复合材料科学与工程

李飞, 高训鹏, 赵启林, 王正兴, 施霖

2023, 0(8): 5-13. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.001

摘要 ( 38 )

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研究表明预紧力齿连接接头在结构中不仅会受到轴力的作用,还会同时受到弯矩的作用,但现阶段尚未对复合材料预紧力齿连接在弯矩和轴力耦合作用下的力学性能展开研究。本文首先对复合材料预紧力齿连接在弯压耦合作用下的试验方法进行了研究,通过液压千斤顶和万能试验机实现了接头在弯压荷载作用下的加载;其次分别对接头进行了轴压、纯弯以及弯压耦合试验,得到了接头在不同荷载下的传力机理。研究表明:在弯压耦合作用下,接头的作用效果可以近似地看作是相应荷载下纯弯与轴压线性叠加的结果;弯矩的存在会在很大程度上影响接头的力学性能,因此在对接头进行设计时要充分考虑弯矩对接头承载力的影响。

碳纤维/环氧树脂界面的强韧化设计方法研究

王沁宇, 卓家桂, 李新顶, 杜鹏程, 王文, 朱大雷, 谈建平

2023, 0(8): 14-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.002

摘要 ( 37 )

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为了同时提升碳纤维/环氧树脂复合后的界面强度和韧性,设计了新型“刚-柔”界面层。该方法采用超声分散将刚性的多壁碳纳米管(MWCNT)与柔性的热塑性聚氨酯(TPU)在N,N-二甲基甲酰胺溶液中均匀分散,随后采用浸涂法将MWCNT与TPU同时沉积在碳纤维表面对其进行改性。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、红外光谱和拉曼光谱对改性后碳纤维表面进行表征,并采用纤维束拔出实验测试了碳纤维/环氧树脂的界面剪切强度和拔出位移。结果表明:利用上述碳纤维/环氧树脂界面的强韧化设计方法可将MWCNT和TPU均匀沉积在碳纤维表面;与对照组相比,由于该方法实现了化学的氢键作用和物理的机械连锁作用的协同,改性后的碳纤维/环氧树脂界面剪切强度提升了163.3%,拔出位移提升了52.8%,表明本文所设计的“刚-柔”界面层对提升碳纤维/环氧树脂界面的强度和韧性有积极作用。

基于内聚力模型的复合材料疲劳分层数值模拟

项跟洋, 冯电视

2023, 0(8): 19-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.003

摘要 ( 47 )

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为了研究复合材料层合板在疲劳载荷下的分层扩展行为,本文基于内聚力本构模型提出一种改进的疲劳分层损伤速率计算模型;该模型只需要疲劳裂纹扩展速率Paris准则作为参数输入,无需进行裂纹尖端追踪或额外的参数拟合。基于所提出疲劳分层损伤算法,开发了复合材料疲劳分层VUMAT用户子程序植入ABAQUS/Explicit软件,并分别对复合材料单向层合板的Ⅰ型、Ⅱ型以及Ⅰ/Ⅱ混合型疲劳分层开裂过程开展了有限元数值模拟,结果表明该模型可以有效模拟疲劳载荷下复合材料层合板层间分层开裂。最后,对该模型进行了误差分析和网格敏感性分析,分析结果表明较长的疲劳内聚区长度可以明显提高该模型的计算精度。

端氨基聚醚增韧改性双酚A型环氧树脂研究

张为军, 王丹, 杨凯凯, 陈锋

2023, 0(8): 26-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.004

摘要 ( 35 )

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针对双酚A型环氧树脂交联固化后韧性差易开裂的工艺难题,采用端氨基聚醚对环氧树脂进行增韧改性;采用黏度计和差示扫描量热仪研究了增韧前后树脂胶液固化过程并确定固化制度;采用固化动力学分析法推导了增韧后环氧树脂的固化动力学方程式;采用DSC法、DMA法和TG法研究了增韧剂对树脂浇注体T_g值和热分解性能的影响;测试了增韧前后树脂浇注体和复合材料的力学性能;采用SEM分析了浇注体和复合材料横截面形貌并推测了增韧机理。结果表明:当添加15份增韧剂时,浇注体的拉伸强度达到了最大值69.8 MPa,相比与未增韧前提升了54.1%;冲击韧性较未增韧前提升了42.4%。此时复合材料的力学性能较未增韧前均有大幅度增加,达到了增韧增强的目的。

多官能苯酚型环氧树脂对自黏性环氧树脂复合材料热性能及粘接性能的影响

闫鸿琛, 石峰晖, 张宝艳, 马兆丹, 王婷婷

2023, 0(8): 34-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.005

摘要 ( 65 )

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以自研环氧树脂体系为基体,一种多官能苯酚型环氧树脂为体系改性剂,采用熔融共混法制备了新型自黏性环氧树脂体系,并采用该树脂制备了玻璃纤维织物增强环氧树脂复合材料,重点研究了不同改性剂含量对复合材料热性能及粘接性能的影响。结果表明,相比原有树脂体系,多官能苯酚型环氧树脂的引入能够提高复合材料的玻璃化转变温度,也会导致滚筒剥离强度下降。当多官能苯酚型环氧树脂的含量为20%时,复合材料的玻璃化转变温度由151.9 ℃提高到172.6 ℃,滚筒剥离强度由56.88 (N·mm)/mm下降到39.5 (N·mm)/mm,能够满足蜂窝夹层结构设计指标要求,具有良好的工程应用前景。

Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料的准静态压缩力学行为

吴光辉, 罗正斌

2023, 0(8): 39-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.006

摘要 ( 54 )

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通过对Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料进行准静态压缩试验,对其变形及断裂机理等展开研究,为该类材料的成分设计和工程应用提供基础。试件是由Ti基非晶合金与不同孔隙率的SiC陶瓷骨架复合所得,在不同应变速率下,对试样进行室温轴向准静态压缩性能测试,并观察试件的微观组织和断面特征。结果表明:SiC体积分数为85%的复合材料的准静态抗压强度达到2 343 MPa,抗压强度随SiC含量增加而增加,在准静态加载的应变率范围内,复合材料及各相的强度对应变率不敏感,断裂特征为典型的脆性断裂;裂纹主要在SiC相和两相界面处扩展,Ti基非晶相对裂纹的扩展起到阻碍作用;SiC相对Ti基非晶相的约束诱发了Ti基非晶相中多重剪切带的形成,提高了材料复合的变形能力,而Ti基非晶相对SiC相的约束导致SiC相碎化严重,增强了复合材料的承载能力。

缝合复合材料层板Ⅰ型层间开裂性能研究

张东哲, 李祚军

2023, 0(8): 44-50. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.007

摘要 ( 28 )

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由于传统复合材料层板层间强度低,缝合技术被广泛应用以改善其层间性能。为了研究缝合复合材料层板Ⅰ型层间开裂性能,采用双悬臂梁(Double Cantilever Beam, DCB)模型计算了缝合复合材料Ⅰ型层间失效载荷,并讨论了不同缝线密度及缝线直径的影响。结果表明:缝线对分层扩展具有阻碍作用,缝合模型的分层前缘为波浪线,而未缝合模型的分层前缘为直线;缝线密度的增加会提高模型层间失效载荷,相比于未缝合模型,缝合密度分别为10 mm×10 mm、7.5 mm×7.5 mm、5 mm×5 mm、2.5 mm×2.5 mm的模型的层间失效载荷依次大约提高了7倍、9倍、10倍、15倍;缝线直径的增大同样会提高模型层间失效载荷,缝线直径为1 000 D、2 000 D的模型的最大层间失效载荷分别约是缝线直径为500 D的模型的1.5倍、2倍。

各向异性含氟聚酰亚胺/碳纳米管复合薄膜的制备及性能研究

李春漫, 李双雯

2023, 0(8): 51-56. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.008

摘要 ( 33 )

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未来,轻质、柔韧,具有定向传导能力的复合材料在微电子器件、航空航天等领域会有非常重要的研究和应用价值。通过对复合材料进行微观结构设计及界面相容性调控,可以制备具有高度各向异性的复合材料。本文将表面改性的取向碳纳米管阵列与含氟聚酰亚胺进行复合,制备含氟聚酰亚胺/碳纳米管复合薄膜。由于改性碳纳米管阵列与聚合物之间的相容性提高,含氟聚酰亚胺/碳纳米管复合薄膜表现出优异的热稳定性、力学性能、透光性。在碳纳米管阵列添加量极低的情况下,复合薄膜表现出明显的各向异性,沿碳管阵列方向的拉伸强度比垂直于碳管阵列方向的拉伸强度高33.1%。

碳纤维缠绕增强复合材料气瓶及自紧工艺优化

赵冠熹, 李明, 郭永智, 何太碧, 韩锐

2023, 0(8): 57-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.009

摘要 ( 41 )

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为提高碳纤维复合材料气瓶的承载能力和使用安全性,本文对其碳纤维/环氧树脂缠绕层材料进行力学性能研究。首先提出了两种不同树脂配方体系,并制备树脂浇注体。分析可知CYD-128树脂体系的断裂伸长率较高,但其模量比O-lin树脂低,强度相对较差。制备并对比不同树脂配方下碳纤维复合材料NOL环拉伸强度,选择O-lin树脂作为碳纤维复合材料基体。对国内三种不同厂商的T700-12K碳纤维进行复丝拉伸试验,对断裂面进行SEM测试,根据试验结果选择恒神碳纤维作为复合材料增强体。进一步通过有限元数值模拟分析自紧工艺对碳纤维缠绕气瓶应力水平和疲劳寿命的影响,根据DOT－CFFC标准优化自紧工艺,在最佳自紧压力下,复合材料气瓶内衬的应力强度均有不同程度的降低。根据上述复合材料及自紧工艺制备碳纤维缠绕气瓶并进行水压爆破试验和常温压力循环试验,结果表明其爆破压力和疲劳寿命较相关标准均有提升,为优化压缩天然气和氢气储运装备的工业生产和安全使用提供参考。

WTB-Net:基于ShuffleNet V2的轻量级风机叶片表面缺陷识别算法

张睿, 文传博

2023, 0(8): 66-71. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.010

摘要 ( 46 )

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由于现有风机叶片(WTB)的缺陷检测技术尚未得到广泛应用,且传统检测方法的鲁棒性较差,本文提出了一种轻量级风机叶片表面缺陷识别算法WTB-Net。通过无人机拍摄华东某沿海风电场的2 569张风机叶片图像,通过筛选分类和数据扩充建立WTB表面缺陷数据集。以ShuffleNet V2核心骨干特征提取网络为基础,引入选择性卷积核注意力机制SKNet,自适应地调整感受野大小,增强有用特征,抑制无用特征。最后采用激活函数Leaky-ReLU,减少沉默神经元的出现,避免了在输入为负值时使用ReLU导致的神经元失活。实验结果表明,算法在WTB数据集上的准确度达到了98.12%,比ShuffleNet V2提高了6.53%,且模型参数量仅为1.4 M。

循环载荷作用下高强固体浮力材料力学性能试验研究

张海龙, 张少伟

2023, 0(8): 72-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.011

摘要 ( 35 )

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针对全海深载人潜水器“奋斗者”号所用国产空心玻璃微珠固体浮力材料,采用可控温等静压试验装置,进行了110 MPa静水压力1 018次循环载荷试验。针对静水压力循环载荷试验前后的材料,分别进行了准静态拉伸、压缩、冲击、应力松弛、动态力学热分析试验,对比分析了循环载荷前后材料的力学性能变化特性。最后,应用X射线显微CT,对材料微观形貌进行了分析。结果表明:在1 018次110 MPa静水压力循环载荷加载后,材料拉伸强度、断裂伸长率、抗压强度、拉伸弹性模量、压缩弹性模量均有较大程度降低,材料宏观力学性能下降。X射线显微CT显示,循环载荷加载后,固体浮力材料内部空心玻璃微球形态较好,破碎率较低,可知其抗压性能较好。固体浮力材料性能的变化主要是由于树脂基材性能变化导致的材料老化及性能衰减。

玄武岩-聚丙烯纤维混凝土孔隙结构分形维数及力学性能研究

赵静, 李晓峰, 郭力

2023, 0(8): 78-84. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.012

摘要 ( 44 )

PDF (5335KB) ( 16 )

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本文基于试验探讨了玄武岩-聚丙烯纤维对混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的影响,并利用光学方法的分形模型计算混凝土孔隙结构的分形维数。试验结果表明:混杂纤维能够提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度,当玄武岩纤维(BF)和聚丙烯纤维(PF)含量各为0.05%时,混杂纤维的协同效应最强,抗压强度和劈裂抗拉强度的最大增量分别为5.97%和8.46%,然而当纤维含量过高时,混杂纤维会对试件力学性能产生不利影响。玄武岩-聚丙烯纤维增强混凝土(BPFRC)的孔隙结构表现出明显的分形特征,其分形维数在2.297~2.482范围之间。分形维数与孔隙率和间距系数具有很强的相关性,随着孔隙率的增加而显著降低,随着间距系数的增加而增加。分形维数还与抗压强度和劈裂抗拉强度具有正相关关系。因此,孔隙结构的分形维数可用于评价混凝土的微观孔隙结构,也可以反映孔隙结构的复杂性对混凝土宏观力学性能的影响。

自动铺丝路径对复合材料机身“L”形角片的质量影响分析

王霖, 田茶, 苏佳智, 于晶晶, 常亮

2023, 0(8): 85-91. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.013

摘要 ( 37 )

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自动铺丝是实现复合材料机身角片自动化制造的一种重要工艺方法。路径规划是自动铺丝过程中的关键因素,铺丝路径会影响该类零件在自动铺丝过程中的纤维角度偏差、覆盖性及铺放效率等。本文对树脂基复合材料机身角片的铺丝路径作两种设计及分析,对固化后零件质量进行分析,探索铺丝路径对零件质量的影响。结果表明:对于该零件的自动铺丝,搭接-间隙铺丝路径的纤维角度偏差优于完全间隙铺丝路径的纤维角度偏差,但其覆盖性和铺放效率比完全间隙铺丝路径的差。当使用自动铺丝铺放、单侧模具固化时,这两种铺丝路径会对零件的外观及厚度产生不同程度的影响。

表面功能化多壁碳纳米管改性玻纤增强树脂基复合材料的拉-拉疲劳性能研究

刘帅文, 沈金荣, 吉新柱, 张强先, 方园

2023, 0(8): 92-100. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.014

摘要 ( 35 )

PDF (7112KB) ( 33 )

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通过拉-拉疲劳试验,研究了表面功能化多壁碳纳米管(MWCNTs)对玻璃纤维增强树脂基复合材料疲劳性能的影响,基于试验数据选择了可线性化的指数函数和幂函数的S-N曲线模型分别对复合材料的疲劳寿命进行量化分析。研究结果表明:氨基化MWCNTs(MWCNTs-NH₂)改性环氧树脂试件的疲劳性能优于羧基化MWCNTs(MWCNTs-COOH)改性环氧树脂试件的疲劳性能;而MWCNTs-COOH改性不饱和聚酯树脂试件的疲劳性能优于MWCNTs-NH₂改性不饱和聚酯树脂试件的疲劳性能。当MWCNTs-NH₂和MWCNTs-COOH的含量均为0.2wt%时,改性后复合材料的疲劳性能达到最佳。幂函数线性拟合结果比指数函数线性拟合结果的相关系数高,拟合精度更准确,且该模型的复合材料疲劳寿命预测结果与试验结果也较为吻合。

硬质夹层三明治结构预制体缝合装置换针机构分析

随康, 董九志, 陈云军, 蒋秀明

2023, 0(8): 101-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.015

摘要 ( 27 )

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带预刺功能硬质夹层三明治结构预制体缝合装置以碳纤维为缝合线,选用优化Tufting缝合工艺进行缝合。在缝合过程中,换针机构以气缸为动力源进行摆动,实现缝合针与预刺针的切换。为使换针摆动过程稳定,将换针机构简化为摆动导杆机构,选用拉格朗日法对其进行动力学建模。通过MATLAB对动力学方程进行求解,得到换针机构各构件随时间变化的运动曲线。运用机械系统动力学仿真分析软件(ADAMS)建立缝合装置虚拟样机模型进行仿真,将仿真分析结果与理论分析结果进行比较,证明了换针机构动力学分析的准确性。实体样机实验验证了优化Tufting缝合工艺的有效性,换针机构满足工作要求,为后续硬质夹层三明治结构预制体缝合装置机构完善以及控制系统设计奠定基础。

直升机尾梁内蒙皮裂纹修理方案研究

门坤发, 韩刘, 王乃文

2023, 0(8): 108-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.016

摘要 ( 30 )

PDF (5084KB) ( 21 )

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尾梁是直升机的主要结构件。建立直升机尾段结构总体/局部有限元模型,根据有限元分析结果确认其内蒙皮天线开孔位置有较高的应力水平,且裂纹是在疲劳载荷作用下产生并扩展的。对分别采用薄铝板和玻璃布对尾梁内蒙皮天线开孔位置裂纹进行修理的两种修理方案进行评估,发现修理后应力水平相对原结构分别降低了72%和81%。结合修理工艺参数,最终选择采用玻璃布对多架次某型直升机尾梁内蒙皮裂纹进行修理,然后进行了超过半年和五百飞行小时的检验,结果内蒙皮裂纹修理位置未出现故障,验证了利用玻璃布修理尾梁夹层结构内蒙皮裂纹的可靠性。

针辊轧孔方式对硬质聚氨酯泡沫夹芯结构剥离性能的研究及应用

姚中强, 唐鹏飞, 顾育慧, 李军向

2023, 0(8): 112-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.017

摘要 ( 37 )

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以不同表面加工方式的硬质聚氨酯(PU)泡沫为研究对象,以滚筒剥离强度表征泡沫与面板的结合性能,以加工便利性评估其在大尺寸、异形面泡沫表面批量实施的可能性,以加工方式对树脂耗量的增加量评估其综合成本优劣性。测试表明多轴机床加工浅槽、刀片切深缝、针辊轧孔等方式均能改善聚氨酯(PU)泡沫夹芯复合材料的滚筒剥离强度,使用针辊轧孔的方式在剥离性能提升、加工便利性及树脂耗量方面较其他加工方式具有明显优势。此研究内容对较大尺寸且加工面为异形面的聚氨酯(PU)泡沫剥离强度的提升有很好的加工指导意义。

大曲率蜂窝夹层结构制造过程蜂窝芯变形控制技术

刘琦, 成艳娜, 徐小伟, 王小凯, 韩强儒, 赵志勇

2023, 0(8): 115-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.032

摘要 ( 39 )

PDF (8705KB) ( 40 )

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为防止大曲率蜂窝夹层结构制造过程芯格之间由于弯曲产生严重的拉伸、挤压变形,保证蜂窝夹层结构优良的力学特性,采用开槽方法对芯格变形进行调控。在不同弯曲半径下,设计不同厚度、宽度的蜂窝芯弯曲试验,通过提取弯曲后蜂窝芯上表面芯格轮廓,提出一种蜂窝芯变形评估方法,研究弯曲半径、蜂窝芯厚度对蜂窝芯变形影响;进而建立蜂窝芯弯曲过程开槽判据准则,确定开槽参数(开槽间距、开槽角度)与弯曲半径、蜂窝芯厚度几何关系;基于提出的蜂窝芯开槽变形调控方法,以蜂窝夹层整流罩零件为例,设计零件开槽参数并对其进行实例验证。结果表明:蜂窝芯变形量随弯曲半径的增加而增加,随厚度的增加而减小;开槽间距与弯曲半径、蜂窝芯厚度可用线性拟合;对开槽后蜂窝夹层整流罩零件进行弯曲,弯曲后槽口最大间距小于1 mm,满足零件制造精度要求。

环氧树脂增韧改性技术及其在航空先进复合材料中的应用

鹿海军, 李亚锋, 张杜鹃, 黄浩

2023, 0(8): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.019

摘要 ( 50 )

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环氧树脂因其良好的粘接能力、介电性能和优异的工艺性能,在航空领域被广泛地用作纤维增强复合材料的基体材料。然而环氧树脂固化产物交联密度高导致的断裂韧性差的问题,限制了其在航空先进复合材料方面的应用。文章综述了超支化聚合物、热致液晶聚合物、互穿聚合物网络和纳米粒子等方法增韧环氧树脂近年来的发展,介绍了韧性环氧树脂在航空先进树脂基复合材料的应用情况,并对其发展前景进行展望。

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