复合材料科学与工程

马乾瑛, 李帅, 高晓敏, 吴宗欢

2023, 0(9): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.001

摘要 ( 93 )

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本文对研发的复合橡胶基磁流变弹性体材料(MRE)的动态力学特性进行了研究,通过循环剪切试验测试了其力学性能。设计了三组剪切试验,分别研究应变幅值、加载频率、外加磁场对MRE力学性能的影响,绘制了在不同加载条件下MRE的滞回曲线,根据试验数据计算得到最大阻尼力、等效刚度、储能模量、耗散能、损耗模量和损耗因子。试验结果表明:MRE的耗能能力明显受到幅值和频率的影响,在200%的幅值和2.0 Hz的加载频率以内,其耗能能力与幅值和频率呈正相关,且其耗能能力受幅值影响比受频率影响更大;外加磁场也能提升MRE的耗能能力,但在50 mT以上的磁场强度下,此MRE性能的提升趋势明显减弱。最后采用Bouc-Wen模型对MRE的动态力学特性进行描述,通过Simulink自带最小二乘算法进行参数拟合,对拟合结果的分析表明,最大阻尼力与耗散能的最大拟合误差在10%以内,平均误差低于5%。

湿热环境下不同挖补构型层合板振动特性分析

赵耀斌, 单金洋, 崔开心, 卢翔

2023, 0(9): 13-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.002

摘要 ( 66 )

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通过理论推导和有限元仿真探究了自由边界条件下,不同损伤深度阶梯挖补修理层合板在不同温度和含湿量情况下的振动特性。基于Voklkersen胶接接头模型并考虑湿热效应的影响得出修理层合板的运动平衡方程,通过推导得到修理层合板的振动特征方程。在ABAQUS软件中建立了不同挖补深度层合板的有限元模型并通过试验验证,在不同温度、含湿量条件下,分析挖补层数、附加铺层数和搭接长度对振动特性的影响。研究结果表明:修理层合板固有频率增幅随挖补层数的增加而增加;含有附加铺层的层合板可以更好地维持固有频率,且两层附加补片的效果优于一层附加补片的效果;非穿透修理构型层合板的固有频率随搭接长度增加而增加;对于穿透修理构型层合板,其固有频率更易受到温度、含湿量和搭接长度影响,在高温干态环境(T=100 ℃、C=0%)下,当搭接长度在1.5~9 mm之间变化时,搭接长度为4 mm的穿透修理构型层合板固有频率最低。

酚酞型聚芳醚酮与硅烷偶联剂协同改性CF/PPS复合材料

赵乐, 陈正国, 杨青, 刁春霞, 陆承志, 王少飞, 刘勇, 张辉

2023, 0(9): 21-28. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.003

摘要 ( 57 )

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本文使用不同浓度的KH570溶液和0.5wt%的PEK-C溶液依次对碳纤维进行改性处理,并通过模压成型制备了CF/PPS复合材料,使用X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、万能材料试验机等手段表征改性后的CF/PPS复合材料。结果表明,使用2wt%的KH570溶液和0.5wt%的PEK-C溶液依次处理碳纤维后,复合材料的界面性能和弯曲性能大幅提升,相较于未经改性处理的CF/PPS复合材料,其弯曲强度由709 MPa提高至953 MPa,提升约34.4%,ILSS则由23.8 MPa提高至53.3 MPa,提升约123.9%。

基于多尺度分析的EMAA自修复缝线复合材料层间增韧作用研究

杨威亚, 高东晨, 铁瑛, 张臻臻, 葛超坤

2023, 0(9): 29-35. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.004

摘要 ( 46 )

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为研究热塑性EMAA纤维缝线网络对碳纤维复合材料层合板的层间断裂韧性和加热修复后韧性的双重增韧作用,本文采用试验和数值多尺度建模分析相结合的方法,对含有EMAA缝线网络的碳纤维复合材料层合板在热修复前后的Ⅰ型层间断裂韧性进行了分析。根据碳纤维束微观模型预测碳纤维束等效力学参数,通过对缝线处单层板细观结构进行测量,建立细观尺度单胞模型,预测细观单胞的等效力学参数。完成DCB试件宏观模型构建,在宏观模型中添加黏性层模拟EMAA修复剂,来进行Ⅰ型层间断裂韧性分析,采用三维Hashin失效判定准则和渐进退化模型对纤维束及基体进行损伤分析,利用双线性本构模型对黏性层失效进行判定。通过将试验结果与仿真结果进行对比分析,验证了该多尺度模型的有效性;仿真和试验结果表明,EMAA缝线网络能有效提高层间断裂韧性,减缓裂纹扩展;三维缝合网络能够将自愈合EMAA送入损伤区域,继而实现分层裂纹层间断裂韧性的高恢复(修复率为175%)。

冲击荷载作用下玄武岩纤维混凝土低温力学性能试验研究

张志鹏, 张凯章, 巩达

2023, 0(9): 36-41. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.005

摘要 ( 45 )

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基于试验研究了温度效应与应变率效应对玄武岩纤维混凝土力学性能的影响。采用电液伺服压力机及分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,在低温(10 ℃、0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃)环境下对玄武岩纤维混凝土开展不同冲击气压下的单轴压缩试验,分析试件应力-应变曲线、抗压强度、抗拉强度及增长因子与温度和冲击气压间的关系。结果表明:温度的降低使试件峰值应力增大,峰值应变减小;0.55 MPa冲击气压作用下,相较于10 ℃,温度为0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃时试件抗压强度增幅分别为1.50%、7.09%、15.83%、23.34%,抗拉强度增幅分别为10.34%、23.17%、38.86%、60.78%,低温作用下试件峰值抗压强度、抗拉强度增大,抵抗外荷载能力增加,延性降低;不同冲击气压下,试件抗压、抗拉强度DIF随着温度的降低而增大,低温环境使试件应变率效应更加敏感,且抗拉强度的应变率效应敏感性高于抗压强度的应变率效应敏感性;低温环境下,对试件的峰值抗拉强度、抗压强度影响应优先考虑温度效应,其次考虑应变率效应。

基于失效理论的复合材料力学性能预测及试验验证

夏婉莹, 李志虎, 秦玉林, 张宁, 严路平

2023, 0(9): 42-47. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.006

摘要 ( 85 )

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针对纤维增强复合材料力学性能预测方法进行研究,采用实际试验和有限元仿真分析相结合的方法,分别利用Tsai-Wu张量理论及Hashin失效准则确定工况的失效机能,从而获得相应工况或加载条件的最大载荷、最大位移、弹性强度和杨氏模量等力学性能结果。将试验结果与仿真结果进行比对,结果表明Tsai-Wu张量理论对工况安全性能校核较为适用,Hashin失效准则更加适用于实际的极限强度预测。同时,建立的有限元仿真模型仿真结果与试验结果吻合度较好,说明该预测模型具有良好的合理性。

2.5D-C/C复合材料压缩试样构型及损伤失效试验研究

蒙怡, 杨胜春, 刘小川, 杨海龙, 宋贵宾

2023, 0(9): 48-54. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.007

摘要 ( 43 )

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为探究2.5D-C/C复合材料在常温压缩载荷下的损伤过程,通过试验方法比较了不同压缩构型下的试验结果与失效模式,同时利用声发射(AE)技术实现损伤在线监测,采用改进的K-均值聚类算法对AE信号进行模式识别,结合聚类后的AE信号随时间变化的统计分析与扫描电子显微镜(SEM)微观表征,发现2.5D-C/C复合材料压缩过程损伤模式包含基体开裂与裂纹扩展、界面脱黏以及纤维弯曲断裂,并将损伤模式与AE信号相匹配,描述了材料的压缩损伤演化进程。

透波疏水涂层制备及性能研究

李怀富, 刘序旻, 王智, 柴朋军

2023, 0(9): 55-60. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.008

摘要 ( 51 )

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透波涂层作为天线罩最外层材料,不仅要对天线罩起到保护和美观的作用,还要能实现透波的电磁功能。天线罩表面涂覆疏水涂层能有效降低水滴在其表面黏附性,减少水滴对天线罩透波性能的影响。本文通过在低介电的氟碳树脂涂层中引入介孔二氧化硅粒子,构造了疏水表面。研究结果表明:10wt%二氧化硅粒子涂层体系疏水角达到129.4°;同时,偶联剂改性介孔二氧化硅粒子提高了粒子在溶液中的分散性。对比研究涂层体系的耐冲击性能、铅笔硬度、附着力、介电性能、透波性能,结果表明10wt%改性介孔二氧化硅粒子涂层具有优异的综合性能,实现了天线罩涂层透波、疏水功能的一体化。

基于PSO-BP神经网络的玻璃钢管首层失效预测研究

李原昊, 胡少伟, 单常喜, 牟钊, 潘福渠, 李江

2023, 0(9): 61-66. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.009

摘要 ( 37 )

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预测玻璃钢管的首层失效对保障其在水利输水工程的服役安全具有重要意义。本文通过粒子群算法优化BP神经网络(PSO-BP)实现对玻璃钢管在双轴应力下管道复合层首层失效的预测,并将PSO-BP模型预测结果通过试验数据进行验证。研究表明:PSO-BP神经网络模型对玻璃钢管首层失效的平均预测准确率可达85%以上,收敛速度及预测准确率较对照BP神经网络模型均存在优势;绘制的轴向应力与环向应力的双轴失效包络线显示出PSO-BP模型预测的失效包络线与试验中测得的失效包络线十分接近,且预测失效包络线绝大部分位于试验失效包络线的内侧,故该模型是一种偏安全的预测模型,可作为一种按规范鉴定玻璃钢管合格前的有效判断手段。

结构参数对CFRP三螺栓胶螺混合接头连接性能的影响研究

杨晓东, 时建纬, 陈栋, 李成

2023, 0(9): 67-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.010

摘要 ( 75 )

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通过实验和数值模拟研究了不同结构参数对三螺栓的碳纤维增强复合材料(CFRP)胶螺混合接头连接性能的影响机制。建立了基于三维Hashin失效准则的有限元模型,并借助超景深设备Keyence VHX-6000对接头的失效区域进行观测,探究了搭接长度、螺栓孔间距和间隙配合关系对接头连接性能的影响。结果表明:增加搭接长度能够使接头的受力分布由接头边缘向中间转移,使接头性能提升了29.9%;减小螺栓孔间距能够提高接头两端胶接区域的连接性能,使接头性能提升了15%;由于三螺栓受力不均,因此两端螺栓孔为间隙配合时,能够增加中间螺栓的受力,使接头性能提升了6.9%。接头的连接性能随着搭接长度的增加而增加,但是增速逐渐减小至零;随着螺栓孔间距的增加,接头的连接强度先缓慢增大后快速减小,最佳螺栓孔间距为15 mm;两端的螺栓为间隙配合时能够增加接头的连接性能,最佳螺栓孔直径为5.2 mm。

电子用双环戊二烯苯酚树脂的绿色合成及表征

蔡诗琦, 王松松, 石剑, 陈利, 李为民, 熊意

2023, 0(9): 73-79. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.011

摘要 ( 40 )

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本文以双环戊二烯(DCPD)和苯酚为原料,以自制的新型强酸性阳离子交换树脂为烷基化反应的催化剂,催化苯酚与DCPD发生反应生成双环戊二烯苯酚树脂(DPR)。用阳离子交换树脂替代传统含氟催化剂作为烷基化反应的催化剂,减少了含氟废水的产生,更加绿色环保。通过改变反应时间、反应温度、原料配比、催化剂用量以及正交实验,探究烷基化反应的最佳工艺条件以及阳离子交换树脂磺化度对产物的影响,使合成的树脂能够符合电子用树脂的要求。同时探究DPR树脂的结构,并测定DPR树脂中不同聚合度组分的含量,以及DPR树脂的软化点、收率等数据。实验表明,当采用新型强酸性阳离子交换树脂为催化剂,反应条件为3 h、120 ℃,原料配比为4∶1,催化剂用量为20%时,聚合度为0的组分含量可达92.36%。

热处理对CF/PEEK热塑性复合材料变形的影响

王维泽, 刘榕, 于航

2023, 0(9): 80-84. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.012

摘要 ( 65 )

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碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)是一种性能优异的热塑性复合材料。CF/PEEK在成型过程中对温度和压力等条件敏感,不同的热处理条件都可能会对零件的变形产生影响。在带弧度的复合材料固化时,层合板间的内应力在脱模时被释放,会造成材料的变形,影响成型件的精度与后期使用。基于热处理工艺对CF/PEEK力学性能的提升,本文聚焦热处理工艺对CF/PEEK变形的影响,设计用于制造曲面零件的原位膜加热设备,利用圆柱形模具加工C形件,探究不同熔融温度以及不同退火温度对材料变形的影响,找出最优工艺曲线,讨论不同退火温度下可能影响变形的因素。研究发现不同熔融温度下零件回弹角在0.325 7~0.473 7之间,退火温度在250 ℃下时零件的变形最小。此研究旨在利用更高效的制造方法,提升复合材料固化后成型件的质量,助力其在航空航天领域中得到更好的应用。

CFRP套料钻制孔工艺及轴向力预测研究

张克群, 孙会来, 李航, 邢文涛, 赵方方

2023, 0(9): 85-91. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.013

摘要 ( 34 )

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在钻削碳纤维复合材料(CFRP)时,由钻头轴向力引起的分层损伤是影响零件装配质量与使用寿命的最重要因素之一。为了提高CFRP制孔质量,本文通过正交实验分析了主轴转速、进给量与刃径对套料钻轴向力的影响,并基于响应面法(RSM)建立了轴向力回归预测模型。针对模型精度问题,提出了一种粒子群(PSO)算法优化的径向基神经网络(RBF)预测模型,并进行了实验验证。结果表明:各主因素对轴向力的影响顺序为进给量>主轴转速>刃径,套料钻高转速、低进给、大刃径的搭配能获得更小的轴向力;PSO-RBF神经网络预测模型的平均绝对百分误差为3.27%,相对标准RBF神经网络预测模型与RSM回归预测模型误差分别降低了32.85%与44.67%,因此PSO-RBF神经网络模型能更有效地预测套料钻钻削过程中的轴向力。

基于嵌入式约束的机织复合材料细观建模与分析

王平安

2023, 0(9): 92-97. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.014

摘要 ( 42 )

PDF (12505KB) ( 36 )

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为了在保证计算精度的前提下提高机织复合材料的建模效率,本文同时建立了嵌入式约束和绑定约束的平面机织复合材料有限元模型。采用渐进损伤分析的有限元方法研究了两种模型的应变-应力曲线、应力分布、失效扩展规律。对比分析的结果表明:嵌入式约束模型可以得到与绑定约束模型接近的仿真效果;嵌入式约束模型通过不同的预处理方式,可以得到不同的模拟精度。将与纤维束有空间交叉的基体单元性能进行合适的折减能有效提高强度模拟精度。除此之外,本文给出了平面机织复合材料纱线轨迹自动确定方法,通过编程处理可以进一步提高建模效率。

Z-pin增强复合材料加筋构件连接性能研究

刘维伟, 尹明鑫, 滕薛蓓, 靳可心, 严斌

2023, 0(9): 98-105. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.015

摘要 ( 57 )

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通过横向三点弯曲试验研究Z-pin直径和体积分数对复合材料加筋类简化构件连接性能的影响。随着Z-pin体积分数的增加,Z-pin增强试件相比于空白对照试件,有效载荷提升48.41%~96.97%,总能量耗散提升661.88%~748.72%,本试验组研究结果表明高Z-pin体积分数可以有效提高加筋试件的承载能力。在Z-pin体积分数同为0.4%的情况下,Z-pin直径为0.5 mm的试验组的承载能力略高于Z-pin直径为0.3 mm的试验组的承载能力,但Z-pin直径为0.3 mm的试验组具有更好的稳定性。试验结果表明Z-pin的植入能够提高复合材料加筋类简化构件的有效载荷及能量耗散,很大程度上提高了加筋试件的连接性能。

新型BFRP布加固混凝土方柱轴压性能试验研究

沈惠军, 郑和晖, 张峰, 李自强

2023, 0(9): 106-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.016

摘要 ( 48 )

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针对提出的以环氧硅酸脂树脂为基体的新型BFRP,通过模型试验及理论分析,研究了新型BFRP对混凝土结构的加固效果,分析了包裹形式及层数对混凝土方形柱力学性能的影响。结果表明,新型BFRP布与CFRP布加固试件的加载曲线发展趋势基本一致,但BFRP加固效果相对较弱,全覆盖包裹2层时,两者轴压承载力提升幅值分别为28.45%和64.73%。现有规范对CFRP加固试件适用性良好,而对BFRP适用性很差,本文提出的计算模型可精确预测新型BFRP布加固柱轴压承载力。

连续碳纤维3D打印的路径规划研究进展

张荣耀, 钱波, 刘钢

2023, 0(9): 112-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.017

摘要 ( 58 )

PDF (2887KB) ( 135 )

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近年来,随着3D打印技术的发展,一些复杂几何形状复合材料结构能够有效制造出来,从而拓展了复合材料的应用范围。路径规划是3D打印制造过程中的关键技术之一,由于连续碳纤维各向异性的特点,不同的打印路径对成型件力学性能和成型效率有很大的影响。本文主要讲述了适用于连续碳纤维3D打印中面内非交错打印和基于载荷的路径规划。最后指出了3D打印路径规划的研究重点和发展方向。

中低温固化苯并噁嗪树脂的研究进展

康龙昭, 范春燕, 俞海文, 姚亚琳

2023, 0(9): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.018

摘要 ( 49 )

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在实际生产中,苯并噁嗪树脂200 ℃以上的固化温度限制了其在先进复合材料领域的大规模应用,研究苯并噁嗪树脂开环聚合机理,优化苯并噁嗪树脂固化特性,从而获取降低苯并噁嗪树脂固化温度的方法具有重要意义。因此,对国内外近些年关于降低苯并噁嗪树脂固化温度的研究进展进行了综述,并对通过向苯并噁嗪单体中引入活性官能团以及添加固化催化剂来实现苯并噁嗪树脂中低温固化的方法进行了详细介绍,分析了其反应机理,明确了其固化反应影响因素,并对比分析了这两类方法的特点。从分子角度出发,向单体中引入活性基团具有更高的灵活性,但改性工艺相对复杂,大批量工程化生产存在难度;相比较而言,添加合适的催化剂可显著降低苯并噁嗪树脂的固化温度,操作工艺较易实现,是目前最简单有效的方法之一。综述涵盖了多种催化剂的研究,对于优化苯并噁嗪树脂的固化条件,制备高性能苯并噁嗪树脂具有借鉴意义。

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