复合材料科学与工程

田程, 梁森, 吴召琦, 王风全

2023, 0(12): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.001

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为探索80 ℃低温环境下橡胶和树脂基体复合材料共固化的条件,模拟计算353.15 K(80 ℃)下的丁腈橡胶(NBR)和E51环氧树脂发生化学反应的自由能,并结合试验实现了NBR N41和NBR N220S阻尼复合材料的共固化。通过正交试验确定一种性能优良且能够与碳纤维/环氧树脂基体预浸料在80 ℃下进行共固化的黏弹性阻尼材料组分,利用四氢呋喃溶剂将黏弹性阻尼材料组分溶解,经刷涂、共固化工艺制备出N41、N220S阻尼复合材料试件。通过扫描电子显微镜对复合材料微观破坏形貌进行分析,通过测试阻尼DMA及层间剪切获得了不同胶种阻尼材料的阻尼性能及剪切性能随阻尼层厚度不同的变化规律曲线。数据表明:选用高丙烯腈含量的丁腈橡胶制作的复合材料阻尼及层间性能更好,NBR N220S更适合作为黏弹性阻尼材料。

两次冲击距离对CFRP层合板冲击损伤和剩余压缩强度的影响

许良, 胡鸿铭, 周松, 宋万万

2023, 0(12): 12-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.002

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为了研究预损伤冲击对复合材料二次冲击及冲击后压缩行为的影响,对复合材料层合板进行预损伤冲击试验、二次冲击试验及冲击后压缩试验,探究预损伤冲击和二次冲击之间的距离与冲击损伤和剩余压缩强度之间的关系。基于三维Hashin准则和渐进损伤刚度退化方案,在ABAQUS/Explicit中建立预损伤冲击-二次冲击-压缩仿真模型,采用预制分层损伤的方法,将第一次冲击损伤预制进第二次冲击模型中。研究表明:所建立模型的仿真结果与试验结果吻合良好。当两次冲击距离小于两次冲击损伤面积纵向半径和的125%时,二次冲击损伤沿纤维方向向预损伤冲击位置延伸。当第二次冲击与预损伤冲击的距离为两次冲击损伤面积纵向半径和的150%时,剩余压缩强度最小,对层合板造成破坏最大。

BFRP筋和钢筋组合配筋混凝土梁受剪性能

薛昕, 陈建, 彭峻帧

2023, 0(12): 19-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.003

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由于纤维增强复合材料(FRP)筋优异的耐腐蚀性,使用其代替钢筋对混凝土进行补强可以从根本上解决由于钢筋锈蚀引起的耐久性问题,但目前在FRP筋混凝土构件或结构的力学性能评价上尚存在诸多亟待解决的课题。本文通过采用玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋和钢筋组合配筋的形式对补强筋的弹性模量和配筋率对混凝土梁受剪性能的影响开展试验研究,并基于试验结果对FRP筋混凝土梁受剪承载力的各国规范评价公式的评价精度进行验证分析,为合理评价FRP筋混凝土结构力学性能积累基础研究数据,提供理论支撑。

基于内聚力模型的材料类型对胶接接头力学性能的影响

肖潇, 岳涛, 张铁山

2023, 0(12): 28-37. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.004

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为了探究不同搭接材料对胶接接头力学性能和失效机理的影响,本文分别利用内聚力模型(CZM)和Hashin失效准则对胶黏剂和碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料层合板进行建模。通过对文献中提取的CFRP层合板胶接接头试验进行模拟,验证了模型准确性。此外,在已验证模型的基础上建立同种材料(CFRP、钢板、铝板)和不同种材料(CFRP/钢板、CFRP/铝板)单搭接胶接接头拉伸数值模型,分析了拉伸损伤和胶接接头不同部位刚度退化特点。结果表明,随着胶接长度的增加,所有搭接接头极限荷载均呈增加趋势;钢板和铝板与CFRP混合搭接时,由于钢板强度比铝板强度高,使得铝板混合搭接有更大的拉伸应变和剥离应变,故而相比于铝板混合搭接,钢板混合搭接的极限荷载更高;胶接接头在加载过程中不同搭接材料会影响胶层和CFRP层合板起始损伤。本文通过对不同搭接材料胶接接头的研究,为胶接接头设计提供了依据。

超声振动对手糊成型碳纤维复合材料力学性能的影响

张金童, 杨涛, 杜宇, 张林涛

2023, 0(12): 38-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.005

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为了提高手糊成型工艺制备碳纤维复合材料的力学性能,固化前对纤维布进行不同参数的超声预处理,固化成型后对试件进行弯曲和拉伸试验。利用数字图像技术(Digital Image Correlation,DIC)和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对其进行表征分析,研究不同超声时间和功率对手糊成型碳纤维复合材料力学性能的影响。结果表明:当超声时间为15 min且超声功率达到300 W时,试件的弯曲和拉伸载荷分别为854.02 N和31 351.10 N,比未超声试件的弯曲和拉伸强度分别增加了32.05%和25.39%;且在此超声参数下试件的应变值变化范围和空洞数量与未超声处理时相比明显减小。由此可知,超声振动辅助手糊成型能够有效减少应力集中现象和空洞的产生,从而提高制备材料的力学性能。

二氧化硅气凝胶/硅酸铝复合纤维纸的制备及其耐热与力学性能研究

侯雨, 宋子轩, 薛俊东, 张国涛, 吴建锋, 唐秀平

2023, 0(12): 44-49. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.006

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硅酸铝纤维作为一种传统的隔热材料,高温后结构易坍塌,力学性能下降明显。本文以硅酸铝纤维纸作为结构框架,在其纤维表面利用溶胶凝胶法构建二氧化硅(SiO₂)气凝胶,得到SiO₂气凝胶/硅酸铝复合纤维纸,复合后纤维纸耐热温度从800 ℃提高到1 100 ℃,直到1 100 ℃煅烧后,拉伸强度由9.01 MPa提升至20.41 MPa,断裂伸长率由2.36%提升到3.52%。并且对比了不同碱性pH(8,9,10)环境下制备出的复合纤维纸的微观形貌,发现pH为8时,SiO₂气凝胶颗粒与硅酸铝纤维纸之间的复合效果最好。

加捻对高模量碳纤维浸胶复丝拉伸性能的影响

黄伟, 周栋, 黄文煜, 史文锋, 孙子琦, 陈钰彬

2023, 0(12): 50-54. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.007

摘要 ( 11 )

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为提高国产高模量碳纤维的拉伸性能,研究国产CCM40J,CCM55J碳纤维在浸胶前后加捻两种方式下的拉伸强度与断裂伸长率。结果显示:加捻可以有效改善CCM40J与CCM55J碳纤维的拉伸性能;与CCM55J碳纤维相比,当捻度为10 n/m时,浸胶后加捻的CCM40J碳纤维拉伸强度与断裂伸长率均提高17%;为改善两种高模量碳纤维的拉伸性能,确定了最佳捻度与浸胶方式。

基于加权随机森林算法的复合材料冲击后压缩剩余强度预测研究

黄宇冰, 李晨, 李硕

2023, 0(12): 55-62. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.008

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飞机复合材料结构在服役中难免会因外物冲击而造成损伤,从而在一定程度上降低结构的承载能力,更会对飞机的飞行安全造成影响。相对于拉伸性能,复合材料对压缩性能更为敏感,因此对复合材料冲击后压缩性能进行研究意义重大。本文对复合材料冲击后压缩剩余强度试验数据进行工程方法分析,与随机森林预测结果进行了对比研究,结果表明,与现有工程方法相比,本文建立的基于加权随机森林算法对复合材料冲击后压缩剩余强度的预测精度有显著提升。

PVC-CFRP管混凝土柱-RC环梁十字形节点滞回特性数值模拟研究

于峰, 麦麦提·努尔麦麦提, 方圆, 张楠楠

2023, 0(12): 63-71. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.009

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在试验研究基础上,选择合适的材料本构关系,采用纤维模型法,对低周反复荷载作用下PVC-CFRP管混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点的荷载-位移及弯矩-曲率骨架曲线进行全过程分析。在验证模型准确性的基础上,研究核心区混凝土强度、环梁高度、柱直径和梁纵筋配筋率对试件骨架曲线的影响规律。结果表明,随着环梁高度、柱直径和梁纵筋配筋率的增加,试件的承载力和延性增大。随着核心区混凝土强度的增加,节点的承载力提高而延性有所降低。基于试验与数值模拟的分析结果,考虑环梁节点经济性与合理性,建议节点区混凝土强度不宜超过C60,环梁高度宜取340~440 mm,环梁宽度与柱直径的比值宜控制在0.33~0.50之间。

阻尼复合多层软体防弹靶板抗冲击性能及优化

郭健, 梁森, 黄浩杰

2023, 0(12): 72-79. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.010

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随着枪械武器的更新换代,弹体的侵彻能力逐渐增强,软体防弹装甲成为现代战场上不可或缺的装备之一。通过ANSYS/LS-DYNA建立了软体防弹靶板的冲击有限元模型,搭建了普通弹侵彻UHMWPE纤维层合板的冲击试验平台,验证了模拟方法的有效性,确定了多层软体靶板抗冲击性能较佳的铺层方式,采用遗传算法优化了软体防弹靶板结构。结果表明:纤维层合板采用[0°/30°/60°/90°/120°]_n铺层方式,碳纤维层合板置于迎弹面,UHMWPE纤维层合板置于背弹面,且UHMWPE纤维层合板占比较高时,靶板的防弹性能更好;优化后的0.6 mm面层阻尼/5.1 mm CF层合板/9.4 mm UHMWPE纤维层合板结构靶板可有效抵抗7.62 mm普通弹的侵彻,在相同防弹性能条件下,与装甲钢结构靶板相比,该靶板面密度降低超过53.4%。

基于参数化曲线模型的树脂流动前锋流速监测技术研究

姚文胜, 王锋淮, 谢浩平, 禹岳

2023, 0(12): 80-87. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.011

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真空辅助树脂传递成型工艺(VARTM)常用于制造大型复杂复合材料构件。在制造成型过程中实时监测纤维预制体中的树脂流动情况并进行人为干预可以有效避免复合材料成品内部缺陷的形成。其中,实时监测树脂流动前锋的流速可为精确控制成型过程负压水平及干预树脂浸润过程提供关键的技术基础。本文对VARTM工艺中树脂流动前锋的流速参数开展研究,通过超声波传播理论建立基于圆形压电晶片主动传感器的超声波监测特征模型,以监测模具-树脂界面超声脉冲回波的变化来识别树脂流动前锋到达位置,引入高斯、椭圆曲线参数化模型对流动前锋的流速进行计算。最后选用不同频率的压电晶片在多种厚度的有机玻璃板上进行试验,结合数据对流速计算模型的准确性和有效性进行评估,最终发现通过参数化曲线模型计算流速的结果与实际符合较好,准确性符合预期,且高斯曲线模型综合性能更优,但椭圆曲线模型在小厚度模具中表现更好。

热-机载荷作用下玻/碳纤维混杂复合材料层合板的屈曲分析

王修刚, 孙双双, 张胜旗, 马佳宾

2023, 0(12): 88-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.012

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本文以玻/碳纤维混杂复合材料(G/CFHC)层合板为研究对象,在考虑温度引起复合材料性能退化及热应力双重影响的基础上,借助有限元软件ABAQUS对G/CFHC层合板的屈曲载荷进行计算,讨论了环境温度、铺层顺序、铺层厚度、纤维混杂比对G/CFHC层合板屈曲特性的影响。结果表明:在20~120 ℃环境条件下,温度对G/CFHC层合板影响较大,随着温度的升高,层合板的屈曲载荷不断下降,在达到一定温度后,屈曲载荷的下降趋势趋于平缓;在铺层角度相同的前提下,屈曲载荷会随着碳纤维单层板位置的变化而发生变化,碳纤维单层板从外层逐渐向中间层移动的过程中,屈曲载荷呈降低趋势;铺层厚度对层合板的屈曲载荷影响很大,随着层合板厚度的增加,屈曲载荷呈现出持续上升的趋势。此外,纤维混杂比对G/CFHC层合板屈曲载荷有显著影响。在层合板厚度和层数一定时,增加碳纤维单层板的数量可以有效提高G/CFHC层合板的抗屈曲能力,增加其稳定性。

碳/芳纶纤维混杂复合材料层合板弹道冲击特性研究

刘亚婷, 解江, 牟浩蕾, 冯振宇

2023, 0(12): 96-104. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.013

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为了探究碳纤维、芳纶纤维、碳/芳纶纤维混杂平板的抗冲击特性,分别对T700SC-12K-50C碳纤维层合板、1000D629T芳纶纤维层合板以及两种碳/芳纶纤维混杂平板进行弹道冲击试验,通过抗冲击性能评估参数对其弹道冲击特性进行评估;同时借助CT扫描结果分析了层合板的内部损伤情况,揭示了其破坏吸能机理,并进一步探究了纤维混杂对弹道冲击特性的影响。结果表明:随着弹体入射速度的增大,平板的能量吸收能力升高,直至饱和达到峰值。当弹体入射速度超过弹道极限时,随着入射速度的升高,平板的吸能量保持稳定或略有下降,而能量吸收率逐步下降。与纯碳纤维平板相比,纯芳纶纤维平板的抗冲击性能更优,将纯芳纶纤维平板两侧替换为碳纤维铺层,可有限提高整体的吸能效果,但替换的碳纤维占比较多时,反而使平板的抗冲击性能下降。在圆柱弹体冲击下,纯碳纤维平板为切孔型损伤,以剪切破坏为主,且损伤集中在弹体冲击部位附近。纯芳纶纤维平板、碳/芳纶纤维混杂平板为炸裂型损伤,弹孔形貌靠近迎弹面区域呈圆孔状,在背弹面损伤区域呈锥状隆起。损伤形成过程分为挤压变形、剪切侵彻和拉伸侵彻三个阶段。

疏散平台用酚醛树脂基复合材料增韧改性及机理研究

文景波, 王淑霞, 郑诗宏

2023, 0(12): 105-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.014

摘要 ( 12 )

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重点比较了正硅酸乙酯(TEOS)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和丁腈橡胶(NBR)三种增韧剂对酚醛树脂基复合材料拉伸性能、冲击韧性、弯曲性能等力学性能的影响,并基于疏散平台制品实际需求,考察了增韧剂对复合材料热值的影响,最后对各增韧剂的增韧机理进行分析。研究结果表明:三种增韧剂对酚醛树脂基复合材料均有显著的增韧效果,其增韧效果与添加量相关且增韧机理各不相同。

多次冲击荷载下玄武岩纤维高强混凝土孔隙结构及力学特性试验研究

谢亮

2023, 0(12): 112-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.015

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为探究玄武岩纤维高强混凝土在多次冲击荷载作用下的安全性,采用非金属超声波分析仪及核磁共振试验装置测量不同应变率及冲击次数下试件纵波波速及内部孔隙结构,利用直径为74 mm分离式霍普金森压杆装置对试件开展动态压缩试验,分析试件纵波波速、损伤因子、T₂图谱、孔隙结构及应力应变随冲击气压及冲击次数间的变化规律。试验结果表明:试件纵波波速随冲击次数增加而降低,损伤因子随冲击次数的增加而增大,两者间呈良好的二次线性正相关;试件T₂图谱主要呈三峰型,冲击次数的增大会使图谱向右偏移且峰值增加;冲击次数的增加使孔隙直径增大且孔隙数目增多,试件孔隙率增大,且后续冲击作用更有利于裂隙的扩展;试件内部微孔、中孔含量占试件总孔隙率的95%以上,冲击荷载作用使试件内部微孔、中孔占比减小,大孔、裂隙占比增加;多次冲击荷载作用会使试件峰值应力降低,应变量增大,冲击次数与峰值应力间呈良好的二次函数负相关。

FRP筋混凝土梁抗剪性能研究综述

蒋济同, 高瑜

2023, 0(12): 119-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.016

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作为一种新兴的高性能材料,纤维增强复合材料(FRP)筋由于高强、耐腐蚀等优点,已经成为传统建筑材料的重要补充,正逐步应用于土木工程领域。因此,FRP筋与混凝土相结合将是未来土木工程领域的热点问题,但是目前对FRP筋混凝土梁的抗剪机理并没有统一的理论,这大大限制了FRP筋在实际工程领域的应用和推广。本文通过对国内外相关研究成果及规范的追溯,从试验研究、数值模拟和理论分析三方面梳理了FRP筋混凝土梁抗剪性能的研究成果,总结了不同研究对象、研究方法下得到的抗剪承载力计算公式,以期为今后FRP筋混凝土梁抗剪的研究与设计提供参考和建议。

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