复合材料科学与工程

马俊杰, 陈建稳

2024, 0(5): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.001

摘要 ( 84 )

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为提高针对织物复合膜材撕裂力学响应数值分析的精确性,本文基于连续损伤力学理论,建立了PVDF涂层织物膜材的非线性损伤本构模型。结合梯度为15°的偏轴拉伸试验,验证了非线性本构模型的精确性;并将非线性本构模型纳入数值分析,与传统三折线本构模型及梯度为15°的梯形撕裂试验结果进行对比,验证非线性本构在撕裂力学响应方面的精确性。结果表明:非线性本构模型可有效跟踪膜材实际应力-应变曲线。在撕裂力学响应方面,两种模型均能体现系列参数变化对撕裂性能的影响规律及相应撕裂机理,但非线性本构模型在破坏形态上能更好地体现膜材撕裂过程中拉剪耦合复杂应力影响。

丙烯酸共聚改性液态丙烯酸酯树脂及其复合材料力学性能研究

陈述慧, 梅启林, 丁国民, 汪瑞, 蔡永祺, 姜端洋

2024, 0(5): 12-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.002

摘要 ( 63 )

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为了解决丙烯酸酯树脂拉伸强度不足及其与纤维界面结合较弱的问题,本文通过原位聚合的方法,以丙烯酸(AAc)共聚改性液态丙烯酸酯类低聚合树脂(AOLM),通过提高聚丙烯酸酯类树脂基体(PAOLM)分子间作用力,显著提升固化后树脂基体及其玻纤(GF)增强复合材料的整体力学性能。研究结果表明:引入的AAc使PAOLM红外光谱图中出现了分子内氢键(3 545 cm^-1)和分子间氢键(3 294 cm^-1)的振动吸收峰;与未改性的PAOLM相比,共聚改性后树脂P(AOLM-AAc)的拉伸强度和模量分别提高了20.86%和32.65%,弯曲强度和模量分别提高了18.14%和25.73%,冲击韧性提高了24.03%,玻璃化转变温度提高了10.03%;与采用AOLM制备的复合材料GF/PAOLM相比,采用AAc改性AOLM制备的复合材料GF/P(AOLM-AAc)的拉伸强度和弯曲强度分别提高了11.62%和37.18%。

三聚氰胺固废改性酚醛树脂的合成及其对模塑料性能的影响

翟苏宇, 黄世俊, 陈伟婷, 张振伟, 罗尧森, 李晨辉, 苏志忠

2024, 0(5): 19-24. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.003

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固体废弃物的绿色化处置与传统材料的资源化改性对当前化工与材料类产业的健康发展具有重要的意义。本文采用固体废弃物OAT(oxiaminothriazine)对酚醛树脂进行改性,探讨了OAT反应性引入酚醛树脂的可行性,以获得的改性树脂作为基体制备了酚醛模塑料,探讨了改性树脂对模塑料性能的影响。结果显示:OAT与甲醛具有一定的反应性,OAT的引入使酚醛树脂的黏度有所下降,但随着用量的进一步增加,黏度增加,聚合速度加快,流动度显著降低,OAT的用量在8%左右为宜;采用OAT改性酚醛树脂制备的模塑料具有较好的热稳定性和电气强度,其他性能与普通模塑料相当。

阻尼层复合材料夹芯梁的动力学性能

赵晓军, 杨怡婷, 吴磊

2024, 0(5): 25-29. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.004

摘要 ( 61 )

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采用哈密尔顿原理,推导得到了阻尼层复合材料夹芯梁的偏微分振动平衡方程;使用Navier型闭环解得到梁的固有频率和损耗因子,并与其他文献中的解进行对比验证;最终揭示了夹芯复合材料梁动力学性能随结构参数的变化。结果表明:随着梁长度的增大,梁的固有频率逐渐减小,结构的损耗因子呈现先增大后减小的趋势,梁的长度存在最佳动力学设计值;增大阻尼层剪切模量,结构固有频率逐渐增大,结构的损耗因子呈现先增大后减小的趋势,阻尼层剪切模量也存在最佳动力学设计值;随阻尼层厚度的增大,结构的固有频率逐渐降低,一阶模态下的损耗因子逐渐增大,但是其余模态下的损耗因子呈现先变小后增大的规律;中间层损耗因子值对频率的影响不大。

六钛酸钾晶须改性环氧有机硅树脂的抗烧蚀性能

李轩, 周德东, 何瑜, 张立京, 苏菁, 李伟, 肖魁, 孟卫钢

2024, 0(5): 30-35. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.005

摘要 ( 44 )

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制备了六钛酸钾晶须(PHW)改性的环氧有机硅树脂复合材料,研究了PHW含量对复合材料在氧-乙炔烧蚀环境中抗烧蚀性能的影响。结果表明:添加PHW能够有效提高环氧有机硅树脂烧蚀产物层的抗剥落能力和耐高温烧蚀性能,其中PHW添加量为20wt%时,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均最低,分别为0.136 mm/s和1.143 g/s,与环氧有机硅树脂相比分别低约53.74%和47.04%;当PHW含量超过20wt%后,进一步增加其含量对复合材料耐烧蚀性能的改善效果不再明显。TG分析结果表明:添加PHW能大幅降低环氧有机硅树脂的失重率,其中PHW添加量为20wt%时,复合材料的失重率约为38.57%,较环氧有机硅树脂低约19.89%;当PHW含量高于20wt%后,进一步增加其在复合材料中的含量对失重率的改善效果不再明显。

复合绝缘子芯棒EP/AlN复合材料沿面闪络及破坏机理研究

张欣伟, 周丽英, 王博, 戴雨薇, 端木天翔, 王彬, 邢云琪

2024, 0(5): 36-42. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.006

摘要 ( 33 )

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复合绝缘子芯棒用环氧树脂具有机械强度高、绝缘性能好的优点,但在发热温升情况下极易产生电痕破坏,导致电网长期运行稳定性和安全性降低。因此,本文制备了不同微纳比环氧树脂/氮化铝(EP/AlN)复合材料,测试了沿面闪络及表面耐电痕特性,并结合陷阱分布特性及表面破坏参数进行分析。结果表明:随纳米颗粒掺杂比例提高,表面陷阱对电荷捕获能力下降,表面电导率有所提升,加快了表面放电进程,使闪络电压降低,单次释放能量减小;结合热导率上升共同作用,有效抑制了环氧树脂表面温升,提高了环氧树脂耐电痕性能。

三维织物复合材料高速冲击性能和损伤机制研究

张根, 何泽侃, 宣海军, 毛润丰, 贾文斌

2024, 0(5): 43-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.007

摘要 ( 49 )

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三维织物复合材料在航空航天抗冲击结构领域有较好的应用潜力。本文采用钛合金圆柱弹和三维织物复合材料平板开展了30余次直线打靶试验,弹体速度范围为160~280 m/s,获得了弹回、嵌入、贯穿等不同的冲击试验结果和复合材料靶板损伤形式,根据试验结果分析了三维四向编织、三维五向编织、三维正交机织三种不同结构复合材料的冲击性能和损伤机制,并进行了对比差异分析。研究发现三种结构靶板受弹体冲击后损伤情况类似,撞击点局部出现纤维断裂拔出和基体开裂,三种结构均没有出现分层。三维四向编织结构损伤区域呈锐角十字形,损伤扩展沿编织方向;三维五向编织结构和三维正交机织结构损伤区域呈菱形,损伤扩展沿90°和0°方向。比较本文三种结构平板试验件,发现三维正交机织结构拥有最高的弹道极限,并且损伤区域面积最小。

乙烯-丙烯酸共聚物改性环氧树脂/UHMWPE纤维复合材料的制备与性能研究

周典瑞, 王伟翰, 高亮, 杜宇, 吴天宇, 张宝艳

2024, 0(5): 52-57. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.008

摘要 ( 40 )

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使用乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)与环氧树脂复配作为基体,利用水基乳液浸渍超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维制备了复合材料,通过在树脂浸润性、树脂耐热性能、复合材料力学性能、界面结合情况以及微观形貌等方面的测试表征,对比了不同EAA含量的基体树脂对UHMWPE纤维复合材料性能的影响。结果表明,EAA与环氧树脂质量比为25∶75的共混体系一方面可发挥EAA组分与UHMWPE纤维间亲和力强的优势,另一方面还能凭借环氧树脂的刚性交联网络保持较高的耐热性能,体系的层间剪切强度达到8.7 MPa,在60 ℃下弯曲强度保持率接近80%,表现出优异的综合性能。

SiC纤维预制体结构对SiC_f/BN/SiC复合材料致密化和力学性能的影响

王梦千, 贾林涛, 李爱军, 彭雨晴

2024, 0(5): 58-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.009

摘要 ( 43 )

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为了研究碳化硅(SiC)纤维预制体的结构对SiC基体的化学气相渗透(CVI)工艺致密化过程的影响,利用模拟计算方法分析了2D叠层、2.5D和3D正交三种编织结构SiC预制体在SiC致密化过程中的孔隙结构演变规律,并采用三氯化硼-氨气-氢气-氮气(BCl₃-NH₃-H₂-N₂)混合气体和三氯甲基硅烷-氢气-氮气(MTS-H₂-N₂)混合气体作为前驱体,利用CVI致密化工艺制备出三种预制体结构的SiC_f/BN/SiC复合材料。结果表明,SiC纤维预制体结构不同,SiC_f/BN/SiC复合材料的致密化效率不同,其中2.5D纤维预制体的致密化速率最快,3D正交预制体的致密化速率最慢。致密化120 h后,三种预制体结构的复合材料密度均达到2.3 g/cm³以上,开孔率为10%左右。三种结构的SiC_f/BN/SiC复合材料拉伸强度为130~170 MPa。在层间剪切过程中,2D结构SiC_f/BN/SiC复合材料与2.5D结构SiC_f/BN/SiC复合材料样品都出现了XY面的纤维剥离现象,而3D结构SiC_f/BN/SiC复合材料样品发生了正交Z向纤维的断裂。由此可知,SiC纤维预制体结构影响了所形成复合材料的致密化过程和力学性能。

CFRP-PCPs复合筋加固钢-混组合梁负弯矩区抗裂试验与理论计算

邓宇, 凌道远, 倪淼

2024, 0(5): 66-75. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.010

摘要 ( 32 )

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为解决钢-混组合梁负弯矩区混凝土板易开裂而造成刚度减弱的行业难题,以预制的CFRP-PCPs(carbon fibre reinforced polymer-prestressed concrete prisms)复合筋作为中支座的腹筋,并以复合筋的数量、预应力张拉水平和截面尺寸为主要参数设计制作了五根复合筋钢-混组合连续梁和一根普通组合连续梁,研究其在单跨单点荷载下负弯矩区的抗裂性能。结果表明:复合筋能显著增强中支座截面刚度,对负弯矩区的裂缝控制能力提升显著;与普通组合梁相比,复合筋梁的开裂荷载提高近30%,裂缝数量与裂缝宽度减少近50%;复合筋面积是提高裂缝控制能力的主要因素,预应力水平和截面尺寸对开裂荷载的影响较弱;复合筋的开裂荷载与预应力水平、面积正相关,其中预应力水平是影响复合筋效用时长的关键因素。基于现有理论和试验数据,本文提出CFRP-PCPs复合筋钢-混组合梁负弯矩区开裂荷载和复合筋的开裂荷载计算公式,计算结果与试验值较为吻合,可为复合筋在钢-混组合梁桥实际工程中应用提供参考。

硅烷偶联剂改性金属加热元件提高碳纤维/聚苯硫醚热塑性复合材料电阻焊接强度

王涣翔, 赵刚, 徐剑

2024, 0(5): 76-84. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.011

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以使用碳纤维为增强体,聚苯硫醚为树脂基体的碳纤维增强聚苯硫醚(Carbon Fiber Polyphenylene Sulfide,CF/PPS)热塑性复合材料为研究对象,对其电阻焊工艺进行了研究,获得了最佳工艺参数,并使用硅烷偶联剂对加热元件(304不锈钢金属网)进行改性。在探索最佳工艺参数时,使用了田口试验方法,设计了三因子三水平的正交试验,得到了在CF/PPS电阻焊试验最佳参数(电流为42 A,压力为2.0 MPa,时间为10 s)下的最大单搭接剪切强度(Lap Shear Strength,LSS)为24.5 MPa。运用硅烷偶联剂对加热元件进行表面改性,提高了聚苯硫醚与金属网之间的黏附性。与加热元件未进行任何处理的焊接接头相比,使用硅烷偶联剂处理加热元件的焊接接头搭接剪切强度为31.1 MPa,提高了27%。

基于宏应变的CFRP板桥梁加固效果快速评估试验研究

黄志刚, 吴必涛, 尹祥, 吴刚, 欧阳耀

2024, 0(5): 85-91. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.012

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为实现在不中断正常交通情况下对既有公路桥梁加固效果进行快速量化评估,本文以预应力CFRP板加固空心板足尺梁为试验对象,基于长标距光纤光栅应变传感技术,推导了移动车辆荷载下简支梁桥长标距应变影响线计算公式;在此基础上,研究了预应力CFRP板加固桥梁前后长标距应变影响线的表现特征,提出了基于移动车辆荷载下长标距应变时程面积包络线的桥梁加固效果评估指标;开展了预应力CFRP板加固空心板梁足尺试验研究,并对其加固效果进行了快速评估与监测。试验结果表明:基于移动车辆荷载下的桥梁长标距应变影响线能够有效地评估预应力CFRP板桥梁加固效果,长标距应变时程面积随着CFRP板预应力水平的增加而减小,通过评估分析得到本次加固试验中桥梁加固效果分别为7.07%、6.90%。

基于超声导波和Y-Net的复合材料胶接质量检测研究

张晓妍, 曾周末, 李健, 陈世利, 刘洋

2024, 0(5): 92-99. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.013

摘要 ( 26 )

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为实现复合材料胶接结构界面粘接质量的检测,本文提出了一种基于导波检测技术和Y-Net卷积神经网络的界面弱粘接缺陷反演成像方法。计算了超声导波在复合材料胶接结构中传播的相速度频散曲线和波结构,指出了适于实际检测的导波激励频率和激发模态;创建了基于有限元仿真的数据集,将缺陷导波检测数据及概率损伤成像(RAPID)结果作为输入,真实胶接质量结果作为标签数据,对Y-Net进行了搭建、训练、验证和泛化能力测试,并应用结构相似指数(SSIM)和峰值信噪比(PSNR)定量评估了Y-Net的反演能力;搭建了实验系统,开展了复合材料胶接板检测实验。结果表明,本文所提方法可以弱粘接缺陷反演成像方式实现胶接质量检测,成像结果可准确且高质量地表征弱粘接缺陷的位置、形状、大小和弱粘接程度等多个特性。

湿热环境对T800S/M21碳纤维复合材料基体主导力学性能的影响研究

陈程, 李晨, 王岩, 高丽敏, 徐吉峰

2024, 0(5): 100-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.014

摘要 ( 43 )

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以T800S/M21碳纤维复合材料为研究对象,在三种吸湿调控与两种试验温度的湿热环境组合下,开展90°拉伸、±45°拉伸以及Ⅰ型与Ⅱ型层间断裂等基体主导力学性能影响试验。研究了湿热环境对基体拉伸及面内剪切模量与强度的影响,获得了湿热环境对层间性能G_Ⅰc与G_Ⅱc的影响。基于±45°拉伸与裂纹观察试验,获得了剪切刚度退化与厚度面裂纹数量演化规律,并分析了吸湿调控对引起剪切刚度退化的损伤机理影响。结果表明:湿热环境对T800S/M21复合材料基体主导的拉伸与剪切性能产生显著的折减影响,也对层间性能产生退化影响。湿热环境对面内剪切非线性特征产生一定弱化影响,吸湿加速了宏观裂纹产生与剪切刚度退化进程,导致宏观裂纹产生了比微观裂纹更加显著的刚度折减贡献。

软模成型工艺中软模的膨胀行为及压力平衡研究

马腾飞, 郭子民, 李桂洋, 郑国栋, 李伟明

2024, 0(5): 107-113. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.015

摘要 ( 34 )

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软模的膨胀加压行为匹配性是复合材料软模成型的关键,为了实现软模成型工艺中软模压力的可控,本文研究了软模材料的压缩泊松比、膨胀行为及压力平衡特性。将软模成型工艺中软模膨胀加压过程分为软模自由膨胀、半自由膨胀加压、体积受限膨胀加压三个阶段,对软模不同阶段进行变形及压力理论分析,采用软模升温测试系统测试软模的尺寸及压力变化。基于上述理论设计了软模尺寸,优化了固化工艺,采用优化后的软模成型工艺制备了C形梁和工字梁,并表征了C形梁和工字梁内部质量和尺寸精度。结果表明,软模材料的压缩泊松比为0.495,软模不同阶段的的膨胀行为及压力平衡特性与理论分析相符,通过软模尺寸设计及固化工艺优化实现了软模成型过程中压力的精确控制,由此制备出了内部质量好、尺寸精度高的复合材料C形梁和工字梁。

基于Lamb波和改进贝叶斯融合算法的CFRP边缘分层损伤分析

吕伟, 文学, 付为刚, 唐靖昆

2024, 0(5): 114-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.016

摘要 ( 29 )

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贝叶斯融合法在CFRP上的损伤定位分析结果比较好,但在传感器网络边缘区域会出现比较明显的定位误差。为解决原有算法对传感器网络边缘的分层损伤定位不精确的问题,分析了两种不同损伤因子构成的贝叶斯融合算法在CFRP上的损伤定位效果,验证了以ToF损伤因子形成的贝叶斯融合算法对CFRP损伤定位的可行性,以及贝叶斯融合算法对边缘分层损伤的定位精度;在以损伤因子DI所形成概率成像算法的基础上,以衰减更快的指数权重代替线性权重,将改进的概率成像算法重新代入以贝叶斯为框架的算法中形成一种新的贝叶斯融合算法。结果表明,与现有的融合重构算法相比,改进的融合重构算法至少将损伤定位精度误差减少了58%,定位误差不大于5 mm。

风电叶片雨蚀测试技术浅析

杨德旭, 兰海金, 尹秀云

2024, 0(5): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.017

摘要 ( 48 )

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风电叶片是风电机组的核心部件之一,受雨雪、风沙、冰雹等各种恶劣的天气因素影响,长期运行的风电叶片前缘会产生严重的侵蚀破坏,导致前缘连接处发生分层裂缝,严重影响叶片的结构稳定性。为了开发出更有利于保护叶片的涂层以及更好地维护叶片,对叶片的雨水侵蚀进行测试研究是十分必要的。本文系统介绍了风电叶片及其涂层受雨水侵蚀的影响过程、雨水侵蚀机理、雨水侵蚀测试方法、测试设备类型以及雨水侵蚀的评估方法,可为行业内开展风电叶片雨蚀防护研究提供参考。

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