复合材料科学与工程

裴勇勇, 虞筱琛, 徐海兵, 吕东喜, 祝颖丹

2023, 0(5): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.032

摘要 ( 35 )

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采用有限元数值仿真和试验验证相结合的方法研究了复合材料Kagome点阵夹芯结构的平压性能,分析了不同结构参数对Kagome点阵夹芯结构平压性能及失效模式的影响。结果表明,在平压载荷下,杆件直径对Kagome点阵夹芯结构的平压峰值载荷幅度影响较大,而芯子高度和杆件角度对峰值载荷幅度影响较小,夹芯结构失效的主要形式有杆件变形最大处断裂、杆件与面板连接处断裂、杆件交叉连接处断裂等。通过对比Kagome点阵夹芯结构有限元数值仿真结果与平压试验结果,验证了有限元模型的可靠性。

超薄镀镍碳纤维管状结构电池的制备及性能研究

王亚震, 张峻滔, 李晖, 马心旗, 宗文波, 籍天戚, 吴海宏

2023, 0(5): 12-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.032

摘要 ( 66 )

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碳纤维结构电池具有碳纤维增强复合材料优异的力学性能,同时又具有良好的储能性能,在航空航天、新能源汽车等领域有广阔的应用前景。本文采用湿法涂覆工艺,制备了超薄镀镍碳纤维电池(Nickel-plated Carbon Fiber Battery, Ni-CFB);基于嵌入集成式结构电池的设计方法,以该电池为芯部,碳纤维编织布为蒙皮,采用真空树脂传递工艺制备了碳纤维增强复合材料三明治结构电池管(Sandwich Structure Battery Tube, SSBT),测试了Ni-CFB的电化学性能,评价了SSBT在不同受载条件下电化学性能衰减行为。结果表明:Ni-CFB在0.1 C的充放电倍率下比容量达到156 mAh/g,比磷酸铁锂-石墨体系常规电池的比容量高30%;在压缩载荷比和弯曲载荷比分别达到550 N/g和89.1 N/g的条件下,SSBT的电容量分别保持在80%和60%以上,表明SSBT具有良好的结构效能和储能效能,在储能系统轻量化设计和安全性设计方面具有巨大的潜力。

改性甲基二苯乙炔基硅烷复合材料耐湿热性能

白小陶, 贾宇翔, 胡文杰, 张晓晖, 蒋峰光, 刘敏, 周权

2023, 0(5): 19-24. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.003

摘要 ( 35 )

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采用改性双马来酰亚胺(GBMI)共混改性甲基二苯乙炔基硅烷(MDPES)树脂,并以此为树脂基体制备了GF/MDPES-GBMI复合材料。通过吸水、脱水实验及理论计算,研究GF/MDPES-GBMI复合材料吸湿、脱水行为和湿热老化对复合材料界面的影响。结果表明,随着MDPES-GBMI树脂中GBMI含量的增加,复合材料的扩散系数由0.019 3 mm²/s下降为0.014 7 mm²/s,渗透系数大幅度降低,由9.94×10^-4 mm²/s下降为1.84×10^-4 mm²/s,同时平衡吸水率和平衡脱水率也有所降低。虽然复合材料的弯曲强度在湿热老化后有所下降,但干燥后性能即可恢复。水分子以准自由态形式存在于GF/MDPES-GBMI复合材料的孔隙中,吸水和脱水规律遵循Fick第二定律。

国产T800级高韧性环氧树脂基预浸料的TTT图绘制

何靓, 俆小伟, 胡大豹, 雷杨, 李尧

2023, 0(5): 25-31. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.004

摘要 ( 107 )

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预浸料的固化动力学研究及TTT图绘制可指导相关制品的成型工艺设计及优化,保证制品的最佳力学性能。以国产T800级高韧性AC531环氧树脂基预浸料为对象,采用DSC测量法研究了其固化反应动力学,并根据固化反应特点,拟合得到了固化反应动力学的自催化模型表达式;针对预浸料的相转变行为,测试并拟合得到了玻璃化转变温度与固化度之间的关系,通过线性回归分析得到了凝胶时间与温度的关系式;绘制了TTT图,为国产T800级高韧性环氧树脂基预浸料的固化工艺优化提供理论支持。

环氧树脂改性聚双环戊二烯及其碳纤维复合材料的制备与表征

杨青, 程超, 刁春霞, 吕玥蒽, 周飞, 丁小马, 陈正国

2023, 0(5): 32-36. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.031

摘要 ( 124 )

PDF (5253KB) ( 74 )

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本文在双环戊二烯单体/Grubbs二代催化剂体系中加入双酚A型环氧树脂配套甲基纳迪克酸酐固化剂,通过逐步升温聚合得到环氧树脂/聚双环戊二烯(PDCPD)共混物。利用接触角测量仪、差示扫描量热仪(DSC)、红外光谱仪(FT-IR)、力学试验机和扫描电镜(SEM)对环氧树脂改性PDCPD进行了表征。研究结果表明:加入10 phr环氧树脂的DCPD单体与碳纤维织物表面接触角由83.2°降低至22.6°,润湿性得到明显改善;环氧树脂改性PDCPD相比于纯PDCPD,玻璃化转变温度由124.7 ℃提升至133.2 ℃;改性PDCPD红外光谱中未发现环氧官能团(913 cm^-1),说明混合体系中环氧树脂反应完全;力学性能测试结果表明改性后PDCPD弯曲强度提升13.3%,断裂韧性降低11.0%,微观结构显示环氧树脂固化物呈直径小于2 μm的微球均匀分布在PDCPD内部;利用湿法模压制备的改性PDCPD/碳纤维复合材料层间剪切强度由8.2 MPa提升至15.1 MPa,断面结构显示环氧树脂的加入有效改善了PDCPD对碳纤维的附着力。

热固/热塑混杂复合材料结构刚度调控方法研究

马卿元, 杨睿, 孟祥鹏

2023, 0(5): 37-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.032

摘要 ( 56 )

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本文提出了一种具有可变刚度特性的热固/热塑混杂复合材料结构,该混杂复合材料结构以连续纤维增强热塑性复合材料CF/PEEK为基础结构层,以连续纤维增强热固性复合材料GF/EP为变刚度功能层,通过对混杂复合材料结构施加温度场可以改变结构中功能层材料的弹性模量,进而改变结构刚度。本文结合热固/热塑混杂复合材料结构提出了一种刚度调控方法,即以结构的刚度分布函数为优化目标,混杂复合材料结构的铺层分布以及结构表面不同加热膜温度组成的温度向量为优化变量,计算得出优化结果,根据优化结果对混杂复合材料结构施加定制的温度梯度场,可实现结构的刚度分布近似呈现目标函数变化。

复合材料纵向圆形波纹圆柱壳轴向压缩失效特性研究

梁泽乾, 魏刚, 李想

2023, 0(5): 45-52. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.007

摘要 ( 34 )

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结构轻量化、材料高效易造化是航空航天乃至其他工业领域(汽车、建筑、基础设施等)的不断追求。纤维增强复合材料的使用可以有效减轻结构重量,提高承载能力。复合材料纵向圆形波纹结构可以大大提高结构轴向压缩时的载荷/质量效率,从而满足航空航天领域对新型复合材料及结构的强度要求。自行设计模具并制备出复合材料纵向圆形波纹圆柱壳,并对其开展轴向压缩性能研究。结果表明:与等厚度、等横截面积圆柱壳比较,纵向圆形波纹圆柱壳承受轴向载荷的能力明显增强;相同结构、不同厚度的纵向圆形波纹圆柱壳,在压缩过程中其破坏形式因厚度增加而发生改变,由整体的屈曲变形转变为端面局部的压溃失效。建立并验证了数值计算模型,考虑了典型设计参数的影响,结果表明,在制备条件允许的情况下,减小单胞尺寸有利于提高纵向圆形波纹圆柱壳抗轴压性能,而降低高度则效果不明显。本文研究结果可为纵向波纹圆柱壳在结构吸能方面的应用提供参考。

真空振动法制备固体浮力材料工艺与性能研究

冀幼平, 张作朝, 杨文涛

2023, 0(5): 53-58. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.008

摘要 ( 40 )

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开发了一种真空振动法制备固体浮力材料的工艺方案,制备了以环氧树脂为基体,两种空心玻璃微珠混配为轻质填料的固体浮力材料,研究了在一定振动频率下,振动时间对空心玻璃微珠/环氧树脂物料凝胶温度的影响,以及对固体浮力材料气泡缺陷、密度、吸水率和力学性能的影响,确定了最优工艺参数。结果表明:振动时间是影响固体浮力材料品质和性能的重要因素,振动时间过长,物料中心温度升高快,出现爆聚现象;振动时间短,物料混合不均匀,出现孔隙多、密度分布不均匀等问题;试验确定了最优化的振动时间为90 min,在此条件下制备的固体浮力材料具有密度低(0.51 g/cm³)、吸水率低(0.37%)、力学性能优异(压缩强度为31.6 MPa,冲击强度为5.29 kJ/m²)和分布均匀等特性。该工艺方法适用于大尺寸固体浮力材料的制备,能够满足水下1 000 m内海洋设备及水上平台等基础建设对固体浮力材料的要求。

温度对不同掺量纤维混凝土孔隙结构劣化影响分析

赵苏政, 张文

2023, 0(5): 59-64. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.009

摘要 ( 35 )

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为揭示温度对玄武岩纤维混凝土孔隙结构的影响规律,开展了不同温度下纤维混凝土的核磁共振试验,重点分析孔隙结构特征参数,包括孔隙率、T₂谱分布、孔径分布等,并利用扫描电镜观测高温引起的细观形态变化。试验结果表明:纤维混凝土试件在不同温度下的T₂图谱曲线均呈“涟漪状”的波动形态,表明在经历高温后试件内部孔隙结构特征发生显著改变;高温下,素混凝土、低纤维掺量混凝土、高纤维掺量混凝土的大孔径孔隙数量占比依次增加,孔隙结构劣化程度依次加剧;随温度不断攀升,玄武岩纤维混凝土和素混凝土孔隙数量占比越发接近;利用电镜扫描分析混凝土的微观形貌,可以直观看到,随着温度攀升,玄武岩纤维混凝土经历了表面密实、新孔洞不断萌生、孔洞宽度不断拉大并发生串联贯通,最终发展为宏观裂隙的演变过程。

基于非线性混频Lamb波的复合材料拉伸损伤研究

王乐乐, 郑国彦, 黎海银, 尹振华, 郑艳萍

2023, 0(5): 65-70. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.010

摘要 ( 30 )

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利用非线性混频Lamb波对复合材料板在拉伸受力过程中出现的不可见损伤进行了检测研究。建立了基于非线性混频Lamb波传播特性的有限元模型,研究了不同拉伸位移下的复合材料拉伸损伤与非线性混频Lamb波非线性响应之间的关系,以及复合材料板中拉伸损伤程度的不同对非线性混频Lamb波非线性系数的影响,并通过SNAP非线性超声检测装置对仿真结果进行了验证。结果发现:非线性混频Lamb波可用来检测拉伸损伤存在与否;在一定范围内,拉伸位移的增加将导致混频Lamb波的和频幅值以及和频非线性系数增加;借助混频Lamb波检测方法能够有效地对复合材料板的拉伸损伤情况进行评估。

钢-FRP复合约束混凝土隧道衬砌管片力学性能试验研究

毕经龙, 程实

2023, 0(5): 71-79. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.011

摘要 ( 73 )

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提出了一种新型隧道衬砌管片——钢-FRP复合约束混凝土(Multi-Cell steel tube-Sandwich Concrete-FRP tube-Core concrete,MCSCFC)管片。MCSCFC管片由以下四个部分组成:多腔方钢管、夹层混凝土、纤维增强复合材料(FRP)管、核心混凝土。为研究均匀围压状态下MCSCFC管片与传统钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)管片力学性能的差异,本文以FRP管厚度为变量,共设计制作了4个管片模型试件(3个MCSCFC管片,1个RC管片),随后对4个管片模型试件开展均匀围压状态下的力学性能试验研究,分析试件的破坏模式、荷载-位移关系以及荷载-应变响应。研究结果表明:①MCSCFC管片表现出明显的屈服后硬化行为;②相比RC管片,MCSCFC管片在厚度减薄39.4%的情况下,极限承载力提升41.8%。

厚轻木芯材造成的风电叶片质量缺陷研究

刘靖宇, 袁炜, 宋厚利, 梅同瑞

2023, 0(5): 80-85. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.012

摘要 ( 80 )

PDF (4141KB) ( 112 )

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轻木,别名巴沙木,是一种原产于南美洲及西印度洋群岛的木棉科热带速生乔木,具有密度小、体积结构稳定、不易变形的特点,通过多年应用验证,其性能被风电叶片行业充分认可。近年随着风电度电成本不断下探,风力发电整机价格持续走低,作为占整机成本25%~30%的关键部件,风电叶片通过配合整机大型化等方式为行业成本降低提供支撑;应结构设计需要,以往较少使用的30 mm以上厚度轻木成为大型风电叶片结构中的常见选择;在风电叶片实际生产制造过程中,由此类厚度轻木导致的气泡、吸胶爆聚等缺陷多发,严重影响风电叶片制造质量。为改善该问题,从缺陷发生机理、轻木材料特性及影响等方面进行分析,提出破坏结合水附着、降低剩余水分总含量的解决方案。

基于能量耗散冻融循环下玄武岩纤维再生混凝土损伤特性

罗恒勇, 江俊松, 赵康

2023, 0(5): 86-93. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.013

摘要 ( 33 )

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基于能量耗散原理对冻融循环下玄武岩纤维再生混凝土损伤特性进行研究,采用非金属超声波测量仪对冻融再生混凝土及玄武岩纤维再生混凝土纵波波速进行测量,利用电液伺服压力机及霍普金森压杆装置对试件开展静、动荷载下的单轴压缩试验,分析试件纵波波速、相对动弹性模量及力学性能变化,重点研究试件能量耗散变化规律。结果表明:冻融循环作用会降低试件纵波波速,且后期冻融作用试件波速降幅更加明显,玄武岩纤维的掺入增强了再生混凝土整体性,降低了冻融作用对试件的损伤程度;动载作用下试件强度、韧性均高于静载,玄武岩纤维的掺入增大了再生混凝土强度及延性,冻融作用使试件峰值应力及延性均不断降低,后期冻融作用应力降幅更加明显;荷载作用前期试件会发生弹性变形,外界输入能量以弹性能的方式被储存,玄武岩纤维的掺入能够大大提升再生混凝土的吸能效果;冻融循环次数的增加降低了试件耗能效果,增大了其机械损伤程度,冻融作用使试件更易发生破坏。

碳纤维平纹机织复合材料低速冲击损伤的非线性超声检测研究

程振锋, 贾康康, 李成

2023, 0(5): 94-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.014

摘要 ( 31 )

PDF (2651KB) ( 16 )

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针对碳纤维环氧树脂基平纹机织复合材料的低速冲击损伤,构建了低速冲击-超声检测一体化有限元模型。基于渐进均匀化方法构建了平纹机织复合材料的真实细观单胞模型;基于三维Hashin失效准则对扩展的宏观复合材料板模型在不同冲击能量下的低速冲击损伤进行数值模拟;通过超声Lamb波对损伤区域的非线性响应评估材料内部的损伤情况。利用RAM-5000 SNAP非线性超声检测系统对不同冲击能量的试验试样进行检测,对比仿真结果。结果表明:一体化模型有效可行;超声Lamb波可用于检测机织材料的冲击损伤,其二次谐波幅值和相对二次非线性系数随冲击能量的增大而增大。

碳纤维增强树脂基复合材料表面的紫外激光清洗微观形貌

王洪恩, 李云, 夏令, 杨洋, 刘卫平, 占小红

2023, 0(5): 102-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.015

摘要 ( 35 )

PDF (11961KB) ( 35 )

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胶接预处理是航空复合材料胶接中的重要工序,经过预处理的复合材料表面形貌将直接影响材料的胶接强度。本文基于复合材料紫外脉冲激光清洗技术,通过分析不同工艺参数组合下的材料表面激光清洗微观形貌,来探究紫外激光功率和扫描速度对碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)表面形貌的影响,并比较了经激光预处理和其他方法预处理的胶结试片的单搭接剪切强度。结果表明:当激光频率为60 kHz,扫描速度为300 mm/s时,随着激光功率的增大,CFRP板材表面和间隙的树脂均得到清除,当激光功率增大到8.5 W时,纤维间的树脂被完全清除,当激光功率为13.6 W时,表面树脂和纤维间的树脂均被完全清除;当激光频率为30 kHz,激光功率为13.6 W时,随着激光扫描速度的增大,表层的残留树脂增多,当激光扫描速度为500 mm/s时,碳纤维完整性良好,表层树脂分布均匀且纤维间树脂被完全清除。力学测试显示经适当的紫外激光清洗处理(激光频率为30 kHz,功率为13.6 W,扫描速度为500 mm/s)后,单搭接胶结试片性能可达到与可剥布处理相当的水平,且性能数据离散性(CV值)显著优化。

大尺寸复合材料帽形长桁的固化变形补偿研究

卢政斌, 孙巍, 刘路, 吕秀雷, 韦宁

2023, 0(5): 108-113. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.016

摘要 ( 37 )

PDF (9809KB) ( 24 )

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针对热压罐成型工艺制造的复杂复合材料制件所广泛存在的回弹变形问题,以大尺寸复合材料帽形长桁结构试验件为例,采用多截面型面补偿法对分解后的固化变形量进行整体补偿,并对补偿过程涉及的热膨胀补偿基点选取、截面测量一致性、截面变形补偿方式及轴向扭曲变形补偿等关键技术问题进行探讨分析,最终提出针对有高精度型面要求复合材料制件的固化变形补偿方法,实现了大长径比复合材料零部件型面的高精度控制,型面偏差可控制在±0.30 mm以下,对研究复合材料固化回弹的型面补偿具有指导意义。

变曲率芯模绝热层缠绕成型轨迹规划与编程

徐铭浩, 侯增选, 严文聪, 张伟超, 王浩东, 罗洋洋

2023, 0(5): 114-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.017

摘要 ( 60 )

PDF (3279KB) ( 32 )

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本文根据固体火箭发动机绝热层缠绕成型要求,分析了变曲率芯模几何特征及绝热层缠绕成型特点,研究了变曲率芯模缠绕角计算方法和基于测地线的带隙自适应控制方法,控制缠绕方向以保证缠绕轨迹满足带隙要求。分析了绝热层缠绕胶带撕裂、褶皱形成原因,建立了胶带撕裂、褶皱判定条件。研究了绝热层与椭圆凹面压辊接触区域应力分布规律,基于Winkler模型提出了缠绕压力控制方法。基于上述方法及测地线算法实现了变曲率芯模绝热层缠绕成型轨迹规划。最后,通过绝热层缠绕成型仿真,对算法可行性进行了验证。结果表明,按照本文方法获得的缠绕轨迹切实可行,能够满足变曲率芯模绝热层自动缠绕成型要求。

玻璃纤维/乙烯基酯复合材料在火灾条件下热解气体内压预报方法

解江, 袁浩然, 韩雪飞, 李翰, 冯振宇

2023, 0(5): 120-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.018

摘要 ( 33 )

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聚合物基复合材料在高温环境下会发生热解反应,伴随着热解气体的产生,在材料内部形成气体压强。本文通过对UMATHT子程序进行二次开发,展开高温环境下复合材料基质热解与热解产物扩散的数值模拟,建立了复合材料内压预报模型,实现了传热方程、阿伦尼乌斯方程、达西定律、理想气体状态方程的耦合计算,模拟了75 kW/m²热流作用下玻璃纤维/乙烯基酯复合材料的内压变化。结果表明:该方法得到的压强预测值与试验值吻合较好,最大压强峰值误差约为4.68%,可有效预测玻璃纤维/乙烯基酯的内压变化趋势。各位置的压强达到峰值后开始下降,且影响因素不同。3 mm位置的压强下降受分解速率、渗透率、孔隙率共同影响;6 mm位置则是孔隙率增大与初始渗透率两者导致的;9 mm位置仅受初始渗透率的影响。

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