复合材料科学与工程

纪胜飞, 梁森, 王光和

2022, 0(11): 5-14. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.001

摘要 ( 63 )

PDF (3647KB) ( 75 )

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为研究嵌入阻尼膜复合材料加筋板的自由振动特性,应用铁木辛柯梁理论推导出加强筋的应变能和动能,通过能量法建立了加筋板的自由振动理论模型,将满足四边固支边界条件的结构位移函数由伽辽金加权余值思想转换成双级数形式,建立了嵌入阻尼膜复合材料四边固支加筋板结构的振动微分方程,求解结构的自由振动频率和损耗因子。构建有限元模型、制作阻尼膜复合材料加筋板试件并搭建实验平台,通过理论解、数值模拟解以及模态实验解三者对比,证明了理论模型的有效性,同时,进一步研究了加强筋的高度与加强筋之间的距离对嵌入阻尼膜复合材料加筋板振动特性的影响,为大阻尼、高刚度的嵌入阻尼膜复合材料固支加筋板的优化设计提供理论依据。

CFRP-木材界面黏结剪应力-滑移关系试验研究

雷云霄, 刘生纬, 赵建昌, 张家玮, 白晟渝

2022, 0(11): 15-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.002

摘要 ( 41 )

PDF (5145KB) ( 66 )

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为了深入研究碳纤维增强聚合物(CFRP)与木材黏结界面的力学性能,通过对30个(6组)CFRP-木材界面黏结试件的剪切试验,分析CFRP应变和界面黏结剪应力的发展规律,获得黏结剪应力-滑移关系曲线,探讨CFRP粘贴长度、宽度对界面黏结性能的影响。通过对试验结果的回归分析,提出了CFRP-木材界面黏结剪应力-滑移模型。试验结果表明:试件主要发生剪切破坏和剥离破坏,破坏前没有明显征兆,属于脆性破坏;CFRP的粘贴宽度对界面的极限承载力的影响显著,超过一定长度后,粘贴长度对界面的极限承载力影响不明显;文章中提出的由两个参数控制的多项式-对数正态函数本构模型,能够较好地与试验结果相吻合;可为CFRP加固木结构提供理论依据和实践参考。

平纹编织面板蜂窝夹芯结构平拉性能研究

孙毅刚, 马瑞云, 王轩, 程吉, 周春苹

2022, 0(11): 20-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.003

摘要 ( 49 )

PDF (8740KB) ( 54 )

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为了研究平纹编织面板蜂窝夹芯结构的平拉性能,利用有限元分析软件ABAQUS建立基于渐进损伤失效分析方法的夹芯结构细节模型,选用内聚力模型模拟面板与芯子间的胶层,运用FORTRAN语言编写描述失效和退化准则的USDFLD子程序,对夹芯结构的平拉性能进行预测。结果表明:预测得到的平拉强度和破坏模式与试验结果一致,验证了所建模型正确;面板各层间和面芯之间胶层没有出现损伤;蜂窝芯以蜂窝壁纵向破坏为主,蜂窝芯中部首先出现损伤,随后损伤向两侧扩展,最终整个蜂窝芯中部裂开导致结构失效;面板各层间和面芯之间胶层的剥离强度要高于蜂窝芯厚度方向上的拉伸强度;整个夹芯结构的变形以蜂窝芯厚度方向上的变形为主。

基于AE参数融合的NOL环损伤演化研究

闫孝伟, 李伟, 蒋鹏, 刘颖红林, 程佳豪

2022, 0(11): 28-34. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.004

摘要 ( 122 )

PDF (17815KB) ( 31 )

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为了实现声发射监测技术对NOL环损伤过程的评价,本文对NOL环进行静力拉伸和不同阶段的分级加载实验研究。通过实验对比,利用AE参数融合,引入R值和b值对NOL环损伤过程进行研究,将NOL环损伤分为三个阶段,并通过b值变化规律表征不同损伤情况。RA值和R值对试件早期损伤模式和累积损伤变化非常敏感。结果表明,分级加载实验第Ⅰ阶段的b值整体大于第Ⅱ阶段,且b值变大时R值呈现减小趋势,表明试件内部存在裂纹扩展。静力拉伸实验,第Ⅰ阶段损伤初始R值初始变化波动大且复杂;第Ⅲ阶段严重损伤,RA值变化大且复杂,超过0.85F_max时b值迅速降低,主要与界面损伤和纤维断裂有关,最终断裂的形成主要与引起损伤的主裂纹扩展有关。

多款胶黏剂对碳纤维复合材料单搭接胶接性能研究

娄淑梅, 任国栋, 杨振三, 李玉同, 张慧

2022, 0(11): 35-42. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.005

摘要 ( 49 )

PDF (10374KB) ( 59 )

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为了研究不同体系胶黏剂对碳纤维复合材料基材的粘接性能,采用环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯三种体系构成的7款不同的胶黏剂对碳纤维复合材料-碳纤维复合材料(CF-CF)进行胶接,并分别将其放置于室温和极限温度(80 ℃、-65 ℃)下进行拉伸剪切强度测试,以探究每种胶黏剂的力学性能和破坏模式,并将环氧胶黏剂在室温下对不同纤维类型的复合材料(T700-12K碳纤维复合材料、T300-3K碳纤维复合材料和玻纤复合材料)进行胶接性能测试,探讨碳纤维和玻璃纤维复合材料的粘接机理,进而选出性能最优的胶黏剂,为航空航天与汽车等领域中碳纤维基材之间胶黏剂的选择提供借鉴。

复合材料双搭接胶连接接头的承载力与胶层变形

马毓, 马斌, 陈希瑞

2022, 0(11): 43-48. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.006

摘要 ( 66 )

PDF (5830KB) ( 27 )

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现有复合材料双搭接胶连接接头的承载力计算式,没有完全解决胶层厚度对接头承载力的影响问题,理论与实际相差较大,有改进必要。对此问题一般是基于胶层缺陷和剥离应力讨论其原因。引用已有试验数据,解析分析了只变化胶层厚度的同种接头,在其破坏荷载作用下,胶层剪切变形与剥离变形沿搭接长度的分布规律;发现随着胶层增厚与接头承载力降低,胶层的剪切变形和剥离变形均减小;对比试件的特征破坏模式,也未发现剥离破坏特征和明显缺陷。提出控制胶层厚度,引起胶层剪切应变能密度改变,是上述问题的根本原因,并设计5组对比实验初步验证了此判断。

陶瓷/UHMWPE异形复合材料靶板抗侵彻性能研究

黄浩杰, 梁森, 周越松

2022, 0(11): 49-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.007

摘要 ( 100 )

PDF (6571KB) ( 29 )

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提出一种由碳化硅陶瓷和UHMWPE板构成的异形复合材料靶板。利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟,探究该靶板在53式7.62 mm穿燃弹下的抗侵彻性能,对数值模拟进行实验验证,并进一步研究靶板形状及弯曲弧度对抗侵彻性能的影响。结果表明:外凸球壳形靶板抗侵彻性能最好,内凹球壳形靶板最差;凸形弯曲靶板优于凹形弯曲靶板;靶板弯曲提高了陶瓷面板的载荷峰值;随着靶板弯曲弧度的增大,子弹的剩余速度先减小后增大,靶板的吸能先增大后减小,当凸形弯曲靶板所对应圆心角为8°时,抗侵彻性能最佳;陶瓷面板的载荷峰值随靶板弯曲弧度的改变而有较大变化,而UHMWPE背板的载荷峰值变化较小。

平纹编织面板泡沫夹芯结构修补后低速冲击性能

周春苹, 王轩, 张世秋, 冮庆庸

2022, 0(11): 54-62. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.008

摘要 ( 38 )

PDF (9457KB) ( 32 )

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对修补后的平纹编织面板泡沫夹芯结构进行低速冲击试验,并进行冲击后侧向压缩试验,研究在相同冲击能量和冲头直径情况下,夹芯结构修补后的冲击响应参数、损伤模式以及冲击后压缩强度、压缩模量和剩余压缩强度。试验结果表明:修补后试验件所受最大冲击载荷普遍变大;不同修补情况下冲头最大位移量大致相同,修补附加层的引入减小了低速冲击产生的凹坑深度,冲击载荷下降是试验件发生损伤所致;冲击后试验件损伤形式基本相同,面板以分层和树脂基体碎裂为主;芯材的碎裂不仅发生在冲击位点,冲击区外的芯材也会因不协调形变发生破碎;低速冲击后,修补件的侧向压缩强度和剩余侧向压缩强度百分比大多高于未修补件,但侧向压缩模量大多低于未修补件。

FRP抗弯加固梁单元开发研究

许天才, 马生强, 淡丹辉

2022, 0(11): 63-71. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.009

摘要 ( 32 )

PDF (1765KB) ( 14 )

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梁底粘贴FRP(Fiber Reinforced Polymer)材料可以极大程度地提高梁的抗弯刚度,从而减小梁的变形。本文基于刚度法建立了FRP抗弯加固梁在不同阶段的刚度计算公式,利用变分法推导得到FRP抗弯加固梁单元刚度矩阵,建立了FRP加固梁单元,并基于有限单元法基本原理,利用数值软件建立FRP加固梁计算程序,对相关试验研究进行了分析。结果表明:本文所建FRP加固梁刚度计算方法在混凝土开裂后钢筋屈服前阶段计算结果偏大,通过计算FRP加固梁的屈服位移试验结果与本文计算结果的比值平均值,引入值为1.377的折减系数对这一阶段刚度进行了修正,修正后屈服挠度及极限挠度计算值误差分别在2 mm、8 mm以内,屈服弯矩及极限弯矩计算值平均误差分别为-3.0%、11.4%,同时,计算得到的各片梁荷载-位移曲线和试验所得荷载-位移曲线也能较好吻合。本文所建FRP加固梁单元计算结果精度较高,能够得到较好的分析结果,可为工程设计提供参考。

不同连接件的CFRP筏架振动阻尼性能研究

杨海如, 朱毅, 张锦光, 陈国治

2022, 0(11): 72-76. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.010

摘要 ( 24 )

PDF (3852KB) ( 15 )

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本文设计了不同连接件的碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)筏架,采用Abaqus有限元分析与Matlab软件相结合,计算了不同连接件CFRP筏架的阻尼比容(Specific Damping Capacity,SDC),并对此开展了试验研究,验证了筏架阻尼比容计算结果的准确性。针对整体式和组合式工字形连接件CFRP筏架的阻尼比容进行比较,结果表明:组合式工字形连接件的CFRP筏架阻尼性能更好,其在低频段的减振性能优于整体式连接件筏架,从而为筏架的设计提供了理论指导。

线型环氧类表面改性剂对尼龙/碳纤维复合材料性能的影响

朱敏杰, 魏陇沙, 晏义伍

2022, 0(11): 77-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.011

摘要 ( 30 )

PDF (2102KB) ( 14 )

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针对碳纤维与尼龙之间存在界面相容性差的问题,以线型环氧树脂和短链聚酰胺为反应物制备出线型环氧聚合物及聚酰胺嵌段环氧树脂聚合物,然后在不退浆的基础上,直接对碳纤维进行改性处理,再将其与尼龙制备得到尼龙/碳纤维复合材料,通过表面能、力学性能、SEM等方法研究了改性碳纤维对尼龙/碳纤维复合材料性能的影响。研究表明:聚酰胺嵌段线型环氧聚合物的改性增加了碳纤维表面的粗糙度,碳纤维的表面能色散分量从5.63 mN/m提升至22.64 mN/m,复合材料的弯曲强度和层剪强度分别提高了74.8%和115.8%。

混杂纤维发热格栅的力学性能及力阻效应

彭哲琦, 汪昕, 梁训美, 赵纯锋, 沈君乾

2022, 0(11): 82-89. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.012

摘要 ( 25 )

PDF (7565KB) ( 16 )

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传统的融雪化冰方法存在耗时耗力、污染环境等问题,兼具加筋增强和电热效应的混杂纤维发热格栅布设于道路面层进行融雪化冰成为近年来一个重要的研究方向。本文研究了碳纤维发热芯、混杂纤维发热格栅的静力拉伸性能及力阻效应,试件包括三种不同基体(环氧树脂、丁苯胶乳乳液、聚氨酯树脂)和两种编织方式(无捻、有捻)共六种碳纤维浸胶纱,玄武岩纤维格栅和碳纤维/玄武岩纤维混杂纤维发热格栅。结果表明:聚氨酯树脂有捻碳纤维浸胶纱作为碳纤维发热芯与玄武岩纤维格栅之间的复合效果良好,这种混杂纤维发热格栅弹性模量为87 GPa,强度利用率可达93.6%,在0~10 000 με之间电阻变化率保持在1%以内,满足工程应用的要求。

碳纤维/改性双马来酰亚胺复合材料制备与性能

张慧, 王林祥, 郑庆, 袁荞龙, 黄发荣

2022, 0(11): 90-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.013

摘要 ( 33 )

PDF (1558KB) ( 41 )

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合成了4,4'-二苯醚二炔丙基醚(DPEDPE)和N-(3-乙炔基苯基)马来酰亚胺(3-EPM)两种含炔基化合物,并以熔融法与二苯甲烷型双马来酰亚胺(BDM)和二烯丙基双酚A(DABPA)共混制备了改性双马来酰亚胺树脂体系,对改性树脂的加工性能、热稳定性和力学性能进行了研究。用热压法制备了T300碳纤维布增强改性BDM/DABPA复合材料,对复合材料的热-力学性能也进行了研究。结果表明DPEDPE能扩展BDM/DABPA树脂的加工窗口,改性树脂可溶解在除乙醇的常用极性溶剂中。3-EPM改性BDM/DABPA树脂固化物在氮气中的5%热失重温度(T_d5)与800 ℃残留率(Y_{r 800 ℃})分别可达426 ℃和37.3%,其玻璃化转变温度(T_g)达380 ℃以上。DPEDPE或3-EPM改性的BDM/DABPA树脂浇注体拉伸强度有所下降,但DPEDPE改性树脂的冲击强度可提升至19.6 kJ·m^-2。T300碳纤维布增强DPEDPE改性BDM/DABPA复合材料室温下的弯曲强度和层间剪切强度(ILSS)分别为547 MPa和32.8 MPa,在200 ℃下都可保留98%,在250 ℃下弯曲强度可保留90%,而ILSS则保留82%。

基于神经网络技术的风力机叶片覆冰预测方法

马飞宇, 张春芝, 李飞宇

2022, 0(11): 96-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.014

摘要 ( 25 )

PDF (3817KB) ( 13 )

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安装在寒冷地区的风力机叶片不可避免地会发生覆冰现象,影响风电机组的正常工作。叶片的不同覆冰位置和覆冰质量,使得叶片固有频率发生不同改变。文章对2 MW风力机叶片进行有限元模态分析,构建了覆冰叶片的固有频率变化率和不同位置覆冰质量之间的关系,利用该数据集训练BP人工神经网络并对预测能力进行分析。研究表明,使用考虑叶片不同位置覆冰对全覆冰叶片的固有频率的影响程度构建的关系式训练人工神经网络,预测叶片全部覆冰平均相对误差率为13.21%,比Gantasala等人的预测精度提高1.56%。训练好的人工神经网络模型可实现叶片覆冰位置和质量的检测,可为后续加热除冰、超声波除冰等提供数据支撑,提高除冰效率,降低能源消耗。

VARTM工艺厚铺层增强体压缩特性研究

李哲, 李炜

2022, 0(11): 102-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.015

摘要 ( 31 )

PDF (5017KB) ( 33 )

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研究了厚铺层织物在VARTM工艺条件下的压缩特性,采用径向法测试了不同铺层数织物渗透率,分析研究了测试过程中织物厚度的变化规律。实验结果表明:厚铺层织物的渗透率受织物厚度影响较大,随织物铺层厚度增加,织物各个方向渗透率均发生下降;采用VARTM工艺制作厚铺层复合材料,织物厚度随着工艺进程发生变化,在真空过程中织物厚度主要受织物层间间隙和纤维孔隙影响,在灌注过程中铺层织物厚度受纤维状态影响。研究结果可为大型厚铺层复合材料精细化制造提供参考。

含磷阻燃剂对环氧树脂阻燃及热性能影响机理研究

王淑霞, 陈锋, 姚利超, 翟军明

2022, 0(11): 107-113. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.016

摘要 ( 28 )

PDF (3597KB) ( 33 )

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针对环氧树脂易燃烧且发烟量大的问题,采用绿色环保的有机磷阻燃剂,实现对环氧树脂的阻燃改性;采用旋转黏度法和DSC法研究了树脂体系固化过程并确定固化制度;采用固化动力学分析法确定了环氧树脂的固化动力学方程式;采用DMA、TG和燃烧测试研究了有机磷阻燃剂对环氧树脂玻璃化转变温度、热性能和阻燃性能的影响。结果表明,当添加10~15份的阻燃剂时,环氧树脂浇注体阻燃等级达到V-0,极限氧指数达到29.3%~32.1%,储能模量提高,残炭量增加,玻璃化温度有一定程度的下降,进一步分析表明有机磷阻燃剂对环氧树脂具有气相和凝聚相双重阻燃的作用。

国产CCF800H碳纤维增强耐高温双马树脂基复合材料的力学性能

王迎芬, 潘翠红, 周洪飞, 孙占红

2022, 0(11): 114-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.017

摘要 ( 123 )

PDF (3145KB) ( 129 )

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采用热熔法制备预浸料,采用热压罐固化工艺制备了CCF800H/QY260E耐高温双马树脂基复合材料。首先测试了QY260E双马树脂的黏温特性,然后通过纤维表面扫描电镜测试、吸湿前后玻璃化转变温度测定、复合材料基本力学性能测试及断口形貌分析等方法,综合考察了国产CCF800H碳纤维复合材料的界面粘接性能、韧性和湿热性能。结果表明:QY260E树脂在较长的温度和时间范围内具有较低黏度。CCF800H/QY260E复合材料在71 ℃水浸14 d后的饱和吸水率仅为0.66%,其T_g仅比干态(286 ℃)下降了21 ℃,230 ℃湿态时0°拉伸强度较室温干态保持率大于80%,开孔拉伸强度较室温干态保持率大于90%,260 ℃湿态时0°拉伸强度较室温干态保持率大于70%,开孔拉伸强度大于90%,230 ℃及260 ℃湿态下,层间剪切强度、开孔压缩强度较干态下保持率均大于40%,冲击后压缩强度接近国外先进复合材料IM7-5250-4的水平,且90°拉伸试样和层间剪切试样纤维与树脂结合紧密。实验结果表明CCF800H/QY260E复合材料具有良好的力学性能和湿热性能。

基于人工神经网络的热固性树脂基复合材料固化变形预测研究综述

罗玲, 田智立, 张涛, 刘雷波, 李卓达, 李丽英

2022, 0(11): 120-127. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.018

摘要 ( 41 )

PDF (3584KB) ( 231 )

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热固性树脂基复合材料相对于传统材料而言优点众多,如其出色的物理和力学性能,以及其前期设计和后期制造过程中的可设计性,在航空航天行业内极具吸引力。然而其工艺引起的变形缺陷仍是至关重要的问题,该缺陷会造成装配困难、残余应力等。本文报道了热固性树脂基复合材料热压成型工艺过程中产生的固化变形行为研究现状,主要介绍了固化变形机理、固化变形的数值模拟方法、人工神经网络方法及其在固化变形上的应用。重点放在人工神经网络方法在热固性树脂基复合材料固化变形研究的最新进展,为复合材料固化变形的高通量预测和逆向设计提供方向和参考,最后简要讨论其主要发展方向。

酚醛浸渍碳纤维烧蚀体复合材料的研究进展

步同安, 田谋锋, 宋寒, 任亮

2022, 0(11): 128-132. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.019

摘要 ( 44 )

PDF (3906KB) ( 59 )

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高超音速飞行器、高马赫数飞船返回舱以及深空探测等技术的发展对热防护材料的性能提出了新要求,轻质炭化材料应运而生并逐渐成为热防护领域的关键材料,酚醛浸渍碳纤维烧蚀体(phenolic impregnated carbon ablator,PICA)是轻质炭化材料的典型代表。本文对PICA的研究进展进行了综述,首先概述了PICA的分类及其烧蚀机理,其次重点总结了PICA的改性方法,最后展望了PICA的发展趋势。

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