复合材料科学与工程

赵哲, 李彬

2023, 0(6): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.001

摘要 ( 41 )

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混凝土建筑物长期暴露于空气中会被空气中的CO₂气体碳化,碳化作用下混凝土的力学性能会发生变化,从而影响混凝土结构使用的安全性。本文基于试验采用快速碳化对碳化作用下素混凝土与玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及抗拉强度进行研究,对两种混凝土进行了0 d、3 d、7 d、14 d、28 d快速碳化,测量不同碳化龄期下试件碳化深度,采用核磁共振装置测量了两种混凝土在不同碳化龄期下的孔隙结构变化,利用电液压力机对试件开展了静载劈裂拉伸试验。结果表明:素混凝土及纤维混凝土碳化深度均随碳化龄期的增长而增加,玄武岩纤维混凝土碳化深度与速率始终小于素混凝土,玄武岩纤维的掺入降低了混凝土的碳化速率;随着碳化龄期的增加,试件T₂图谱峰值降低,图谱向左偏移,碳化作用减少了混凝土内部孔隙数目,减小孔隙直径,孔隙率随之降低,碳化龄期与孔隙率间呈良好的指数相关,素混凝土孔隙率始终高于玄武岩纤维混凝土;试件内部微孔、中孔占比在85.89%以上,碳化龄期越长,试件微孔、中孔占比越大,碳化作用生成碳酸盐结晶体充斥于裂隙中,降低试件内部大孔、裂隙的占比;随着碳化龄期的增加,两种混凝土抗拉强度均先增大后减小,前期碳化作用会降低试件孔隙率,增强试件整体,其抗拉强度随之增大,后期碳化作用所产生的膨胀力会对试件造成损伤,试件抗拉强度降低,玄武岩纤维混凝土强度降幅明显低于素混凝土,纤维的掺入增强了混凝土材料的抗碳化能力。

短切碳纤维增强氧化铝复相陶瓷力学性能及抗冲击性能研究

王得盼, 梁森, 周越松, 刘龙

2023, 0(6): 12-16. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.002

摘要 ( 54 )

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本文利用传统的氧化铝陶瓷制作工艺制作了碳纤维/氧化铝复相陶瓷。为防止碳纤维在高温环境下被过度氧化,分别在碳纤维表面制作一层碳粉防护层和碳化硅防护层。探究碳纤维添加含量对C_sf/Al₂O₃复相陶瓷以及C_sf/SiC/Al₂O₃复相陶瓷的力学性能及抗冲击性能的影响规律。搭建了落锤冲击试验平台,并对C_sf/SiC/Al₂O₃复相陶瓷进行冲击试验。结果表明:C_sf/Al₂O₃复相陶瓷和C_sf/SiC/Al₂O₃复相陶瓷的最大抗弯强度和断裂韧性相差不大,抗弯强度和断裂韧性分别在碳纤维含量为0.3%和0.1%时最大,为321.78 MPa和6.98 MPa·m^1/2,相较于纯氧化铝陶瓷分别提高了35%和45.2%。在落锤冲击过程中,C_sf/SiC/Al₂O₃复相陶瓷的抗冲击性能提高了4.15%,载荷峰值提高了10.05%。

共聚酰胺水性上浆剂改善CF/PA6复合材料的界面性能

王少飞, 薛康昊, 范琳, 杨青, 吕玥蒽, 丁小马, 赵乐, 张辉, 刘勇

2023, 0(6): 17-22. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.003

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为改善碳纤维增强聚酰胺6(CF/PA6)复合材料的界面性能,采用共聚酰胺水性上浆剂作为表面改性剂,通过真空模压成型工艺制备出CF/PA6复合材料。采用扫描电镜、X射线光电子能谱、万能试验机等表征CF及CF/PA6复合材料的微观形貌、元素变化以及力学性能。试验结果表明:上浆处理使共聚酰胺成功接入了碳纤维表面,提高了碳纤维与PA6之间的结合能力。当共聚酰胺水性上浆剂浓度为0.5%时,CF/PA6复合材料力学性能最佳,复合材料弯曲强度与层间剪切强度达到1 044.5 MPa与70.6 MPa,与未处理相比分别提升了64.4%与97.8%。

基于虚拟紧凑集束模型的三维机织复合材料弹性常数预测方法

张建

2023, 0(6): 23-29. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.031

摘要 ( 43 )

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三维机织复合材料弹性常数的准确预测依赖于建立高保真的单胞几何模型。本文通过建立紧凑型三维机织复合材料虚拟集束模型,采用应力松弛计算方法,获得了三维机织预制体实际织造后的纤维束形态。采用压实分析模拟预制体进入模具后受压状态,获得准确的表面单胞状态。最后建立了梁单元模型到实体单元模型的映射算法,建立了含树脂基体的三维机织复合材料单胞实体单元有限元模型。利用纤维线密度换算获得预制体纤维束的真实纤维体积含量,对机织复合材料单胞施加周期性边界条件后,通过计算获得三维机织复合材料的弹性常数。研究结果表明,本文提出的虚拟紧凑集束模型能准确模拟预制体纤维束横截面形态,预测的机织复合材料等效弹性常数与试验结果吻合较好。

高温预损伤对碳纤维复合材料冲击后压缩剩余强度影响规律研究

曹雨函, 郭姝含, 欧阳俊杰, 孔繁淇, 王付胜

2023, 0(6): 30-36. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.005

摘要 ( 80 )

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对9A12环氧树脂基T700级碳纤维复合材料(CFRP)层合板在不同预损伤温度(180 ℃、210 ℃、240 ℃)和损伤时间(24 h、72 h、120 h、168 h)下进行低速冲击和冲击后压缩试验(CAI),结合数字图像技术(DIC)和微观形貌研究高温预损伤下CFRP层合板失重量与剩余强度随损伤温度和时间的变化规律。结果表明:CFRP层合板不同温度下相对失重量和冲击后压缩强度下降率均先快后慢,最后趋于稳定。180 ℃预损伤后相对失重量和剩余强度随损伤时间变化较小,损伤120 h后趋于稳定。温度升至210 ℃与240 ℃,损伤初期层合板剩余强度迅速下降,40 h后剩余强度分别降低20.4%和25.1%,较180 ℃下损伤120 h后剩余强度更低。分析结果,建立CFRP层合板高温预损伤导致的失重量与冲击后压缩剩余强度线性关系模型。利用DIC技术记录CFRP层合板在压缩方向上的应变演化规律,并得到应变云图。观察微观形貌发现高温损伤使树脂对纤维的包裹性下降,层间出现散布的树脂颗粒,且在240 ℃时材料的损伤形式由结构性断裂变为环氧树脂氧化分解导致的损伤。

含缺陷陶瓷基复合材料L形构件承载性能及破坏过程

周俊辰, 耿谦, 段玉斌, 王栋梁

2023, 0(6): 37-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.006

摘要 ( 53 )

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本文基于图像重构技术,构建了陶瓷基复合材料代表性体积单胞及L形构件的有限元模型,预测了陶瓷基复合材料的弹性模量。通过试验和数值仿真,研究了强制拉伸位移作用下L形构件的承载性能及破坏过程。结果表明,在缺陷对构件承载性能的影响规律方面,仿真结果与试验结果一致性较好,两者相差约10%。L形构件内侧圆角区域主要承受拉伸作用,外侧主要承受压缩作用。内侧缺陷影响试样的承载性能,承载性能随缺陷面积的增大而降低;而外侧缺陷会影响试样的破坏过程,微观缺陷会扩展为宏观破坏,以材料脱层为主。本文的研究方法与结果可为陶瓷基复合材料典型构件承载性能的测试与分析提供参考。

加热工艺对树脂基复合材料挖补修理固化过程的影响

陈淑仙, 闫登杰, 丁镇源

2023, 0(6): 44-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.007

摘要 ( 38 )

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基于复合材料热固化过程中物性参数的时变特性,建立了树脂基复合材料挖补修理热固化的三维热-力-化学多场耦合模型,数值研究了不同加热方式及不同工艺参数下修补片固化过程中温度、固化度及残余应力的变化规律。结果表明:不同热环境对修补片内温度峰值影响较小,在0.8%以内;热补仪固化方式下,增大升温速率可缩短修补片固化时间,但会使残余应力增加,6 K/min升温速率下比2 K/min升温速率下完成固化所需时间缩短23%,但残余应力增大9%;热压罐固化方式下,降低罐内对流换热系数,可降低修补片内残余应力,且不会延长固化时间,23 W/(m²·K)对流换热系数下比63 W/(m²·K)对流换热系数下残余应力减小12.3%;热压罐与热补仪固化方式相比,完成固化所需时间接近,热压罐固化方式对应的残余应力下降7%。但是热压罐固化成本远高于热补仪,因此可继续优化热补仪固化工艺,达到提高固化质量降低固化成本的目的。

曲线纤维铺放复合材料层合板结构拓扑优化方法研究

王天立, 闫超, 同新星, 樊家辉, 杨小康, 元振毅

2023, 0(6): 52-58. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.008

摘要 ( 42 )

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本文以曲线纤维铺放复合材料层合板为对象,构建了层合板单层曲线纤维铺放路径模型;结合层合板离散和单元等效原则,建立了曲线纤维铺放层合板单元等效本构关系;基于材料惩罚模式,以最小化应变能为评价结构刚度的指标,提出了体积约束下曲线纤维铺放复合材料层合板结构拓扑优化模型;基于有限元和移动渐近线方法求解拓扑优化模型,以获取层合板结构最优拓扑构型,采用数值算例验证设计方法的准确性。结果表明:构建的曲线纤维铺放层合板结构拓扑优化方法能够获得有效的拓扑构型,改变曲线纤维铺放路径可使悬臂梁和简支梁结构刚度分别提高36.9%和22.6%,性能得到明显改善。

一种新型含磷自交联阻燃剂的制备及对固态环氧树脂热稳定性和燃烧性能的影响

王恒旭, 徐锦佳, 林芷芊, 徐翰林, 楼高波, 戴进峰, 傅深渊

2023, 0(6): 59-66. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.009

摘要 ( 38 )

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通过取代反应合成一种新型含磷自交联阻燃剂(DPPN),以¹H-NMR和³¹P-NMR确认其结构,以DSC和TGA评价了其自交联行为和热稳定性,结果表明,DPPN具有优秀的自交联能力和热稳定性。随后,将DPPN用于制备阻燃固态环氧树脂复合材料,对该复合材料的固化行为、热稳定性、燃烧行为及残炭形貌进行分析。研究发现,10% DPPN的添加提高了环氧树脂的固化反应温度,同时也使复合材料的残炭量(800 ℃)由纯EP的11.0%提升至17.1%,其热释放速率峰值pHRR、总热释放量THR、烟生成速率峰值pSPR和生烟总量TSP则较纯EP分别下降了53.8%、42.1%、32.1%和25.0%,10% DPPN环氧树脂具有良好的防火性能。

复合材料C形梁结构的固化变形控制研究

王雪华, 陈俊林, 满珈诚, 岳广全

2023, 0(6): 67-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.010

摘要 ( 50 )

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针对民机复合材料C形梁结构的固化变形问题,建立了包括传热分析模型、固化动力学分析模型、弹性模量模型、树脂收缩模型在内的仿真预测模型,对C形梁缩比件结构的固化变形进行了预测,预测结果与试验结果相比,具有较小的误差。本文将固化变形的仿真预测结果用于指导C形梁缩比件的模具型面修正调节,用型面调节后的模具制备C形梁的变形测量结果满足结构精度要求,实现了对C形梁结构固化变形的有效控制。

扰动荷载下聚丙烯纤维喷射混凝土力学性能研究

贾静恩, 张彬

2023, 0(6): 73-79. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.011

摘要 ( 33 )

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基于试验对煤巷支护体系中纤维喷射混凝土在扰动荷载作用下的安全性能进行研究,采用非金属超声波测量仪对不同扰动荷载及扰动次数下试件的纵波波速及损伤程度进行测量,利用分离式霍普金森压杆装置对试件开展不同扰动次数下的单轴压缩试验,分析试件纵波波速、损伤度、峰值应力及能量耗散与扰动荷载之间的规律。结果表明:随着扰动次数的增加,试件纵波波速先增大后降低,前期扰动作用会降低试件孔隙率,增加试件整体性,随着扰动次数的增加,试件损伤量累积,损伤程度增大,纵波波速相应降低,扰动气压的增加会增大波速降幅;0.15 MPa扰动气压作用1~5次时,试件峰值应力分别为39.6 MPa、41.1 MPa、38.7 MPa、35.1 MPa、33.7 MPa,扰动荷载作用次数的增加使试件峰值应力先增大后降低,适当的冲击扰动作用会增大试件峰值应力,随着扰动次数的增加,试件应力降幅显著增加,后期扰动荷载下试件损伤程度会更大;扰动荷载作用会降低试件吸能效果,且扰动荷载越大,作用次数越多,试件吸收能降幅越明显。在煤巷支护体系的运营维护中要定时探查纤维喷射混凝土的安全性能,以保证巷道支护体系的安全性。

不同应变率下碳纤维布约束混凝土单轴压缩力学性能试验研究

宋萌萌, 吴文飞, 周恒

2023, 0(6): 80-87. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.012

摘要 ( 39 )

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碳纤维布对混凝土材料的约束保护作用能够极大提升其力学性能。本文基于试验,采用电液伺服压力机及分离式霍普金森压杆装置(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)对碳纤维布约束混凝土开展不同应变率下的单轴压缩试验,分析应变率、碳纤维布层数及混凝土强度对碳纤维布约束混凝土应力-应变曲线、峰值应力、动态增强因子DIF(dynamic increase factors)及韧性的影响规律。试验结果表明:不同应变率下试件峰值应力均随碳纤维布层数的增加而增大,两者呈指数函数负相关。应变率的增大使得试件DIF增加,两者呈指数函数正相关,试件存在明显的应变率效应。随着粘贴纤维布层数的增加,C30混凝土试件应变率效应更加敏感。随着混凝土强度等级的提升,碳纤维布层数对试件DIF影响程度降低。应变率、混凝土强度等级及碳纤维布粘贴层数的增加均使试件韧性增大。碳纤维布的约束保护作用能够增加试件的延性,防止混凝土结构物产生脆性破坏,对提升结构物的安全性具有重要意义。

典型船用复合材料阻尼性能试验研究

巩华帅, 梅志远, 陈国涛, 孙昭宜

2023, 0(6): 88-94. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.013

摘要 ( 62 )

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为了研究树脂类型、纤维铺层角度、纤维种类及其混杂方式对复合材料阻尼性能的影响规律,本文针对环氧树脂QC350、乙烯基酯树脂430LV两种船用复合材料基体,碳纤维T700、玻璃纤维G430S两种增强纤维,通过真空成型制备不同纤维与树脂组合的复合材料试件,并开展动态机械热分析仪(Dynamic Mechanical Analysis,DMA)试验。结果表明:QC350纯树脂的阻尼性能优于430LV的阻尼性能,1 Hz~1 kHz频率内,两者的损耗因子η_max(QC350)≈0.094,η_max(430LV)≈0.078,但是在频域和温域下,430LV树脂基复合材料的阻尼性能更为稳定;碳纤维复合材料(CFRP)的阻尼性能不如玻璃纤维复合材料(GFRP)的阻尼性能,1 Hz~1 kHz频率内,η_(T700/QC350)≈0.025,η_{(G430S/QC350)}≈0.030;纤维铺层角度对复合材料阻尼性能的影响较为明显,但是不会改变频域和温域内损耗因子的变化趋势,90°和±45°铺层角度的复合材料具有较好的阻尼性能,两种铺层角度损耗因子约为0°铺层损耗因子的2~3倍;当采用玻纤在外的碳玻混杂方式时,复合材料的阻尼性能较好,并且随着玻纤层数的增加,其阻尼性能逐渐提高。

铺层参数对Fe/CFRP混合结构性能影响分析及优化

荆烁文, 王发展, 何浩平, 黄克鹏

2023, 0(6): 95-103. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.014

摘要 ( 73 )

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为研究满足轻量化、高阻尼使用要求的Fe/碳纤维增强聚合物(CFRP)混合结构机床构件,本文运用引入约束因子的变密度法对原型铸铁横梁进行了三维结构拓扑优化,对其铺设CFRP自由阻尼层以提高阻尼特性。基于响应面法建立了关键铺层参数对结构最大变形与阻尼损耗因子的回归方程,并对铺层参数与横梁性能进行分析,通过遗传算法对复合横梁铺层参数全局寻优。结果表明:铺层角度为46.03°、0°铺层铺设比例为25.39%、铺层顺序为C₂时,Fe/CFRP混合结构横梁综合性能最优,其刚度基本保持不变,重量减轻35.7%,阻尼性能提升62.7%,试验结果与仿真结果一致。

单向增强热塑性复合材料热冲压成型仿真与优化

张学文, 王继辉, 陈宏达, 倪爱清

2023, 0(6): 104-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.031

摘要 ( 65 )

PDF (13802KB) ( 39 )

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基于超高分子量聚乙烯纤维增强聚氨酯(UHMWPE/PUR)单向带预浸料对热冲压过程进行模拟仿真建模与工艺优化研究。首先对单向增强热塑性复合材料在热冲压过程中的力学行为进行描述,建立热-率相关的非正交次弹性本构面内剪切本构,同时考虑热相关的面内拉伸性能;使用ABAQUS进行半球热冲压成型模拟仿真;基于主曲率法,使用MATLAB对模拟结果的面外褶皱进行定性与定量评估;研究热冲压成型工艺中,三个主要参数(压边圈压强、预浸料初始温度与模具温度)与褶皱量的关系;以最小量面外褶皱为目标,使用响应面方法对热冲压模拟成型进行优化,确定压边圈压强、预浸料初始温度及模具温度的最佳工艺参数。结果表明:压边圈压强与预浸料初始温度对褶皱影响较大;响应面法能够较为准确地预测出最佳成型工艺参数。

复合材料柔性细杆的结构设计与试验验证

梁旭豪, 张娟娟, 沈峰, 陈永笑, 王晓蕾, 白瑞祥

2023, 0(6): 115-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.016

摘要 ( 56 )

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柔性减速刷消旋是现有的一种针对空间自由翻滚目标的接触式主动消旋技术。针对某型减速刷消旋装置对柔性毛刷工具的基本技术要求,设计了一种碳纤维复合材料柔性细杆,通过开展有限元仿真分析,验证了结构设计方案的合理性。采用卷管成型工艺制备了细杆试样,并随机选取试样进行了试验验证。试验结果表明,24根复合材料柔性细杆的捆扎刚度和单根复合材料柔性细杆的最大弯曲挠度均符合基本设计要求,仿真分析结果与试验结果基本一致,为后续该构件在减速刷消旋装置上的应用研究奠定了基础。

CFRP螺栓连接力和温度耦合力学性能研究

王伟龙

2023, 0(6): 120-127. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.017

摘要 ( 47 )

PDF (16551KB) ( 39 )

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本文对碳纤维复合材料(CFRP)螺栓连接在不同温度环境(常温、低温),不同连接方式(单钉双剪连接、双钉并排双剪连接),不同拧紧力矩(2 N·m、4 N·m、6 N·m)三个变量条件下的复合材料螺栓连接试件进行静载拉伸实验,探究力、温度及连接方式对螺栓连接构件的静载拉伸性能的影响。结果表明:其他实验条件相同时,双钉连接方式的试件抗拉伸强度明显提升;适当增加拧紧力矩可以有效提高螺栓连接强度;低温环境下试件抗拉伸强度略有提升。

复合材料零件封孔胶自动喷涂工艺研究

邱一, 刘彦汝, 陈金, 余宁, 唐鹏, 张凯

2023, 0(6): 128-132. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.018

摘要 ( 58 )

PDF (5992KB) ( 48 )

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复合材料表面火焰喷铝是最常用的表面层导电处理方法之一,喷铝后通常需要在铝层表面进行封孔胶喷涂,达到保护铝层的作用。目前封孔胶常用手工刷涂、手工喷涂的方式,效率低,容易产生流挂,后期需要进行大量打磨修补。封孔胶机器人自动喷涂成为发展趋势,本文针对封孔胶机器人立式自动喷涂进行了工艺参数研究。结果表明,机器人自动喷涂能有效改善封孔胶流挂现象,喷涂的封孔胶层厚度均匀,表面质量好,封孔胶与铝层间的粘接强度高达30.28 MPa,远超行业标准。

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