复合材料科学与工程

沈昊辰, 牛波, 张琪凯, 郝晶莹, 张亚运, 龙东辉

2023, 0(4): 5-13. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.001

摘要 ( 58 )

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本文以2.5D石英纤维预制体为增强体,以纳米孔酚醛树脂为基体,通过溶胶-凝胶、常压干燥工艺制备了具有优异力学性能和低热导率的2.5D石英纤维/纳米孔酚醛树脂基复合材料,并基于力学和热导率的测试表征和有限元分析,系统研究了复合材料的微观结构、传热性能和力学性能。结果表明:酚醛树脂在微观上呈现纳米孔三维网状结构,有效地实现了较低密度(1.35 g/cm³)和低热导率(0.18 W·m^-1·K^-1),提升了材料的隔热性能;同时由于2.5D编织结构中经纱弯曲程度较高而纬纱分布较直,复合材料的力学性能和断裂行为展现出各向异性的特征。进一步建立了以实际材料结构、力学和热学参数为基础的有限元分析模型,预测了纤维体积分数、基体参数和纤维参数对复合材料不同方向热导率和弹性模量的影响规律。

SHPB试验中碳纤维增强复合材料试样的尺寸效应数值模拟分析

温智超, 屈美娇, 李哲旭, 李孟奇, 董秋雨, 孙戬

2023, 0(4): 14-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.002

摘要 ( 52 )

PDF (3644KB) ( 31 )

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霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验是研究中高应变率载荷下材料压缩性能的重要手段之一。本文采用ABAQUS仿真,研究碳纤维增强树脂基复合材料在SHPB试验中的尺寸效应,探究不同撞击速度、撞击方向和试样尺寸对试样应力的影响规律。结果表明:沿纤维方向撞击试样时,试样应力受试样压缩方向长度影响不大,受撞击速度影响较大,且试样尺寸越小,影响越明显;垂直于纤维方向撞击试样时,试样压缩方向长度和撞击速度对试样应力均有较大影响,随试样尺寸的减小和撞击速度的增大,试样应力呈增大趋势。

捆绑纱线密度变化对经编织物复合材料性能的影响

缑依锟, 段跃新, 宁博, 杨洋

2023, 0(4): 21-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.003

摘要 ( 40 )

PDF (12743KB) ( 52 )

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以30 dtex线密度捆绑纱经编织物和50 dtex线密度捆绑纱经编织物(Non-Crimp Fabrics,NCF)为原料,考察了捆绑纱线密度变化对LCM工艺中涉及到的经编织物性能的影响。结果表明:降低捆绑纱线密度有利于提高经编织物的渗透率,金相照片表明承受压缩载荷后,相比之下线密度较低的捆绑纱所占体积更小,捆绑纱处纤维体积分数更小;降低捆绑纱线密度有利于纤维间的滑移和嵌套,经编织物可以被压缩到更薄的厚度;在30~50 dtex区间内,捆绑纱线密度变化对经编织物变形后回弹效果无明显影响;与50 dtex线密度捆绑纱经编织物复合材料相比,30 dtex线密度捆绑纱经编织物复合材料0°拉伸强度降低10.1%,0°压缩强度提高21.9%,弯曲强度提高9.5%,层间剪切强度提高3.3%,0°拉伸模量提高6.3%,0°压缩模量提高11.3%,弯曲模量提高9.9%;金相照片表明30 dtex线密度捆绑纱经编织物制备的复合材料层间树脂易分布不均匀。

基于张力补偿的变张力控制方法研究

许家忠, 倪梦健, 李新, 李斌, 杨海

2023, 0(4): 27-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.032

摘要 ( 59 )

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针对回转体构件纤维缠绕过程中纱线由出纱机构缠绕到主轴上存在的摩擦阻力及悬纱长度的变化引起落纱点处纤维张力变化的问题,提出基于张力补偿的变张力控制方法。分析纱线以任意包角经过导辊前后的张力关系,并采取测地线的缠绕理论对出纱导丝头运动轨迹进行规划,获得出纱导丝头的运动轨迹方程;建立芯模缠绕数学模型,分析芯模缠绕过程中悬纱长度对张力变化的影响,获得在不同落纱点处的张力与出纱端需要提供的张力的关系,对悬纱长度变化引起的张力波动施加补偿,从而使落纱点处张力值恒定。进行了施加张力补偿的回转体纤维缠绕实验,缠绕实验结果表明,施加张力补偿后,缠绕张力更加稳定,验证了提出的基于张力补偿的变张力控制方法能有效抑制缠绕过程中张力的波动。

偶联剂对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料界面性能影响研究

张振, 王万杰, 彭运松, 曹艳霞, 李想

2023, 0(4): 34-40. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.005

摘要 ( 36 )

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本文采用偶联剂添加的方法,分别研究了偶联剂种类、偶联剂用量、添加工艺对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料性能的影响。分别使用硅烷偶联剂和大分子偶联剂对复合材料进行改性,结果显示大分子偶联剂对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料的性能提升更为显著。对于不同种类的碳纤维织物,大分子偶联剂的增强效果不同。对于某国产T700碳纤维织物,随着大分子偶联剂的加入,复合材料性能不断提升,当用量为1.5%时,其层间剪切强度提升了41.4%(由24.4 MPa升至34.5 MPa)。而将大分子偶联剂用于某东丽T700碳纤维织物的改性时,其性能呈现出下降的趋势。此外,对比采用不同添加工艺时复合材料的性能提升幅度和数据分散性发现,大分子偶联剂在树脂中添加使用的工艺优于对碳纤维织物表面喷涂使用的工艺。

湿热对石英纤维增强双马树脂基复合材料力学及电性能影响的研究

孙健明, 温磊, 李斌太, 石峰晖

2023, 0(4): 41-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.006

摘要 ( 87 )

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本文对一种新型低损耗高透波的单向石英纤维增强双马树脂基(牌号:QF210/5429)复合材料进行了湿热老化处理,研究了QF210/5429复合材料的吸湿变化规律,并对湿热处理后复合材料力学性能及电性能进行了研究,分析了湿热处理对复合材料性能影响机理。研究结果表明,QF210/5429复合材料饱和吸湿率为0.6%,饱和吸湿后复合材料的拉伸强度和层间剪切强度分别为1 450 MPa和105 MPa,相对未经湿热处理的复合材料的拉伸强度和层间剪切强度分别降低20.5%和13.9%,湿热处理前后的复合材料的弯曲性能和压缩性能无明显变化。饱和吸湿后复合材料介电常数约为3.55,介电损耗正切值约为1.1×10^-2,相对未经湿热处理的复合材料介电常数无明显变化,介电损耗正切值增加120%。

拉伸载荷下开孔层合板的渐进损伤分析

蔡聪艺, 吴海勇

2023, 0(4): 45-50. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.007

摘要 ( 47 )

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建立拉伸开孔层合板的渐进损伤模型,研究层合板的失效模式,并分析了不同孔径对开孔层合板极限载荷的影响。通过编写VUMAT子程序将Hashin失效准则和材料退化模型加入渐进损伤分析中。首先将不同网格数量的开孔层合板模型的位移-载荷曲线和试验结果进行对照,然后将仿真分析得到的失效模式与试验结果进行对照,验证模型和选用的失效准则的正确性,最后研究了不同孔径对开孔层合板拉伸极限载荷的影响。结果表明:本文建立的渐进损伤模型能够较准确地预测层合板的位移-载荷曲线和失效模式,纤维拉伸失效首先发生在孔边,并沿着45°方向进行扩展,随着孔径的增大,开孔层合板的拉伸极限载荷逐渐减小,且下降速度首先呈线性下降,然后又逐渐增大。

CFRP条带加固RC梁斜裂缝投影长度的计算方法

郭卫东, 于峰, 谈嗣勇, 方圆, 秦尹, 王宗森, 郭生全

2023, 0(4): 51-55. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.008

摘要 ( 29 )

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开展18根CFRP条带加固RC梁的抗剪试验,分析剪跨比、CFRP条带间距和预裂度等对加固RC梁斜裂缝投影长度的影响。试验研究表明:CFRP条带间距的减小将延缓斜裂缝的发展,增加斜裂缝数量;随着预裂度的增大,斜裂缝发展加快,斜裂缝数量及投影长度增大;剪跨比是影响斜裂缝发展和投影长度的主要因素,斜裂缝投影长度随着剪跨比的增大而增大。在试验研究基础上,综合考虑剪跨比、CFRP条带间距和预裂度等因素影响,提出CFRP加固混凝土梁斜裂缝水平投影长度的计算公式。

预应力CFRP板加固多跨连续梁桥纵向受力相互影响分析

吴必涛, 林祖才, 张坚, 欧阳耀, 杨俊锋

2023, 0(4): 56-62. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.009

摘要 ( 40 )

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为研究预应力CFRP板加固多跨连续梁桥各跨纵向受力相互影响关系,本文基于新沐河连续梁桥工程背景,建立了连续梁桥预应力CFRP板加固模型。研究了预应力CFRP板加固多跨连续梁桥跨间的相互影响规律及预应力锚固位置对加固效果的影响规律,最后给出了全桥各跨达到一致加固效果时各跨张拉预应力比值。研究结果表明:多跨连续梁桥预应力CFRP板加固会引起相邻奇数跨挠度增加,相邻偶数跨产生反拱效应,对相邻第二跨后的影响明显减小;相较于简支梁桥,连续梁桥的邻跨对加固效果有削弱抑制的效应,抑制效应与加固跨所在的位置有关;中间跨与其邻跨张拉预应力比值为1∶0.3时能有效减小对邻跨的影响且对加固跨的加固效果影响较小,对桥面的平顺性影响最小。

某型直升机蒙皮弹孔损伤胶接抢修工艺研究

金磊, 王共冬, 许成阳, 于领军, 要淞洋

2023, 0(4): 63-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.010

摘要 ( 64 )

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战时飞机蒙皮受到子弹攻击会产生损伤,影响直升机的正常飞行,采用传统工艺修复所需时间较长。针对这一问题,对一种基于胶接剂和纤维预浸料的蒙皮快速抢修的新工艺方法进行了研究。首先,对此工艺的修补方案及流程进行了介绍;其次,在上述研究的基础上,采用仿真与试验结合的方法研究了修补方式和打磨方式对修补后蒙皮强度的影响;最后,采用试验对上述研究结果进行验证,得出采用此工艺方法修复后的蒙皮,其强度可达到蒙皮母板强度的98%以上,其修复时间缩短为传统复材修复工艺的2/3,其修复重量为传统工艺的1/3。

挖补修理平纹编织复合材料层合板静态拉伸与拉-拉疲劳试验研究

史晓军, 王轩, 杨晨晨, 高俊福

2023, 0(4): 70-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.011

摘要 ( 51 )

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通过试验研究挖补修理对平纹编织复合材料层合板静态拉伸与拉-拉疲劳性能的影响,疲劳试验应力比R为0.1。结果表明:挖补修理降低了层合板静态拉伸强度、静态拉伸模量、拉-拉疲劳极限和剩余载荷,挖补修理后恢复率分别为64.9%、82.5%、80.7%和76.6%;挖补修理层合板拉-拉疲劳寿命恢复程度随着载荷水平增加而减小;拟合的S-N曲线在有限寿命区具有较高可信度;经过10⁶次循环加载作用后的完好件和修理件的剩余载荷均小于静态拉伸破坏载荷,且循环加载后刚度均变大;所有试验件断口处均出现纤维断裂和基体开裂,完好件断口以纤维断裂为主,且伴有分层损伤,修理件断口补片与胶层之间发生剪切破坏导致补片与母板明显脱黏。

大展弦比复合材料机翼几何非线性静气动弹性研究

张宝升, 王军利, 刘志远, 李金洋, 冯钰茹

2023, 0(4): 78-86. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.012

摘要 ( 35 )

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气动弹性研究对机翼稳定性提高具有极其重要的意义,目前大尺寸大展弦比复合材料机翼在气动力作用下,会产生较大的弯曲扭转变形,使得几何非线性静气动弹性问题更加突出,导致该类型飞机稳定性大大降低,严重影响飞行安全。基于CFD/CSD双向耦合方法,考虑几何非线性影响,采用N-S控制方程求解大变形下的气动载荷,通过Newton-Raphson迭代法求解非线性结构平衡方程,对大展弦比复合材料机翼大变形几何非线性静气动弹性问题进行了数值分析;通过仿真分析,得到攻角和马赫数对大展弦比复合材料机翼几何非线性静气动弹性变形的结构变化规律,并重点分析这种气动弹性变形对该型机翼的纵向气动特性变化的影响程度。

直升机复合材料油箱密封结构分析与试验研究

辛志博, 朱彦松, 段玉岗, 王奔, 黄志文, 王宏晓, 明越科

2023, 0(4): 87-93. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.013

摘要 ( 66 )

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复合材料作为新一代轻质、高强度材料,已经在航空航天制造行业中被大量应用。对于整体复合材料油箱的结构设计,其核心在于满足强度要求下的密封设计。本文首先根据气密性要求,采用ABAQUS有限元分析软件对整体复合材料应变分布进行分析,优化密封结构设计,然后根据设计要求制造复合材料油箱部件,最后对组装好的整体复合材料油箱进行验证。结果表明所设计的整体复合材料油箱能够完全满足气密性保压要求,同时也能够满足耐油性试验要求。

一种陆基充气天线反射面材料拉伸性能研究

翟文浩, 蒋金华, 郝恩全, 邵慧奇, 陈南梁, 沈为

2023, 0(4): 94-99. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.014

摘要 ( 36 )

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提出用一种三维结构的大隔距机织间隔织物增强PVC膜复合材料作为陆基充气天线的反射面材料。为研究反射面材料表层不同方向力学性能的差异,不同拼接材料和不同拼接宽度与拼接处断裂强力的关系以及反射面材料间隔方向拉伸能力的影响因素,对反射面材料进行了单轴拉伸试验。试验结果表明:试样材料表层的拉伸断裂强度为纬向>经向>45°方向;基布在与PVC膜复合后经纬向断裂强力提高2~3倍,45°方向断裂强力提高10倍。拼接宽度和拼接材料的断裂强度与材料拼接处的断裂强度正相关;间隔方向的抗拉伸性能与间隔纱的密度、表层织物组织结构的密度成正比,与间隔高度成反比,其中间隔丝的密度对间隔方向的抗拉伸性能影响程度最大。

轴压载荷下蒙皮参数对复合材料加筋壁板屈曲及后屈曲行为的影响

许良, 边钰博, 宋万万, 周松, 邢本东

2023, 0(4): 100-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.015

摘要 ( 24 )

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飞机中有大量加筋壁板结构,利用复合材料取代传统金属材料制造加筋壁板结构可减轻重量,提升性能。为研究轴压载荷下不同蒙皮参数对复合材料加筋壁板结构的屈曲与后屈曲行为的影响,通过ABAQUS建立了有限元模型。首先采用特征值法进行屈曲分析,然后采用ABAQUS中动力显式(dynamic explicit)建立模型模拟,最后进行轴压试验验证。结果表明:有限元仿真值与试验值相差不大,即该模型求解方法可以准确预测其后屈曲载荷;蒙皮参数的不同使得加筋壁板结构的屈曲模态发生改变,并且对后屈曲行为有明显影响,显著改变了加强筋结构的承载能力。研究结果对优化复合材料加筋壁板的承载能力与提高飞机结构设计效率具有重大意义。

碳纤维复合芯导线断裂机理及原因分析

郑建军, 田峰, 张涛, 陈浩

2023, 0(4): 107-112. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.016

摘要 ( 73 )

PDF (9328KB) ( 27 )

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本文针对某220 kV输电线路在运行过程中发生断裂故障的碳纤维复合芯导线,采用宏观及微观形貌观察、X射线能谱检测、傅里叶红外光谱分析、热分解试验、抗压性能测试等方法,对未服役(新)和断裂的碳纤维复合芯导线进行了检测分析,并研究了其断裂原因和断裂机理。结果表明:碳纤维复合芯导线的断裂主要与微风振动引发的玻璃纤维层的微动磨损和碳纤维芯的微动疲劳有关;玻璃纤维层在发生磨损后诱发了局部放电现象,放电过程中产生的高温及硝酸导致了环氧树脂的熔解及玻璃纤维的应力腐蚀,从而进一步加剧了碳纤维复合芯的断裂;根据断裂机理可以将碳纤维复合芯的断裂过程划分为5个阶段。当碳纤维复合芯断裂后,导线的负荷张力将超过T形铝绞线的允许张力,并在短时间运行后引发断线故障。

变形率对FRPM管涵疲劳性能影响研究

孙超, 王清洲, 魏连雨, 孟会林, 王笑森

2023, 0(4): 113-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.017

摘要 ( 28 )

PDF (6541KB) ( 19 )

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根据管涵受力特性研发FRPM管涵夹具,对变形率为0%、1%、2%及3%的试件进行10次、50万次、100万次与200万次循环荷载加载,分析变形率对FRPM管涵疲劳性能的影响;根据剩余刚度理论、线性疲劳损伤理论及疲劳试验结果,建立FRPM管涵的剩余刚度疲劳寿命预测模型。主要得出如下结论:①变形率影响试件的承载能力,变形率越大,试件经疲劳试验后其承载能力越低;②循环疲劳荷载作用次数的增加能够降低FRPM管涵的管刚度,当变形率为0%时,经过200万次的疲劳荷载作用,FRPM管涵试件的管刚度由50.71 kPa下降至46.05 kPa,下降了10.12%;③经疲劳荷载作用后,变形率降低了管涵的承载能力和管刚度,对于变形率为3%的管涵,经过200万次疲劳荷载作用后,管刚度降低24.44%;④试件各监测点位应变增长率与疲劳荷载作用次数成正相关,变形率越大,经过疲劳荷载作用后,其承载能力越低,疲劳作用次数越多,其承载能力降低越大;⑤建立基于剩余刚度的疲劳寿命预测模型,通过该模型预测变形率为0%、1%、2%和3%时FRPM管涵的疲劳寿命,变形率为0%时,FRPM管涵的疲劳寿命为1 252.956万次,变形率为3%时,FRPM管涵的疲劳寿命为693.761万次,表明FRPM管涵具有良好的疲劳性能,疲劳寿命能够满足服役要求。

碳纤维复合相变材料的热物性与熔化特性实验研究

纪玮, 刘伟军

2023, 0(4): 121-127. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.018

摘要 ( 46 )

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相变材料的热物性和传热特性对储能装置的应用具有重要意义。以切片石蜡和碳纤维粉末为原料制备了复合相变材料,用科学仪器表征了复合相变材料的热物性,结果表明碳纤维的加入可使相变材料的导热系数提升而熔化温度与潜热降低。在自行搭建的实验系统中完成了熔化传热特性实验。实验证实:碳纤维含量的增加会使复合相变材料整体熔化速度加快,但整体熔化趋势不变;在液相区域向上扩散的过程中,前期熔化速度较快,在固液相界面趋于水平后,熔化速度减慢。

B₄C_p/Al复合材料的界面调控及塑性变形行为研究进展

彭昊恺, 刘瑶, 马东林, 冷永祥

2023, 0(4): 128-136. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.019

摘要 ( 42 )

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B¹⁰具有优异的热中子屏蔽性能,B¹⁰含量高、断裂韧性好、可进行塑性变形加工的B₄C_p/Al复合材料大尺寸薄板在乏燃料后处理方面有着广阔的应用前景。但是,随着B₄C颗粒含量的增多,B₄C与Al界面处脆性相增多,导致B₄C_p/Al复合材料的韧性变差,塑性变形能力减弱,后续塑性加工成型性差。因此,制备热中子屏蔽性能好的高硼含量B₄C_p/Al板材的关键是在保证高B₄C颗粒含量的前提下,通过控制B₄C颗粒和Al基体界面反应产物,提高B₄C_p/Al复合材料的韧性和塑性变形能力。本文首先介绍了B₄C_p/Al复合材料的制备方法,重点对浸渗法进行了论述,并介绍了B₄C_p/Al复合材料的塑性变形机制,对热加工温度、应变速率和B₄C_p/Al复合材料界面结构对B₄C_p/Al的塑性变形能力和热轧性能的影响进行了综述。同时,介绍了国内外近年来通过控制浸渗温度、添加合金元素和陶瓷颗粒等方法,实现对B₄C_p/Al复合材料界面成分、结构调控的研究成果。最后,本文对采用浸渗和热轧加工制备用于乏燃料后处理的高硼含量B₄C_p/Al复合材料大尺寸薄板的研究进行了展望。

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