复合材料科学与工程

卢春玲, 袁国华, 黄东发, 王强

2022, 0(8): 5-14. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.001

摘要 ( 91 )

PDF (5541KB) ( 23 )

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针对自锁式锚具张拉碳纤维布持荷过程中损失较大的问题,本文开发了一种基于“楔削效应”的楔片式张拉锚固装置。在恒温恒湿条件下,对12组预应力碳纤维布加固RC柱进行了预应力损失试验研究。考虑了自锁/楔片式锚具、柱表面粗糙度、预应力度及是否二次张拉对预应力损失的影响,分析了张拉过程中碳纤维布与柱表面的相对滑动造成的摩擦损失和持荷过程中碳纤维布的预应力损失。试验结果表明:与自锁式锚具相比,采用楔片式锚具张拉碳纤维布可有效降低碳纤维布持荷过程中的预应力损失率,对碳纤维布的总预应力损失降幅最大达41.4%,涂胶可降低碳纤维布的摩擦损失和回缩引起的预应力损失,二次张拉可降低碳纤维布回缩引起的预应力损失。基于试验结果建立了应力损失计算公式,为碳纤维布预应力损失计算提供参考。

基于非线性梯度单元的石墨烯功能梯度悬臂板力学特性

张鹏程, 于印鑫, 李恩国, 赵天宇, 付涛

2022, 0(8): 15-22. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.002

摘要 ( 45 )

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针对石墨烯功能梯度材料提出了一种基于20节点非线性梯度单元的有限元建模方法,该方法克服了传统有限元分层法无法精确拟合功能材料梯度变化和无法进行应力分析的缺点。以U形、X形和O形3种梯度分布形式的悬臂板为研究对象,分析了悬臂板静载荷下的弯曲变形、应力分布和模态特性,并与有限元分层法模型进行了对比分析和验证。研究结果表明:与非线性梯度单元法相比,传统分层法模型会导致X形悬臂板弯曲刚度和对应各阶固有频率大于实际值,而导致O形悬臂板的弯曲刚度和对应各阶固有频率小于实际值;与U形分布形式相比,X形梯度分布可以提高悬臂板弯曲刚度,提高悬臂板各阶固有频率,而O形分布形式会降低悬臂板弯曲刚度,降低各阶固有频率;非线性梯度单元法能够实现对功能梯度板厚度方向的应力求解,为功能梯度板的疲劳寿命分析提供了理论基础。

风电叶片摆振疲劳动态模拟方法及应用

唐雪, 王振刚, 袁德宣, 汪建, 谢磊

2022, 0(8): 23-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.003

摘要 ( 136 )

PDF (2649KB) ( 66 )

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风电叶片疲劳损伤一方面是由于叶片本身疲劳强度不足引起的,另一方面是由于叶片呼吸效应过大而引发的后缘逐渐开裂。本文针对某一大兆瓦风电叶片,模拟其在200万次摆振疲劳循环载荷下的一次循环过程,得到叶片在摆振疲劳循环过程下的动态响应,同时提取叶片局部节点应变时程及位移时程,研究其疲劳强度及呼吸效应,计算结果表明,叶片结构在200万次摆振疲劳循环载荷下是安全的;而后通过摆振疲劳测试验证计算结果的准确性。

含预埋缺陷复合材料帽形加筋壁板界面失效研究

成李南, 徐思文, 陈向明, 李新祥, 屈天骄

2022, 0(8): 28-34. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.004

摘要 ( 123 )

PDF (9097KB) ( 31 )

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本文对复合材料帽形加筋壁板后屈曲破坏过程中粘接面失效问题开展了研究。首先设计并完成了无缺陷、含预埋缺陷的帽形单筋板四点弯曲试验以表征加筋壁板典型区域的后屈曲失效;然后基于数值模拟方法,利用内聚力模型(CZM)对无缺陷和含预埋缺陷试件弯曲受载时的界面脱黏进行了渐进破坏分析。结果表明:采用cohesive单元和考虑厚度方向压缩影响的层间失效准则方法建立有限元模型可以很好地模拟复合材料加筋结构界面脱黏;凸缘-蒙皮预埋缺陷对帽形加筋壁板起裂载荷基本没有影响,筋条内角和填充区界面预埋缺陷会显著降低帽形加筋板的承载能力,但起始裂纹均发生在筋条内角和填充区的粘接界面。

铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶爆破与疲劳性能研究

康凯, 祖磊, 吴乔国, 张骞, 张桂明

2022, 0(8): 35-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.005

摘要 ( 203 )

PDF (9917KB) ( 113 )

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本文采用试验测试与数值模拟相结合的方法,研究了铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶爆破压力与疲劳寿命的关联规律。开展了铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶的设计和制造,并进行了水压爆破和疲劳性能试验测试,获得了气瓶的爆破压力、疲劳寿命和破坏形貌。建立了基于渐进损伤分析模型的气瓶爆破压力预测方法、基于Morrow平均应力修正及Manson-Coffin等效应变法的气瓶疲劳寿命预测方法,取得了与试验吻合的结果。分析了气瓶设计参数对爆破压力和疲劳寿命的影响规律,结果表明,2.25倍爆破安全系数的气瓶在工作压力较高或气瓶筒身直径较大的情况下,仅通过自紧处理难以同时满足最小爆破压力和最低疲劳寿命的要求,因此还需适当地提高爆破安全系数或增加内胆筒身厚度。

EMAA含量对平纹编织碳纤维复合材料层间断裂自修复性能的影响研究

胡明浩, 郭攀登, 铁瑛, 皮晓璠, 张臻臻

2022, 0(8): 44-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.006

摘要 ( 59 )

PDF (11015KB) ( 38 )

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基于试验和数值方法研究了聚乙烯-甲基丙烯酸(EMAA)的含量对平纹编织碳纤维复合材料层间断裂性能和修复效果的影响。采用三维缝合增韧和分阶段固化工艺制备EMAA自修复单向层合碳纤维复合材料,基于Ⅰ型层间断裂韧性试验,研究了复合材料在加载和修复状态下的裂纹扩展行为和断裂韧性性能。使用非线性弹簧模型进行离散桥联机理的研究,同时,通过双分区黏聚区模型以及修正弹簧参数,实现修复前后数值建模和仿真计算。试验和仿真研究结果表明:所建立的数值模型能够较准确地预测原始和修复后具有三维自修复网络的复合材料的Ⅰ型裂纹扩展阻力曲线和断裂韧性。EMAA的掺入提高了层间裂缝的实际韧性,层间韧性和修复效率都与EMAA的含量呈正相关关系。

聚甲醛粗纤维超高强混凝土力学性能研究

夏旸昊, 杨鼎宜, 赵林, 钱云峰, 高函

2022, 0(8): 52-57. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.007

摘要 ( 41 )

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为了探究聚甲醛(POM)粗纤维对超高强混凝土(UHSC)力学性能的影响,以促进其推广与应用,研究了POM粗纤维体积掺量(0%~2.0%)对UHSC工作性能、抗压强度、抗折强度、弯曲韧性和断裂韧度等性能的影响。试验结果表明:POM粗纤维的掺入会降低UHSC的工作性能,提高其抗压强度、抗折强度、弯曲韧性和断裂韧度。纤维掺量为1.0%时,其抗折强度提升明显;纤维掺量为1.5%的试件抗压强度最大,同时弯曲韧性的改善效果最为显著,断裂韧度也得到了明显提升。

高温作用下碳纤维增强混凝土内部孔隙结构与动态力学特性研究

张景丽, 纠永志

2022, 0(8): 58-63. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.008

摘要 ( 49 )

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为研究不同长度(0 mm、3 mm、6 mm、12 mm)碳纤维增强混凝土在高温(25 ℃、100 ℃、200 ℃、400 ℃)作用下内部孔隙结构变化及动态力学特性,采用核磁共振(NMR)技术分析试件T₂谱分布及孔隙率变化情况,并利用霍普金森压杆对不同高温作用下混凝土试件开展动态单轴冲击压缩试验,分析碳纤维长度、温度对混凝土动态力学性能的影响。结果表明:纤维长度为6 mm时对混凝土增强效果最好,温度升高会减小试件的强度和质量;碳纤维增强混凝土T₂谱曲线为双峰型,纤维长度为0 mm时试件T₂谱峰值最大,孔隙数量最多,纤维长度为6 mm时峰值最低,纤维的掺入能有效减少孔隙数目;随着温度的升高,T₂谱峰值增高,试件内部孔隙数目随之增加,孔隙率变大,温度效应造成了试件的劣化;碳纤维的掺入能增强试件动态抗压强度,有效减小极限应变,温度的上升会对碳纤维增强混凝土造成损伤,降低其动态抗压强度与应变率效应,DIF随之降低。

热塑性GF/PP双稳态杆状复合材料压缩性能的影响因素

孙雨晴, 赵方, 邵慧奇, 蒋金华, 陈南梁

2022, 0(8): 64-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.009

摘要 ( 134 )

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热塑性双稳态复合材料由于具有质轻、力学性能优越、空间利用率高等优势,在空间可展开结构领域有着良好的应用前景。为探讨支撑杆件用GF/PP双稳态复合材料的力学性能,本文从玻纤规格、铺设角度、曲率半径出发,对试样进行结构设计,对玻纤织物的拉伸、弯曲、剪切性能,以及平板状态下复合材料的拉伸、弯曲性能进行测试和分析,并着重研究了双稳态复合材料在第一稳态下的轴向压缩性能。研究结果显示:玻纤规格和铺设角度对双稳态复合材料的拉伸、弯曲性能均有一定影响,采用面密度分别为200 g·m^-2、300 g·m^-2的试样进行±30°铺层时,复合材料轴向和横向的拉伸、弯曲性能较好;而双稳态复合材料压缩性能的影响因素由强到弱包括玻纤规格、铺设角度、曲率半径,面密度为300 g·m^-2,铺设角度为[±30°/0°/90°/±30°],曲率半径为2.5 in(1 in≈2.54 cm)的双稳态复合材料的轴向压缩性能较为优越。

缠绕张力对复合材料缠绕结构材料强度的影响规律研究

杜友耀, 邓春志, 常鑫, 徐自力, 张映明, 高跃

2022, 0(8): 70-74. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.010

摘要 ( 95 )

PDF (6115KB) ( 117 )

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采用张力缠绕工艺制作的复合材料护套是预防高速永磁电机转子永磁体在离心力载荷下破坏的有效途径。本文针对复合材料缠绕结构缠绕张力对其材料强度影响的多因素竞争关系,设计并开展了不同张力缠绕复合材料NOL(Naval Obdnance Laboratory)环强度实验、缠绕结构固化残余应力实验,获得了缠绕张力对复合材料的材料强度、缠绕结构残余应力的影响规律,分别采用混合率和代表体元方法建立了缠绕张力影响及纤维体分比变化规律的纤维缠绕材料拉伸强度理论估测方法,阐释了缠绕张力导致复合材料强度影响机理,为缠绕复合材料结构选择合适的缠绕张力范围提供了参考。

浸渍非牛顿流体的芳纶复合材料制备与研究

袁士清, 许大田, 胡彪, 黄佳骏, 唐利渊, 李璐遥, 田美琴, 何宇飞

2022, 0(8): 75-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.011

摘要 ( 55 )

PDF (7424KB) ( 48 )

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针对现有抗冲击性能材料的不足,本文采用双辊开炼机剪切加压的方法将芳纶纤维布与非牛顿流体进行充分浸渍,通过固化反应使其与聚氨酯基体紧密结合,制得一种新型芳纶纤维布增强非牛顿流体基复合材料。通过纳米粒度仪与电位分析表征粒子在介质中的分散效果,并利用流变仪表征非牛顿流体黏度随剪切频率的变化。当分散相粒子添加量达到30wt%时,可以观察到明显的剪切增稠过程,且黏度可达初始黏度的3倍。研究发现剪切增稠液的初始黏度与增稠后能达到的最大黏度也与初始黏度呈正相关性;浸渍率测试与扫描电子显微镜(SEM)对复合材料结构表征结果表明,在压辊浸渍的工艺下可以实现纤维与剪切增稠液以1∶1的质量比进行有效结合。为评估芳纶纤维布增强非牛顿流体基复合材料的抗冲击性能,现场模拟电力电缆敷设工况,采用施工过程中常用的开掘设备对制备的聚丙烯-剪切增稠液浸渍芳纶夹层板进行原位冲击试验,结果表明该新型非牛顿流体基复合材料具有优异的抗冲击性能,能够满足复杂工况对材料抗冲击性能的要求。

环氧乙烯基酯树脂及其复合材料高温高压矿化水条件下老化性能研究

李风, 王亭沂, 张瑾, 范路, 杨成瑞, 时宪

2022, 0(8): 82-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.012

摘要 ( 87 )

PDF (897KB) ( 42 )

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制备环氧乙烯基酯树脂及其玻璃纤维增强复合材料,对其进行高温高压(70 ℃+5 MPa)矿化水老化试验,研究纯树脂、树脂基复合材料在高温高压矿化水老化条件下的性能劣化趋势及其老化机理。研究发现:老化后材料的力学性能出现大幅度降低,经老化49 d后复合材料的剩余拉伸强度为56.79%,环氧乙烯基酯的拉伸强度仅为27.30%;老化前后,环氧乙烯基酯的特征官能团发生变化,发生了酯基的水解、材料内部形成氢键等物理化学反应,对材料性能产生不利影响;环氧乙烯基酯的FTIR以及XPS数据表明树脂的老化程度从材料的表面沿厚度方向逐渐减弱;SEM结果表明,环氧乙烯基酯在老化过程中断裂失效模式从韧性断裂慢慢转变为脆性断裂,在复合材料内部还发生了界面脱黏现象;树脂及复合材料的DMA数据显示,由于老化后树脂分子链的断裂以及水分子的增塑效应,复合材料的玻璃化温度降低并且储能模量发生了变化。

有机膨润土增稠低温固化乙烯基酯树脂预浸料的性能

刘晓帆, 吴书广, 徐任信

2022, 0(8): 89-92. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.013

摘要 ( 142 )

PDF (897KB) ( 26 )

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为制备一种低温固化乙烯基酯树脂预浸料并研究增稠剂含量对预浸料及复合材料性能的影响,采用有机膨润土为增稠剂、无碱玻璃纤维布为增强材料,以一步浸渍法制备了纤维预浸料;通过真空袋压成型,在60 ℃下预热30 min,90 ℃下固化1 h,得到固化程度良好的复合材料。研究不同含量有机膨润土预浸料的工艺性能及复合材料的力学性能,结果表明,各预浸料树脂含量有细微差别,黏性级别均为1级,工艺性能良好。复合材料的力学性能在膨润土质量含量为10%时,拉伸强度为395 MPa,弯曲强度为382 MPa,压缩强度为201 MPa,综合力学性能最为优异。

湿热环境对复合材料加筋壁板长桁截止端力学性能影响试验研究

尚海江, 李星, 高丽敏, 温顺达

2022, 0(8): 93-98. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.014

摘要 ( 119 )

PDF (7864KB) ( 81 )

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本文以复合材料加筋壁板长桁截止端为研究对象,介绍了复合材料加筋壁板长桁截止端试验件的构型、试验方案、试验过程和试验结果,对其在湿热环境和常温环境下的力学性能进行了对比分析。结果表明,试验件刚度受湿热环境影响较小,试验件强度受湿热环境影响较大,即湿热环境下试验件强度明显小于常温环境下试验件强度,因此在结构设计时需要考虑湿热环境对复合材料结构力学性能的影响。

典型结构钻头钻削正交编织CFRP轴向切削力及制孔质量研究

邹财勇, 石广兴, 李杰, 刘思南

2022, 0(8): 99-104. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.015

摘要 ( 127 )

PDF (6343KB) ( 25 )

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正交编织碳纤维增强复合材料CFRP具有高比强度、高比模量等优异性能,被广泛应用于航空航天、国防军工等领域。然而由于正交编织CFRP的特殊纤维编织方式,其切削及材料特性与单向CFRP差异较大。为了提高正交编织CFRP的制孔质量,本文采用麻花钻、三尖钻和八面钻等3种典型结构钻头,系统研究不同钻削条件下轴向切削力和制孔质量的变化规律。实验结果表明,三尖钻能够有效降低轴向切削力,提高制孔质量,更适合于正交编织CFRP制孔加工。

复合材料C形梁R角孔隙率影响因素研究

袁超, 李锋, 陈静, 邱启艳

2022, 0(8): 105-109. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.016

摘要 ( 176 )

PDF (10610KB) ( 53 )

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针对复合材料C形梁结构,通过工艺软模、预压实操作及工艺参数的改变进行了C形梁R角孔隙率影响因素研究。结果表明:在固化过程中采用工艺软模能明显降低C形梁R角区域的孔隙率,在一定程度内,软模刚度提高能降低孔隙率,但当软模刚度达到一定程度后,再增加软模刚度不能进一步降低孔隙率;在固化前进行预压实操作能降低C形梁R角区域的孔隙率;提高压力和进行抽真空操作也能降低C形梁R角区域的孔隙率。

回收碳纤维复合材料用于增强水泥基材料的研发现状

刘尧, 吴震华, 张芝芳, 欧阳小伟

2022, 0(8): 110-116. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.017

摘要 ( 67 )

PDF (5209KB) ( 60 )

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碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer,CFRP)在生产、应用与报废的过程中产生的废弃物逐年增多,如何处置该类废弃物已成为一个全球性的难题。本文首先介绍了CFRP目前主要的回收形式与回收方法,然后聚焦于回收CFRP被添加到水泥基材料中的研究现状。现有研究表明加入CFRP对水泥基材料力学性能的改善有明显效果,对其耐高温性以及导电性也有显著提升。这证明了使用回收CFRP开发多功能水泥材料的可能性,为回收CFRP材料开辟了一条新的途径,对于环境保护以及废弃物资源化都有重大的意义。

SiO₂气凝胶材料增强技术研究进展

李艳华, 吴一凡, 韩琦

2022, 0(8): 117-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.018

摘要 ( 161 )

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SiO₂气凝胶材料具有独特的纳米网络骨架结构,赋予材料极小的孔径结构、极高的孔隙率;同时气凝胶骨架的纳米微孔具有较为复杂的结构,可以有效阻挡热流的通过,使其具有极低的导热系数。气凝胶骨架主要为Si—O—Si结构,耐高温性能较为良好。SiO₂气凝胶在建筑隔热保温、航空航天热防护、吸音降噪、武器装备制造业等领域具有广泛的应用,是国内外热防护材料的主要研发方向之一。然而,SiO₂气凝胶纳米网络骨架结构的强度较低、连续性差,纳米孔结构物理化学结合较差、相关产品脆性较大,在外界载荷作用下极易发生骨架结构破坏,很难兼具热防护和承载的双重功能。本文从骨架增强、聚合物增强、第二相增强三个角度,论述了SiO₂气凝胶材料骨架增强的研究现状及存在问题。对国内外关于SiO₂气凝胶材料骨架增强技术的研究现状及所存在的主要问题进行了总结归纳,为SiO₂气凝胶材料骨架增强技术未来的发展提供了思路。

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