复合材料科学与工程

祖磊, 范文俊, 张骞, 牟星, 吴世俊, 张桂明, 吴乔国, 耿洪波

2022, 0(10): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.001

摘要 ( 214 )

PDF (4991KB) ( 160 )

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本文基于非线性有限元理论,对承受内压载荷的复合材料壳体进行缠绕参数优化设计。采用截锥壳单元和薄壳理论建立了复合材料壳体强度分析模型,取得了与固体火箭发动机壳体水压试验吻合的结果,与商业有限元软件ABAQUS的对比结果表明该模型具有较高的计算效率,可以用于复合材料壳体的应力分析及爆破压力预测;采用该强度分析模型与遗传算法相结合对复合材料壳体螺旋层的非测地线缠绕滑移系数进行优化设计,得到在滑移系数为0.19时壳体的爆破压力最高,与测地线缠绕相比提高了10.7%。结果表明在设计复合材料壳体时,借助该平台可以针对螺旋层的滑移系数进行优化设计,使产品达到最佳的力学性能。

冻融作用下短切玄武岩纤维混凝土损伤演化及动态力学性能研究

刘露, 何康

2022, 0(10): 13-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.002

摘要 ( 105 )

PDF (3785KB) ( 58 )

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冻融环境会对混凝土材料造成损伤,基于试验研究短切玄武岩纤维(6 mm)混凝土在冻融循环作用下的损伤演化规律及动态力学特性,采用非金属超声波检测仪测量纤维掺量为0%、0.2%、0.4%、0.6%时玄武岩纤维混凝土在不同冻融循环次数下(0次、25次、50次、75次、100次、125次)的纵波波速,利用霍普金森压杆进行短切玄武岩纤维混凝土动态单轴压缩试验,分析纤维掺量及冻融循环次数对玄武岩纤维混凝土质量、纵波波速及动态力学性能的影响规律,并结合电镜扫描(SEM)观察冻融循环作用下试件内部微观结构。结果表明:冻融作用会使混凝土材料发生疲劳损伤,材料表面发生剥落破坏,质量减小,纵波波速降低,玄武岩纤维的掺入会增加试件整体性,降低冻融作用对混凝土产生的疲劳损伤,掺量为0.4%时效果最佳;冻融循环使试件在动载作用下动态峰值应力、弹性模量及韧性降低,峰值应变增加,相同冻融次数下随着纤维掺量的增加,试件韧性先增大后降低;SEM试验结果表明冻融循环作用会使混凝土内部裂纹扩展,增大损伤程度,纤维的掺入会降低试件冻融损伤程度。

大型风电叶片预埋叶根连接参数化建模及强度分析

王振刚, 唐雪, 蒋传鸿, 李晓, 张石强, 谢磊

2022, 0(10): 20-24. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.003

摘要 ( 305 )

PDF (3407KB) ( 246 )

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基于Python开发了风电叶片预埋叶根连接有限元建模脚本,通过预埋叶根连接几何模型参数化,同时自动进行材料属性设置、接触设置、网格划分及载荷约束设置,实现了预埋叶根连接参数化有限元建模。通过有限元分析软件对叶片双头螺栓和轴承端螺栓施加预紧力,在预紧力和外载共同作用下,利用有限元分析软件进行接触非线性计算,依据VDI 2230和GL 2010分析了预埋叶根连接螺栓及螺栓套与界面之间的静强度和疲劳强度,为预埋叶根连接设计优化提供指导和参考。基于Python开发的风电叶片预埋叶根连接参数化有限元建模脚本,缩短了风电叶片预埋叶根连接详细设计及结构校核周期。

冲击角度对Nomex蜂窝夹芯板低速平头冲击响应的影响

黄贵宾, 段玥晨, 谢鑫

2022, 0(10): 25-32. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.004

摘要 ( 107 )

PDF (11060KB) ( 61 )

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Nomex蜂窝夹芯结构的抗平头冲击性能常见于高速高能冲击下的弹道特性研究,且多为冲头与板面垂直的形式,而不是更为常见的斜冲击。为研究铝面板Nomex蜂窝结构低速抗平头冲击性能,采用ABAQUS建立了Nomex蜂窝夹芯结构的精细化模型,搭建半球头低速冲击试验平台进行冲击试验,通过冲击力-时间曲线和冲头速度-时间曲线对比验证了仿真模型的准确性。仿真计算了该结构在0°、15°、30°和45°平头冲击下的损伤形貌、力学响应和能量吸收情况。结果表明斜冲击时随着平头冲击角度增大,Nomex蜂窝夹芯面板最大凹深减小,水平滑移距离增大但脱黏面积几乎不变;冲击角度从0°增大到45°,接触时间增大34.88%,冲击接触力峰值下降12.79%,蜂窝芯吸能减少63.28%。

大直径GFRP筋与混凝土黏结性能现场足尺试验研究

王凤姣, 白晓宇, 陈吉光, 于龙涛, 李明, 朱磊

2022, 0(10): 33-37. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.005

摘要 ( 172 )

PDF (3341KB) ( 73 )

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为研究大直径GFRP筋与混凝土的黏结性能,利用现场开挖沟槽作为地模然后浇筑混凝土的试验方式,进行GFRP筋与混凝土的极限抗拔试验,明确GFRP筋极限抗拔承载力及黏结-滑移的影响因素。结果表明:①GFRP筋的破坏形式主要以剪切滑移破坏为主。②GFRP筋的极限抗拔承载力随竖向锚固长度和直径的增加而增大,弯折处理可有效降低GFRP筋与混凝土的相对滑移,且竖向锚固长度越长,GFRP筋的滑移量越小;GFRP筋的滑移量随弯折长度增加而减小。③GFRP筋弯折处理会削弱其极限承载力,结果显示,通过现有弯折工艺来提升GFRP筋与混凝土的极限抗拔承载力的效果有限。

冻融循环周次对混杂纤维混凝土孔结构影响试验研究

关喜彬

2022, 0(10): 38-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.006

摘要 ( 94 )

PDF (8956KB) ( 35 )

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为了研究冻融循环周次对混杂纤维混凝土性能的影响,开展不同纤维体积掺量混凝土快速冻融循环试验,重点分析混杂纤维混凝土力学行为及孔结构特征的变化规律。试验结果表明:随着冻融循环周次的增加,混杂纤维混凝土抗压和劈裂抗拉强度降低,冻融损伤量增大,而纤维的掺入减小了冻融损伤量和冻融引起的强度折减,这种现象随纤维体积掺量的增加而越发显著。从细观分析,纤维混凝土气孔参数含气量、气泡间距系数及平均弦长与试件抗压、劈裂抗拉强度呈负相关关系,而与冻融损伤量呈正相关关系。纤维体积掺量一定时,冻融循环周次越多,混凝土含气量、气泡间距系数及平均弦长均越大,而气孔比表面积则越小。

低温循环下碳纳米管薄膜增强GFRP弯曲性能研究

马佳赫, 王共冬, 要淞洋, 韩承霖, 李桦, 郭峰, 马群龙

2022, 0(10): 44-49. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.007

摘要 ( 70 )

PDF (6016KB) ( 69 )

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分别将层间预埋碳纳米管薄膜(CNTF)和碳黑薄膜的GFRP层合板进行低温循环(-58 ℃~室温)处理,之后进行悬臂梁弯曲试验。通过观察微观图像、分析载荷-位移曲线和对比弯曲极限载荷,研究GFRP层合板低温循环后两种薄膜对GFRP层合板弯曲性能的影响和增强机理。试验结果表明:CNTF对层合板的增强作用最明显,并且受低温循环影响最小;碳黑薄膜也有一定增强作用,但略弱于CNTF。

中子辐射防护用B₄C/PI复合材料的制备及性能研究

龙鑫曦明, 潘蕾, 张浩然, 高立新, 王若凡

2022, 0(10): 50-55. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.008

摘要 ( 66 )

PDF (9918KB) ( 61 )

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核技术应用产业的迅速发展﹐对中子辐射防护材料的种类、服役环境、结构性能提出更高要求。针对发展功能/结构一体化中子辐射防护材料需求,制备了碳化硼/聚酰亚胺(B₄C/PI)复合材料。碳化硼是一种重要的中子辐射屏蔽材料,具有较高屏蔽效率。选择B₄C粒子作为添加颗粒,使用硅烷偶联剂KH550用于官能化B₄C颗粒,以改善颗粒在聚酰亚胺基质中的分散性,成功制备了B₄C/PI复合材料。测试表明B₄C/PI复合材料具有良好的中子辐射屏蔽性能、机械性能及热稳定性。当B₄C含量为10%时,复合材料表现出极佳的性能,680 ℃时复合材料剩余质量为70.674%,热中子屏蔽率为62.36%,且拉伸强度为57.27 MPa。显示出巨大的应用潜力,可应用于需要具有高热稳定性和中子辐射屏蔽能力的材料领域中,例如聚变反应堆系统和核废料处理。

碳化蚕丝织物/PDMS/Fe₃O₄复合柔性应变/磁双模式传感器的制备与性能研究

贡永青, 刘玉慧, 闫蕾, 赵雪, 吴琪琳

2022, 0(10): 56-62. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.009

摘要 ( 78 )

PDF (13133KB) ( 41 )

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本文以双绉丝绸为原料,通过高温热处理得到具有导电性的碳化蚕丝布,并与聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体和Fe₃O₄纳米颗粒复合,制备了一种柔性应变/磁双模式传感器。该传感器应变范围为0%~60%,表现出可拉伸性,其应变灵敏度(GF)最高为9.49,并且在200多次拉伸/回复过程中具有良好的稳定性。Fe₃O₄的添加赋予了传感器对50 mT以下小磁场的响应,当Fe₃O₄的添加量为25wt%时,其磁场灵敏度(GF_m)可达39.73%/T。该传感器能够准确地监测手指弯曲和磁场大小,实现了双模式传感。最终成功制备了一种非接触式的磁电开关,实现了可视化的磁场检测。

玄武岩纤维混凝土孔隙结构表征及劈裂拉伸试验研究

贾静恩, 张彬

2022, 0(10): 63-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.010

摘要 ( 173 )

PDF (5213KB) ( 36 )

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基于试验研究不同长度(0 mm、6 mm、12 mm、18 mm)玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构表征及在不同应变率下劈裂拉伸力学特性,采用核磁共振(nuclear magnetic resonance)及电镜扫描(scanning electron microscope)技术,分析试件T₂谱分布、孔径分布、孔隙率及纤维与混凝土间的黏结情况,并利用万能试验机与分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar)对不同长度玄武岩纤维混凝土试件开展不同应变率下的劈裂拉伸试验,分析纤维长度、应变率对混凝土劈裂拉伸力学性能的影响。结果表明:玄武岩纤维混凝土的T₂谱曲线为双峰型,素混凝土试件T₂谱峰值最大,孔隙率最大,纤维的掺入能有效降低试件孔隙率,长度为6 mm时效果最佳;试件内部孔隙以微孔、小孔为主,纤维的掺入使试件微孔占比增大,小孔占比降低;随着应变率的增大,试件表现出应变率强化效应,动态增强因子(dynamic increase factor)与应变率间呈良好对数相关;纤维的掺入能有效增强试件拉伸强度,减小其极限应变,纤维长度为18 mm时效果最佳;SEM结果表明玄武岩纤维与混凝土材料间黏结作用能有效承担荷载,减小裂隙扩展,增强试件抵抗受力变形能力。

一种高可靠性高效率Z-pin过渡植入机构的设计

段学俊, 吴庆堂, 邹阳, 魏巍, 应宇翔, 修冬, 吴焕

2022, 0(10): 70-75. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.011

摘要 ( 203 )

PDF (5016KB) ( 82 )

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为了解决目前Z-pin过渡植入可靠性差、精度差和效率低的技术问题,提出了一种新型的Z-pin过渡植入方法,将Z-pin分两次植入泡沫基板中,对两次植入深度分配原理、动作模型工作原理和植入效果增强原理进行了研究,最终得到了一套完善的Z-pin过渡植入工艺流程,依据该工艺流程设计了一套集成了Z-pin输送、压紧、切割等功能的高性能Z-pin过渡植入机构,利用该机构及植入工艺方法进行了Z-pin过渡植入典型矩阵的工艺试验并记录数据。试验结果表明,植入机构运行平稳,自动化动作顺畅,植入可靠性高,加工效率高,Z-pin长度、植入深度、角度等技术指标满足预期要求,证明了机构结构方案及植入方法的正确性和合理性。

吸湿-烘干对复合材料胶接界面微观结构的影响

张伟瑞, 秦梦兰, 陈晨, 顾灵聪, 姚东东, 郑亚萍

2022, 0(10): 76-84. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.012

摘要 ( 83 )

PDF (14782KB) ( 44 )

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为了研究吸湿-烘干对复合材料胶接界面微观结构的影响,首先采用打磨、干可剥布和湿可剥布对复合材料表面进行处理,然后分别在26 ℃、65%RH和70 ℃、85%RH的环境下对其进行吸湿-烘干处理。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、红外光谱仪和X射线光电子能谱仪等对复合材料胶接界面的物理形貌和化学组成进行了研究。物理形貌分析表明,经干可剥布处理的材料表面在26 ℃、65%RH的环境下吸湿后会残留纤维丝束,进而影响单搭接剪切强度。经打磨和湿可剥布处理的材料在26 ℃、65%RH的环境下吸湿-烘干后无明显变化。将复合材料放置在70 ℃、85%RH的环境下吸湿后存在基体开裂的现象,同时纤维丝束仍残留在经干可剥布处理的材料表面,以上现象均会使单搭接剪切强度降低,且在烘干之后无法恢复。化学组成分析表明,经湿可剥布处理的材料表面在两种环境下吸湿后氧元素含量有所下降,且烘干之后无法恢复,而经干可剥布处理的材料表面残留有纤维丝束,使氧元素含量有所变化。

常温定型剂对乙烯基酯树脂复合材料性能影响

于梦海, 王雅婷, 李果, 李想

2022, 0(10): 85-90. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.013

摘要 ( 103 )

PDF (3974KB) ( 59 )

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开发了一种乙烯基酯树脂用常温液态定型剂,并用于预成型体制备,进一步采用VARI成型工艺制备了复合材料。研究了定型剂含量对纤维织物定型效果、VARI成型工艺性、复合材料力学性能的影响。采用厚度回弹、U形回弹的实验方法对定型剂的定型效果进行评价;通过预成型体的渗透率实验对定型织物的VARI成型工艺性进行评价;并采用弯曲性能、层间剪切性能测试对复合材料的力学性能进行表征。结果表明:当定型剂含量为纤维织物质量的6wt%时,织物的预定型效果最好,且能够保持较好的渗透性;定型剂用量对复合材料弯曲性能和层间剪切性能影响较小,能够在改善其工艺性的同时实现复合材料力学性能无明显降低。

三向织物约束混凝土圆柱轴压性能研究

周毅, 张洪华, 李炜

2022, 0(10): 91-98. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.014

摘要 ( 62 )

PDF (7385KB) ( 29 )

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本文采用三向织物对混凝土圆柱进行加固,分别使用了纯碳纤维、纯玻璃纤维及碳玻混杂三向织物,测试了约束圆柱的轴压性能,并利用DIC应变检测和声发射检测手段,对压缩过程、试样破坏形式和纱线受力情况进行了分析。结果表明:三向织物加固混凝土柱在抗压强度和形变方面有明显提高,其中碳纤维加固混凝土圆柱强度提高了92.1%;玻璃纤维加固混凝土圆柱形变量提高了202%。通过对结果的对比分析,发现其中碳玻混杂三向织物约束混凝土在强度和形变方面都有较大提升,值得注意的是,经纱玻璃纤维、纬纱碳纤维的约束效果明显优于经纱碳纤维、纬纱玻璃纤维。研究结果为分析三向织物加固混凝土柱轴压性能提供了理论依据,对三向织物约束混凝土应用具有一定的参考价值。

碳纤维/聚醚醚酮单搭接焊接结构的破坏试验及强度预测

罗峰, 陈秀华, 张磊, 周银华

2022, 0(10): 99-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.015

摘要 ( 101 )

PDF (14381KB) ( 61 )

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为研究湿热环境下碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)单搭接焊接结构的失效形式以及湿热环境对其性能的影响,分别在室温干态环境和湿热环境中进行拉伸剪切试验。同时使用三种不同的内聚力模型对该结构的单搭接剪切强度进行预测。试验结果表明,湿热环境中CF/PEEK单搭接焊接试样出现了与室温干态环境中相同的三种失效模式,分别为界面失效、混合失效和层压板撕裂失效。在试验误差范围内,相比于室温干态环境,湿热环境中发生同样破坏形式的焊接接头的单搭接剪切强度变化不大,但是湿热环境中搭接板端部树脂发生明显的塑性变形,结构刚度平均降低约22%,破坏位移平均增大约88%。数值结果表明,对于预测室温干态环境中仅发生层合板撕裂失效的焊接接头的破坏强度,三种内聚力模型中指数型内聚力模型的强度预测结果与试验结果更为吻合。

高超声速飞行器热防护用超高温复合材料的研究进展

刘永胜, 曹立阳, 张运海, 曹晔洁, 王晶, 董宁

2022, 0(10): 107-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.016

摘要 ( 417 )

PDF (14321KB) ( 290 )

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热防护系统是高超声速飞行器的关键技术之一,决定了飞行器研制的成败,而高温热防护材料则直接决定了热防护系统的性能。本文综述了以C/C复合材料、C/SiC复合材料、C/UHTC复合材料等为代表的热防护用超高温复合材料的研究进展,并重点分析了近年来超高温复合材料导热和烧蚀性能相关的研究进展,进而提出了未来发展方向,为热防护用超高温复合材料的发展提供参考。

连续碳纤维增强金属基复合材料研究进展及展望

成小乐, 彭耀, 杨磊鹏, 吕树婷, 张栋, 李玉, 谢旺

2022, 0(10): 119-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.017

摘要 ( 297 )

PDF (8588KB) ( 105 )

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连续碳纤维增强金属基复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、耐腐蚀、抗拉伸等优良的综合性能,在新材料领域发展迅速,应用广阔。本文对连续碳纤维增强镁基、铝基、镍基、铜基复合材料的研究进展进行了综述,指出了目前各自存在的最主要问题是界面问题并对关键技术难点给出相应的研究思路,如可以从纤维涂层研究、纤维与基体界面反应等方面入手,以及加强该领域复合材料损伤机理研究。提出激光增材制造连续碳纤维增强金属基复合材料的工艺新思路,并进行了工艺研究现状论述和初步实验探索。最后指出先进制造技术对比传统工艺,在降低复合材料制备成本、改善界面强度、增加零件结构复杂度方面具有优势。

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