCNTs分散,层状Mt和管状MWCNTs可协同增强增韧复合材料;相比于空白对比样,含Mt-MWCNTs环氧复合材料的层间剪切强度提高了约28%,拉伸强度及模量分别提升约24%和25%,弯曲强度及模量分别提升了约19%和23%;玻璃化转变温度提高了近5 ℃。

连续碳纤维增强热固性预浸料压实性能的试验研究

满珈诚, 侯进森, 李哲夫, 岳广全, 徐鹏, 姜碧羽, 刘卫平

2022, 0(7): 45-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.007

摘要 ( 185 )

PDF (6431KB) ( 49 )

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预浸料的压实性能是影响复合材料制件成型质量的一项重要指标,为了能够深入了解预浸料在成型过程中的压实性能,本文建立了有效且稳定的试验方案,试验研究了连续碳纤维/环氧预浸料的压实行为,使用万能试验机及自行设计的装置,对预浸料在压实过程中的应力、应变进行了测试和表征,并对尺寸、厚度、温度、下压速率等四个结构和工艺参数进行了控制,以此来探究这些因素对压实行为的影响。结果表明,尺寸、厚度、温度均对应力-应变结果有显著影响,而下压速率影响不大。同时,使用应力硬化模型对试验结果进行拟合,结果表明在预浸料树脂未固化时应力与应变之间存在着指数关系。

湿热/干燥环境交替作用下碳纤维复合材料的吸湿/脱湿特性

林梅, 张铁军, 冯宇, 王旗, 武梦科

2022, 0(7): 52-59. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.008

摘要 ( 174 )

PDF (11522KB) ( 57 )

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研究了湿热/干燥环境交替作用下碳纤维复合材料的吸湿/脱湿特性。完成了复合材料层合板的六次高温高湿/干燥环境交替作用试验。通过观察复合材料基体和界面微观形貌,分析环境损伤的特征和演化规律。研究结果表明:在湿热/干燥环境交替作用下,复合材料的吸湿扩散速率逐渐变大,平衡吸湿量有所增加,脱湿时间明显增大。这表明材料特性和微观结构发生了一些变化;使用多项式拟合吸湿/脱湿试验数据精度较好,并依据Fick定律推导出多次吸湿-脱湿方程;观察第四、六次吸湿后复合材料的界面微观形貌差异不大,界面破坏基本达到“饱和”;最后提出“总损伤”和“残留损伤”来描述湿热/干燥交替作用而产生的环境损伤,为损伤表征和性能预测提供新思路。

SiC_f/Al₂O₃/Mullite复合材料的制备及吸波性能

高慧, 罗发, 渠永平, 王春海

2022, 0(7): 60-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.009

摘要 ( 75 )

PDF (9972KB) ( 27 )

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碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料在军用、民用领域的重要性日益凸显。本文以莫来石溶胶作为基体前驱体溶液、氧化铝作为界面层,采用溶胶-凝胶法制备得到SiC_f/Al₂O₃/Mullite复合材料。研究了煅烧温度对粉体物相及形貌的影响,分析了Al₂O₃界面层的表面形貌以及SiC_f/Al₂O₃/Mullite复合材料的微观结构、力学、介电及吸波性能。结果表明:利用溶胶-凝胶法制备得到了连续、致密的Al₂O₃界面层,厚度约为46 nm。SiC_f/Al₂O₃/Mullite复合材料的抗弯强度和断裂位移分别可以达到234 MPa和0.36 mm。在材料厚度范围为3.3 mm~3.5 mm时,其反射率值在整个X波段都小于-5 dB。利用莫来石作为基体、氧化铝作为界面层制备的SiC_f/Al₂O₃/Mullite复合材料在吸波材料领域具有潜在的应用价值。

磁性聚吡咯基复合材料吸附电镀废水中铜离子

王东萍

2022, 0(7): 66-70. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.010

摘要 ( 80 )

PDF (3021KB) ( 31 )

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首先采用沉淀法制取Fe₃O₄纳米微球,然后在超声波作用下,使聚吡咯与Fe₃O₄相结合,形成聚吡咯基磁性纳米复合材料,所得复合材料采用XRD、FTIR、SEM、TEM及磁学性能进行表征,实验结果表明聚吡咯与Fe₃O₄纳米微球已成功复合,形成粒径约为200 nm、饱和磁化强度为48 emu/g的复合材料。实验进一步开展了复合材料作为吸附剂对铜离子的循环吸附研究,第1次循环吸附效率为94.50%,5次循环吸附后,吸附效率为88.25%,吸附效率仍较为可观。同时,复合材料本身具有较强的磁学性能,使得整个循环吸附过程可以通过磁性吸附进行,操作简单,省时省力。因此,该复合材料作为一种循环吸附剂,具有良好的应用前景。

全尺寸叶片静力测试中ANSYS梁模型应用与研究

鲁晓锋, 张颜明, 蒙丹, 苏成功

2022, 0(7): 71-74. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.011

摘要 ( 99 )

PDF (2878KB) ( 105 )

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为了更快速地进行全尺寸叶片静力测试方案设计,本文给出了一种基于ANSYS梁模型采用几何非线性分析进行静力测试方案设计的方法,首先通过与shell模型进行对比证明了梁模型计算的准确性,然后将该方法应用于全尺寸叶片的静力测试中,测试结果显示测试数据与理论数据吻合,偏差满足规范要求,证明了该方案的可行性。

超支化不饱和聚酯的制备及其应用研究

宦胜民, 黄小波, 杨润苗, 向萌

2022, 0(7): 75-80. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.012

摘要 ( 86 )

PDF (1542KB) ( 54 )

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设计并合成了一种壳核型超支化不饱和聚酯。该化合物以三羟甲基丙烷和2,2-双(羟甲基)丙酸形成的超支化聚酯为核,通过长链酸对其端部进行改性,改善其黏度和溶解性。然后用甲基丙烯酸羟乙酯与异佛尔酮二异氰酸酯加成物作为外壳,对超支化聚酯进行改性,制备壳核型超支化的不饱和树脂。用傅里叶红外(FT-IR)、核磁共振(¹H NMR)、热重分析(TG)等对产物进行表征与分析。同时,将所得的超支化不饱和树脂对线性不饱和聚酯进行改性,结果表明,当超支化不饱和树脂添加量为3%时,即可对不饱和聚酯有很好的韧性增强,同时保持其他的力学性能。最后研究了壳核型超支化不饱和聚酯对不饱和聚酯黏度体系的影响。

复合材料Ⅱ型分层ENF试验数据处理方法对比分析

王雅娜, 赵魏

2022, 0(7): 81-92. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.013

摘要 ( 220 )

PDF (2284KB) ( 305 )

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Ⅱ型分层是复合材料层板结构中常见的一种层间裂纹扩展模式,因此Ⅱ型层间断裂韧性是评估材料层间性能以及复合材料结构设计、分析不可或缺的力学性能参数。复合材料Ⅱ型层间断裂韧性测试有多种试验方法,其中以基于端部缺口梁三点弯曲(ENF)的试验方法最广泛。鉴于ENF试验中Ⅱ型分层驱动机制的复杂性和众多的影响因素,国内外研究人员提出了许多Ⅱ型层间断裂韧性的数据处理方法,在同一个ENF试验中采用不同的数据处理方法可能得到不一致的Ⅱ型层间断裂韧性测试结果。为了便于工程人员深入理解不同Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的差异,本文首次系统地梳理了现存的各种基于ENF试验的Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的力学原理、简化条件、推导过程,讨论了不同Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的精度和适用范围,可为复合材料研制、测试、设计人员提供有用的指导。

水处理罐缠绕工艺中玻璃纤维团打结装置设计与分析

田会方, 张国武, 吴迎峰, 任政

2022, 0(7): 93-98. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.014

摘要 ( 89 )

PDF (5941KB) ( 36 )

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目前缠绕工艺中玻璃纤维束续接都是采用人工打结,针对此问题,本文研究了现有打结设备的工作原理,设计了一种用于玻璃纤维团续接的打结装置。在Creo软件中,对打结装置进行详细设计,并通过仿真验证了该打结装置的纤维束续接功能。

聚合物辅助沉积法制备导电玄武岩纤维

冯倩倩, 朱方龙

2022, 0(7): 99-102. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.015

摘要 ( 80 )

PDF (5063KB) ( 45 )

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为进一步解决玄武岩纤维因绝缘性导致其应用领域受限的问题,本研究采用聚合物辅助金属沉积法在玄武岩纤维表面化学镀镍金属层制备导电玄武岩纤维。以盐酸L-半胱氨酸(L-H-Cys)溶液处理经酸化后的玄武岩纤维,并经化学镀方法在其表面沉积镍层以制备导电功能玄武岩纤维。采用SEM、FTIR、XRD及电阻测试等实验手段对镀镍后的玄武岩纤维的微观结构、物相结构、附着力、导电性进行了评价表征。实验结果显示,纤维表面镍薄膜由致密的球形颗粒组成,电阻值为14.2 Ω/cm(电阻率1.9×10^-3 Ω·cm),且经三次冷热循环处理后,镀镍玄武岩纤维仍具有较好的导电性,电阻值为15.8 Ω/cm,相应电阻率为2.1×10^-3 Ω·cm,这也表明所制备的镀镍玄武岩纤维具有较高的镀层附着力和良好的导电性能,在纤维增强屏蔽复合材料领域具有广阔的应用前景。

聚氨酯复合材料步行板结构设计及力学性能研究

刘志, 张彬, 赵微微, 张勇

2022, 0(7): 103-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.016

摘要 ( 142 )

PDF (2426KB) ( 64 )

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本文基于工程经验和模拟仿真相结合的方法设计了等刚度复合材料步行板,确定了复合材料步行板的结构构型和横截面几何尺寸,采用拉挤成型工艺制备了三种铺毡方式的试验件并进行了测试,结果表明三种铺毡方式的步行板力学性能均满足标准要求,挠跨比最低为1/342,承载力可达35.4 kN,且步行板在破坏之前微应变和载荷呈线性变化关系。仿真模拟分析结果与实际测试结果对比发现,各肋挠度值与实际测试结果接近,且变化趋势一致,可以为步行板的结构设计提供理论数据。本文设计并制备的步行板可以满足铁路桥涵设计规范的要求。

蜂窝夹芯壁板剪切屈曲载荷分析方法对比研究

熊华锋, 李磊

2022, 0(7): 107-110. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.017

摘要 ( 72 )

PDF (6948KB) ( 74 )

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本文对蜂窝夹芯壁板剪切屈曲载荷的三种分析方法进行了研究,分析方法包含工程法、线性有限元法和非线性有限元法。工程法中,计算出相关参数后直接查取图表获得屈曲载荷系数,再求出屈曲载荷。线性有限元法利用子空间特征值求解法得到各阶特征值,最小特征值与加载载荷的乘积即为屈曲载荷。非线性有限元法中,以位移最大点处内面板或者外面板的最小主应变变化趋势发生转折时的载荷作为屈曲载荷。进行了蜂窝夹芯板的剪切试验,试验结果表明工程法预测结果过于保守,线性有限元法和非线性有限元法的预测结果很接近,且与试验结果吻合较好。

低体分SiCp/Al复合材料钻削切屑形貌及孔壁损伤实验研究

邹财勇, 闫承磊, 李杰, 刘畅

2022, 0(7): 111-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.018

摘要 ( 85 )

PDF (4773KB) ( 33 )

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SiCp/Al复合材料以其优异的物理性能而被广泛应用于电子及航空航天等领域。研究SiCp/Al复合材料的钻削机理对于获得较高加工质量具有重要意义。本文针对SiCp/Al复合材料在不同的主轴转速(1 000 rpm~2 000 rpm)和进给量(0.1 mm/rev~0.2 mm/rev)下进行了钻孔实验,并对切屑形貌、表面粗糙度和孔壁损伤进行了实验研究。结果表明,切屑在宏观下可以观察到扇形切屑、C状切屑和锥形螺旋切屑,还在切屑末端处观察到锯齿状损伤,而在微观下可以发现切屑的正面和背面出现了撕裂、空隙、断裂、裂纹和凹槽等损伤形式。孔壁处的表面粗糙度随进给量的增加而增加,随主轴转速的增加而降低。另外,还在孔壁处发现了基体裂纹、基体撕裂和空洞等孔壁损伤形式。

复合材料风扇机匣包容性相关研究进展

张昊, 孙宏杰, 孙建波, 张建宝, 刘永佼, 孙舰, 李忠

2022, 0(7): 115-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.019

摘要 ( 228 )

PDF (3690KB) ( 206 )

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随着风扇包容机匣材料及结构设计的不断优化,目前已发展出多种不同结构形式的复合材料风扇机匣,考虑复合材料风扇机匣的服役工况,复合材料风扇机匣需要对叶片飞脱过程中产生的高能碎片具有足够的包容效果,因而包容性成为评判其工作性能优劣的重要依据之一。本文对目前在役的复合材料包容机匣种类做了简单阐述,归纳了适用于复合材料风扇包容机匣的包容性评价手段,总结了复合材料风扇包容机匣的包容损伤机制研究进展,对复合材料风扇包容机匣的包容性提升手段进行了论述,并在此基础上对复合材料风扇机匣包容性的进一步研究进行了展望。

复合材料残余应力与固化变形机理及控制研究进展

何靓, 朱攀星, 俆小伟, 王金云

2022, 0(7): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.020

摘要 ( 232 )

PDF (2027KB) ( 263 )

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复合材料因其高强轻质等特点被越来越广泛地应用于航空航天、船舶、车辆等领域,但复合材料的固化变形是阻碍其快速发展和应用的主要障碍之一。本文针对复合材料残余应力及固化变形的问题,阐述了引起残余应力和变形的机理,包括热膨胀属性的不匹配、聚合反应/结晶收缩、模具-零件的相互作用、树脂的流动压实、纤维褶皱或屈曲、温度和固化度的梯度分布,提出了包括固化参数的优化、模具补偿、零件-模具的相互作用优化、新型树脂的开发、新的固化工艺五种控制残余应力产生和固化变形方法,总结了控制固化变形方法中存在的问题,并展望了未来的研究方向。

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