复合材料科学与工程

张燚聪, 陈建稳

2024, 0(4): 5-13. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.001

摘要 ( 84 )

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为了明确织物膜材从拉伸到破坏整个过程的双轴拉伸性能,以典型PVDF涂层聚酯织物为研究对象,通过七个应力比下的双轴单调拉伸试验,利用编写的MATLAB程序获得了涂层织物复杂的变形性能和精确的弹性参数,并对其变形和力学参数进行响应面分析,揭示了涂层织物在不同应力水平和应力比下弹性模量、泊松比和正交各向异性的演化规律。结果表明,全域应力范围内材料的弹性参数和正交各向异性特征随着应力比和应力水平的改变而显著变化。此外,基于单、双轴拉伸应力-应变的关系,引入了表示双轴单调拉伸试验中拉伸与收缩比例的刚度耦合系数,推导出了弹性模量公式,其计算值与试验值吻合较好。研究所得结论可为膜结构工程中织物膜材的拉伸力学性能以及膜面破坏分析提供有益参考。

褶皱石墨烯微球制备与浸润性调控及其丙酮感知研究

汪瑞, 梅启林, 丁国民, 陈述慧, 徐建蓉, 姜端洋

2024, 0(4): 14-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.002

摘要 ( 57 )

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为了增加表面粗糙度,获得超疏水复合材料,本文引入水-丙酮的二元溶剂,探究氧化石墨烯(GO)在二元溶剂中的分散与蒸发,而后通过喷雾油炸法,得到褶皱石墨烯微球(FGO),探究溶剂组分对浸润性的影响,最后将FGO与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合,制成对丙酮敏感的超疏水传感器。结果表明:在二元溶剂中,水的组分为20%时,GO在其中分散良好并且有不错的蒸发率,得到的FGO接触角为149.1°;制备的复合材料结合良好,具备150.2°的超疏水性能,同时能在丙酮浓度为0.03~0.075 mol/L时具有良好感知性能,灵敏度达到115 (mol/L)^-1。

玻璃纤维/环氧树脂预浸料固化全过程的比热容和热导率研究

马世恒, 葛敬冉, 刘凯, 李永善, 梁军

2024, 0(4): 20-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.003

摘要 ( 63 )

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通过调制温度式差示扫描量热技术(MDSC)测定了玻璃纤维/环氧树脂预浸料在固化全过程不同方向上的比热容和热导率,并建立模型来描述比热容和热导率随温度和固化度的变化。未固化和完全固化时,预浸料的比热容和热导率随着温度的增大线性增加;在固化过程中受温度和固化度的双重影响,在固化反应前期,比热容和热导率有一个突变,在温度和固化度的作用下表现出先增大后减小的趋势。此外,通过混合定律和分段线性关系来描述比热容和热导率随温度和固化度的变化关系,结果有助于提高数值模拟中参数的准确性。

BN粒子改性PVDF电纺纤维膜插层增强碳纤维/环氧树脂复合材料层间韧性

曾塘玉, 马传国, 向阳, 邵士磊

2024, 0(4): 26-32. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.004

摘要 ( 44 )

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针对纤维增强复合材料层压板的分层失效问题,本文提出了一种氮化硼(BN)粒子改性聚偏氟乙烯(PVDF)电纺纤维膜以插层方式增强碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层间断裂韧性的方法。通过超声处理将BN均匀分散于PVDF溶液中,利用静电纺丝方法制备了BN改性PVDF纤维膜(BN&PVDF),作为插层材料被引入碳纤维的层间,采用手工铺设-真空热压法制备BN&PVDF增强CF/EP复合材料层压板(BN&PVDF-CF/EP)。重点研究了BN粒子含量对改性PVDF电纺纤维膜增强CF/EP层间断裂韧性的影响及相关增韧机理。研究结果显示:当BN含量为3.2wt%时,BN&PVDF电纺纤维膜的增韧效果最好,相对于CF/EP,BN&PVDF-CF/EP的Ⅰ型层间断裂韧性提高了129.6%,Ⅱ型层间断裂韧性提高了160.6%;BN粒子引入后,提高了PVDF的拉伸强度和模量;SEM分析显示,BN粒子被部分镶嵌于PVDF纤维上,提高了PVDF纤维表面的粗糙度,增强了PVDF纤维与基体的界面相互作用,引起了更加复杂的增韧形式并提高了PVDF纤维的增韧效果。

基于改进的Halpin-Tsai模型对颗粒增强复合材料弹性常数预测

武顺心, 朱水文

2024, 0(4): 33-39. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.005

摘要 ( 50 )

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为了预测不同形状颗粒增强复合材料的弹性常数,以碳化硅(SiC)颗粒增强环氧树脂为例,建立了不同颗粒形状的代表性体积元(RVE)模型,研究了不同颗粒形状及其体积分数对复合材料弹性常数的影响。通过改进的Halpin-Tsai模型,得出了形状因子与体积分数、颗粒体积和几何因子之间的关系式。有限元模型和改进的Halpin-Tsai模型计算的复合材料弹性常数结果相近,最大误差仅为4%。研究表明,改进的Halpin-Tsai模型可以用于预测碳化硅颗粒增强环氧树脂复合材料的弹性常数。

孔柱锥度对纤维柱增强夹芯结构压缩性能的影响

李红军, 韩杨, 宋笑非, 郑绍文, 郑超凡, 孙九霄

2024, 0(4): 40-48. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.006

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纤维柱增强泡沫夹芯材料孔柱在加工过程中会产生一定的锥度,为研究孔柱锥度对夹芯结构压缩性能的影响,设计并制备了15组不同锥度孔柱的纤维柱增强复合材料。对制备的夹芯结构进行准静态压缩试验并结合数值模拟,研究了孔柱锥度与芯材厚度对夹芯结构压缩强度、模量、比强度以及失效形式的影响。结果表明:芯材厚度为25 mm、30 mm、35 mm的夹芯结构,孔柱锥度由0°提升至16°后,压缩强度分别提升了14.7%、22%、24.8%,压缩模量分别提升了25.9%、31.6%、37.7%,比强度分别提升了4%、9.95%、10.24%;孔柱锥度较小和无锥度孔柱的夹芯结构失效形式为纤维柱的屈曲、断裂,且屈曲、断裂位置随着孔柱锥度的增大逐渐向孔径较小的一端偏移;当孔柱锥度提升至16°时,夹芯结构中部分纤维柱孔径较小的一端与面板发生脱黏,导致纤维柱未能起到良好的支撑效果,影响材料的力学性能。

基于激光加热的CF/PEEK复合材料层合板铺放工艺研究

刘冠三, 孙士勇, 马鑫, 韩晓缠

2024, 0(4): 49-55. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.007

摘要 ( 33 )

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面向热塑性复合材料的高质量成型需求,设计搭建了基于光纤激光加热的CF/PEEK铺放平台,制备了复合材料层合板构件。基于铺放平台的设备参数(激光功率、铺放速度、铺放压力),通过单因素参数分析和多因素正交试验参数分析,结合层间剪切强度测量以及微观形貌显微观测,探究了层合板成型过程中温度、压力两个工艺参数对CF/PEEK层合板力学性能的影响规律。试验结果表明:在试验范围内,层间剪切强度随着铺放温度与压力的增大,呈现出先增大后减小的现象。成型过程中,铺放温度与铺放压力两个工艺参数对层合板层间剪切强度影响程度并不相同,铺放温度的影响更大。试验中制备CF/PEEK层合板的最优工艺参数组合如下:铺放压力为0.2 MPa,铺放温度为402.6 ℃。

轻木夹芯/碳纤维复合材料结构后推构型无人机机身设计与分析

刘峰, 乔宇, 李雪江, 豆广征

2024, 0(4): 56-62. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.008

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设计了一款后推构型轻木夹芯/碳纤维复合材料结构无人机机身,完成了机身气动外形设计、流场分析和内部结构设计。建立了机身结构有限元模型,完成了结构刚度校核。编写子程序,将3D Hashin失效准则嵌入计算模型,基于三类失效模式构建极限状态函数g(x),对机身结构进行了强度及稳定性校核。采用等步长施加超设计载荷,预测了结构的初始损伤位置及模式。对机身蒙皮铺层方案进行了优化设计,采用g(x)函数对更改铺层方案后的结构性能进行了评估。研究结果表明:着陆工况和最大飞行速度工况的机身蒙皮表面压强最大值均在机头整流罩区域。两种工况的极限状态函数g(x)均大于0,最大位移分别为3.076 mm和2.92 mm,机身结构满足刚度、强度和稳定性要求。对着陆工况施加1.17倍设计载荷时,油料舱下壁板轻木芯材发生压缩分层初始损伤。机身结构失稳发生于侧面蒙皮,提高45°铺层占比可提高蒙皮的稳定性。玻纤蒙皮铺层优化后,在质量不变的条件下,结构稳定性裕度提高了7.2%。

缝合增强PRSEUS构件低速冲击性能研究

田潇, 文立伟, 邓朱海

2024, 0(4): 63-75. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.009

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PRSEUS结构作为针对翼身融合布局的典型结构单元,受载情况复杂。使用缝合技术将加筋结构与蒙皮一体化制备,提高了机身载荷传递能力,提高了PRSEUS结构整体一致性,能够充分发挥PRSEUS结构的承载效率。通过现有条件制备缝合PRSEUS构件,并开展低速冲击试验研究,发现缝合密度或是缝线细度的增加都可以提高试样的抗冲击性能,缝线细度增大带来的抗冲击性能提升相比缝合密度增大影响相对较小。PRSEUS结构的抗冲击性能对于缝合密度更加敏感。有限元分析结果表明,缝合试样的层间性能得到明显改善,损伤面积减小,证明缝合可以有效提高PRSEUS结构抗冲击性能。

湿热环境下外贴CFRP加固RC梁抗弯性能有限元分析

张智梅, 马嘉辰

2024, 0(4): 76-82. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.010

摘要 ( 36 )

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本文研究了湿热环境下外贴CFRP加固RC梁抗弯性能。首先,基于已有的FRP-混凝土界面双参数黏结滑移模型,引入湿度和温度对断裂能G_f、界面刚度B的影响系数,建立了湿热环境下界面黏结滑移模型。然后,利用该界面模型对一组湿热条件作用下的试验梁进行有限元数值模拟,将模拟结果与试验结果进行对比分析,验证模型的正确性。最后,使用已验证的有限元模型深入分析不同湿热条件下CFRP与混凝土的宽度比和CFRP的加固量等因素对钢筋混凝土加固梁抗弯性能的影响。结果表明:本文建立的CFRP-混凝土黏结滑移模型,可以有效地模拟湿热环境下的界面性能;湿热条件下的加固梁主要发生剥离破坏,且随着湿热环境恶化,加固梁受弯承载力和对应的挠度明显下降;湿热环境下,可以通过适当增加CFRP与混凝土的宽度比和CFRP的加固量提高加固梁的受弯承载力。

混杂纤维复合材料螺旋桨的铺层结构设计与模压成型工艺

梁桂龙, 丛庆, 李旭, 王继辉

2024, 0(4): 83-89. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.011

摘要 ( 40 )

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为推动复合材料螺旋桨构件设计与成型工艺的一体化研究,发挥纤维混杂在高阻尼、高性能桨叶开发环节的助力作用,以小尺寸复合材料螺旋桨为对象,基于其叶片型面特点与几何特征,开展混杂纤维复合材料桨叶的选材与铺层设计等工作,确定了螺旋桨在碳纤维(CF)/芳纶纤维(KF)混杂方式下的两种铺层方案。借助ANSYS Workbench平台中的ACP模块,建立了与桨叶实际结构特征较为一致的复合材料各向异性有限元模型,并在仿真分析的指导下,使用预浸料的模压成型工艺制作了混杂纤维复合材料螺旋桨样件模型。通过静态加载试验和模态测试试验,对比了桨叶模型的静刚度和前三阶模态频率的测试结果与计算结果,这既验证了基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨建模方法的有效性,也验证了模压法制作混杂纤维复合材料桨叶样件的可行性。

小角度缠绕复合材料护岸管桩抗弯性能试验与设计

张恒, 方海, 王肖淳, 夏国龙, 徐双

2024, 0(4): 90-96. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.012

摘要 ( 33 )

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本文提出一种新型复合材料护岸管桩。该护岸管桩由纤维缠绕工艺制备的复合材料缠绕管制成。通过四点弯曲试验,得到试件的破坏模式以及荷载-位移关系,以此分析缠绕角度±55°、±15°以及是否浇筑混凝土对护岸管桩抗弯性能影响。结果表明:纤维缠绕角度由55°减小为15°与浇筑混凝土都能极大提高复合材料护岸管桩的刚度和抗弯承载力。在此基础上进行复合材料护岸管桩嵌固端深度计算公式推导,并给出护岸管桩的设计流程以及应用建议。这为之后复合材料护岸管桩应用于护岸工程提供了参考。

复合材料过盈铆接结构吸湿老化行为研究

桂林景, 张世广, 李皓, 王安康, 梁鑫河, 夏岩峰, 刘佳

2024, 0(4): 97-104. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.013

摘要 ( 35 )

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碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymers,CFRP)中碳纤维与基体的性能差异较大,并且树脂基体对湿度敏感,在潮湿环境中服役的复合材料铆接结构的力学性能与实验室环境状态下时存在较大差异。本文中设计了吸湿老化试验,使用詹茂盛模型对试验数据进行拟合,获得了CFRP吸湿老化状态下力学性能的变化规律,同时还研究了老化后材料的失效机理。基于这个预测模型建立了不同装配条件下复合材料铆接结构的吸湿老化有限元仿真模型,并通过试验验证模型的准确性。通过有限元仿真和试验结合的手段探究了吸湿老化和装配方式对复合材料以及整个连接结构承载性能和失效机理的影响规律。

基于蚁群算法的绝热层缠绕路径优化

王浩东, 侯增选, 张伟超, 罗洋洋, 李彦良, 戚厚良

2024, 0(4): 105-110. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.014

摘要 ( 23 )

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为解决绝热层缠绕成型过程中胶带撕裂褶皱和间隙控制等问题,本文提出一种基于多因素改进蚁群算法的缠绕路径优化方法。优化策略包括:构建蚂蚁决策空间,改变启发式函数,引入带隙缩放系数。利用ACIS几何造型库构建芯模、胶带三维模型,提出一种胶带应变计算方法,以评估胶带撕裂褶皱程度。缠绕仿真及试验验证结果表明:该方法能够有效优化绝热层缠绕路径,解决胶带撕裂褶皱问题,并满足缠绕胶带带隙要求,提高绝热层缠绕成型质量。本文研究为绝热层缠绕成型工艺提供了一种新型的路径优化方法。

刀具磨损因素分析及对CFRP制孔质量的影响

周欣康, 位浩杰, 陈晓龙, 王佳鑫, 卢大伟, 谢辉

2024, 0(4): 111-116. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.015

摘要 ( 46 )

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为了保证碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工质量,研究刀具磨损对CFRP制孔质量的影响,本文制备了CFRP层压板样件,对刀具磨损规律、刀具磨损与CFRP制孔质量的关联性进行定量试验研究。使用数字显微镜跟踪标定制孔过程中的后刀面磨损量VB,绘制了刀具磨损曲线,对不同转速下的后刀面磨损规律进行了定量对比分析。同时通过对制孔后的出口毛刺长度和分层情况进行试验标定,分别利用出口毛刺缺陷因子和制孔分层缺陷因子对制孔质量进行评价,绘制了缺陷因子与VB的相关曲线,对刀具磨损因素及对制孔质量的影响进行了定量分析。结果表明:高转速下刀具更早进入急剧磨损,但在急剧磨损阶段,低转速下刀具磨损更快;刀具进入急剧磨损阶段后,刀具磨损逐渐成为出口缺陷的主要原因,且刀具磨损量相同时高转速下制孔质量更高。

多刺激响应型高强度复合材料柔性致动器研究进展

盛洁, 刘航, 王文乐, 姜生坤, 李明霞, 黄正强, 耿铁, 蒋林

2024, 0(4): 117-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.016

摘要 ( 65 )

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复合材料柔性致动器兼具灵活性、适应性和结构可设计性等特点,能够响应外界刺激而改变结构、形状和宏观性质,具有广阔的应用前景。本文总结了近几年复合材料柔性致动器在多刺激响应性与力学强度提高方面的研究进展,介绍了该类致动器的成型制备方法,分析了致动原理。从填料的维度出发,总结了各类填料在致动器响应速度、机械性能、多刺激响应能力方面的影响,总结了该类致动器在柔性机器人、微型医疗器械、精密传感器、折叠电子器件等方面的现状。最后,对多刺激响应型高强度复合材料致动器的发展前景进行展望,以期为设计制备具有新颖功能和更有挑战性的致动器提供借鉴和参考。

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