复合材料科学与工程

沈泽慧, 曹宇, 郝晶莹, 张琪凯, 牛波, 张亚运, 龙东辉

2024, 0(6): 5-14. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.001

摘要 ( 71 )

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针对热防护系统的热桥阻断需求,以碳/石英纤维混编针刺预制体为增强体,酚醛树脂为碳前驱体,通过溶胶-凝胶、常压干燥和高温碳化工艺,制备出一种中密度-高强度碳气凝胶复合材料,系统研究了材料的微观结构、力学性能和隔热性能。结果表明:所制复合材料在中密度(约为0.80 g·cm^-3)下具有较强的力学性能(5%压缩应变时压缩应力约为10 MPa)和优异的隔热性能(室温热导率<0.230 W·m^-1·K^-1)。随着预制体中石英纤维质量分数从0%增加至20%,复合材料在1 000 ℃下等效热导率从0.224 W·m^-1·K^-1下降至0.158 W·m^-1·K^-1,具备了高温热桥阻断应用潜力。进一步采用格子玻尔兹曼方法对材料室温至1 600 ℃下的热导率进行预测,发现了材料结构和环境因素对热导率的影响趋势,即碳气凝胶基体孔隙率的上升会导致热量传递的阻碍增大,从而导致复合材料热导率下降;预制体密度的增大导致热量传递的通道增加,使复合材料热导率增大;石英纤维含量的增加会导致复合材料热导率逐渐下降;当气压较小时,热导率随气压的增大迅速增大,而当气压较大时,热导率几乎不受影响。

SiBCN陶瓷先驱体合成、固化动力学及陶瓷化产物性能研究

彭喆, 姚利超, 柴笑笑, 李松

2024, 0(6): 15-21. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.002

摘要 ( 37 )

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采用脱氢偶联聚合方法,以聚硅氮烷和环硼氮烷制备了四种低黏度SiBCN陶瓷先驱体,通过红外表征了SiBCN陶瓷先驱体的结构,通过非等温DSC研究了SiBCN陶瓷先驱体的固化动力学过程,通过超高温TG,XRD,XPS等手段表征了SiBCN陶瓷化产物的性能。结果表明:四种SiBCN陶瓷先驱体的室温黏度为198~275 mPa·S,固化温度范围为120~235 ℃。SiBCN陶瓷先驱体的固化过程为双放热峰,通过Kissinger,Ozawa,Crane方程对主放热峰进行分析得到SiBCN陶瓷先驱体P1、P2、P3、P4固化动力学参数,其中活化能E_a分别为96.9 kJ/mol、88.4 kJ/mol、119.5 kJ/mol、268.2 kJ/mol,反应级数n分别为0.933,0.930,0.940,0.943。SiBCN陶瓷先驱体P4经过1 300 ℃裂解后的SiBCN陶瓷结构为非晶态,其B含量为4.67%,分解温度高达1 651 ℃。四种SiBCN陶瓷先驱体裂解产物的分解温度与B含量表现出一定的关系:当B含量超过一定浓度时,陶瓷化产物的高温稳定性得到有效提高。

改性C/SiC-ZrC复合材料热化学烧蚀仿真研究

张川电, 陈涛, 段振岩, 刘凤宇

2024, 0(6): 22-28. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.003

摘要 ( 41 )

PDF (5091KB) ( 30 )

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基于C/SiC复合材料基体改性制备超高温陶瓷基复合材料,是满足高超音速飞行器对热防护系统材料所需更高要求的有效途径。基于热化学平衡理论构建了C/SiC-ZrC复合材料的烧蚀模型,选取文献中相同制备方式下两组不同体积分数的C/SiC-ZrC复合材料,并利用MATLAB计算出两组材料的无量纲烧蚀率,然后在COMSOL多物理场分析软件中建立数值仿真,将仿真结果与文献实验结果进行对比,误差分别为8.7%~16.9%和1.05%~11.07%,验证了模型的有效性。

二胺型苯并噁嗪改性双酚A环氧树脂及其玻璃纤维复合材料性能研究

程圣, 谢志辉, 何伟韩, 张跃, 梁智明, 黄泽, 张伟, 冉起超

2024, 0(6): 29-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.004

摘要 ( 44 )

PDF (4469KB) ( 15 )

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为了延长环氧树脂漆的适用期,提高其耐热性,使用苯并噁嗪树脂对其进行共混改性。以溶液共混方式制备了环氧树脂漆(EP)与苯并噁嗪树脂(BZ)的共混树脂体系(E/B-x),讨论了BZ的加入对共混树脂的黏度、流变特性、凝胶化活化能、固化行为、表面特性及玻布增强复合材料的耐热性、力学性能的影响。结果表明:BZ的加入使共混树脂的黏度明显降低,凝胶温度及凝胶活化能增加,迟滞了EP的固化反应,延长了其适用期;少量BZ的加入不会改变EP的玻璃化转变温度(T_g),当BZ加入量达到40份时,与EP复合材料相比,E/B-40复合材料的干态和湿态T_g分别提高了12.6%和11.7%;随BZ加入量的增加,复合材料的弯曲强度先下降后上升,E/B-40复合材料的弯曲强度和弯曲模量可达569 MPa和27.9 GPa,与EP复合材料相当。

变形承载一体的基于形状记忆合金片状致动器的智能复合材料结构性能分析

战钺, 袁国青

2024, 0(6): 34-40. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.005

摘要 ( 33 )

PDF (10428KB) ( 17 )

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在形状记忆合金片上引入预应变可以制备成一个受热可回复的片状致动器,将其表面粘贴在复合材料结构表面便可以得到一个集承载和变形一体化的智能复合材料结构。本文主要聚焦于智能复合材料结构承载过程中的变形问题,通过有限元分析的方法对智能复合材料结构在承载时的受热致动变形能力和在受热致动变形之后的承载能力两个问题进行了分析研究。分析结果表明:智能复合材料结构在承载过程中仍然能够顺利变形,但是其变形过程中的胶层应力会受到载荷大小的影响,且相同载荷下受热致动过程加载时的胶层应力与加载过程中受热时的胶层应力相比会更大。

带金属挤压套管铰接连接FRP轴心压杆整体屈曲性能研究

徐江洪, 张冬冬, 邵飞, 高一峰, 白林越, 吕晨曦

2024, 0(6): 41-47. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.006

摘要 ( 43 )

PDF (7254KB) ( 20 )

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本文针对拼装式桁架结构中两端设有金属挤压套管连接的FRP受压杆件,通过轴向压缩试验和有限元分析方法研究了此类组合杆件两端铰接时的整体屈曲性能,并通过参数化分析揭示了金属连接段对不同长度FRP杆件屈曲临界承载力的影响规律。基于试验和有限元结果,对目前工程中常用的五种FRP杆件整体屈曲临界承载力计算公式进行了比较验证,明确了适用于此类组合杆件整体屈曲临界承载力的计算方法。结果表明:相比于未设置端部金属加强段的杆件,FRP圆管在金属外套管端部发生剪切断裂,而非杆件中部断裂,即金属外套管局部构造对杆件整体破坏模式有较大影响。另外,端部设有金属段的杆件整体临界屈曲荷载得到了一定提升;随着长细比的增加,端部金属区段对FRP杆件整体屈曲临界荷载影响的增幅逐渐减小。建议采用Engesser或Haringx修正公式作为两端设有挤压型金属套管铰接连接的FRP压杆的设计计算公式。

碳纤维加固输电铁塔角钢有效性分析

关天宇, 姜岚, 段国勇, 唐波

2024, 0(6): 48-59. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.007

摘要 ( 34 )

PDF (12976KB) ( 17 )

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以输电铁塔受损角钢为研究对象,借鉴国内外碳纤维增强复合材料(CFRP)加固修复技术,提出采用碳纤维布加固铁塔角钢的方法。该方法采用胶黏剂将碳纤维布粘贴至角钢表面进行加固,加固过程中不会对角钢产生二次损伤,且流程简便,实用性强。通过建立组合结构数值分析模型,研究碳纤维布加固厚度、加固层数、铺层角度和加固方式对组合构件加固效果的影响。结果表明:使用碳纤维布加固角钢对长细比较大构件承载力的相对提高程度会增大;当采用四层铺设厚度共为0.668 mm的碳纤维布时,对角钢极限承载力的提升基本可以满足加固需求;碳纤维布各铺层角度沿角钢轴心受压方向均采用0°方向进行铺设时,可以最大化加固效果;结合经济性考虑,对角钢进行中包加固方式效果要优于全包加固效果。

纬向V形机织间隔复合材料压缩性能有限元分析

刘生杰, 邵慧奇, 陈南梁, 蒋金华, 曾金金, 陈骏峰, 白一峰

2024, 0(6): 60-68. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.008

摘要 ( 35 )

PDF (19205KB) ( 32 )

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探究了纬向V形机织间隔复合材料在平压和侧压载荷下的失效机制及破坏模式。采用ABAQUS软件建立复合材料多尺度单胞模型,并设置周期性边界条件。针对纤维束进行弹性性能分析,预测宏观材料弹性常数。利用Fortran语言对UMAT子程序进行二次开发,引入三维Hashin损伤判据和Camanho刚度退化方案,实现对纬向V形三维机织间隔复合材料的渐进损伤分析。结果表明,模拟结果与试验结果相符。在平压载荷作用下,弯曲振幅较大的V形绒经组先发生断裂,振幅小的绒经组后断裂,出现二次峰值载荷。绒经与纬纱交织处和绒经屈曲处出现应力集中,断裂位置集中在绒经屈曲最大处和与面板衔接处,面板无明显破损;在侧压载荷作用下,树脂面板与树脂内纱线为承力主体,面层纬纱承压较大,而间隔层绒经承压较小。断裂主要发生在两排V形绒经之间,失效模式为树脂渐进式破损、纤维脱黏与纱线断裂。

螺旋铣磨碳纤维复合材料铣磨力仿真及试验研究

邢文涛, 孙会来, 李航, 刘雨, 赵方方

2024, 0(6): 69-75. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.009

摘要 ( 30 )

PDF (7153KB) ( 19 )

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本文基于单颗磨粒的运动轨迹方程,采用ABAQUS有限元软件模拟了螺旋铣磨过程,并对孔出入口边缘的应力分布情况和铣磨力的变化规律进行仿真分析。研究了在螺旋铣磨制孔过程中,碳纤维复合材料(CFRP)铣磨力的变化规律和不同工艺参数对铣磨力的影响程度,随后设计螺旋铣磨正交试验,采用极差分析法分析试验结果,并与仿真结果进行对比验证以确定仿真的准确性。研究结果表明:主轴转速与轴向铣磨力呈负相关,并且F_x在3 500 r/min时最小,公转转速、螺距与铣磨力呈正相关;公转转速对切向铣磨力的影响程度最大,主轴转速和螺距次之;公转转速对轴向铣磨力的影响程度最大,螺距和主轴转速次之。

基于有限元和DIC测试对FRP部分约束混凝土柱应变响应及数值模型研究

纪泳丞, 邹云飞

2024, 0(6): 76-86. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.010

摘要 ( 46 )

PDF (20619KB) ( 14 )

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纤维增强聚合物(FRP)部分约束混凝土应用可以提高混凝土的承载力和经济价值。然而,FRP部分约束混凝土在垂直方向上不均匀应变响应还不够深入,应力-应变模型不够准确。本文通过应变片和数字图像相关(DIC)记录对FRP部分约束混凝土进行了轴向压缩试验,并利用ABAQUS有限元建立了包括0/1,1/4,1/3,1/2,2/3,3/4和1/1约束面积比的部分约束混凝土。试验结果表明:DIC和应变片结果分别反应了垂直和水平方向的应变规律,即试件在应变硬化或应变软化响应下均发生了明显的应变局部化;有限元结果能捕捉到试件表面约束力与x,y和z三轴的应变关系,得到了不同约束面积比的FRP部分约束混凝土柱的应力-应变关系,所提出的应力-应变模型能有较高的预测效果。

基于黏弹性材料的高阻尼复合材料传动轴减振性能研究

文湘隆, 何珍钟, 臧猛, 宋春生, 张锦光

2024, 0(6): 87-94. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.011

摘要 ( 31 )

PDF (8263KB) ( 6 )

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碳纤维增强复合材料(CFRP)具有优异的综合性能,近年来已被广泛应用于各种主承力件和次承力件的制作。本文引入黏弹性高阻尼橡胶与CFRP结合设计了高阻尼复合材料传动轴,基于模态应变能法,利用数值分析研究了所设计的高阻尼复合材料传动轴、CFRP轴与金属轴的阻尼损耗因子,并通过自由振动试验验证了数值分析的结果。在船用传动轴系中易出现各类振动,本文搭建了船用传动轴系横向振动测试试验平台,比较了各组传动轴在不同工况下对横向振动的减振效果,并通过静态纵向振动试验研究了各组传动轴对纵向激励的响应差异。本研究对高阻尼复合材料传动轴的设计研发提供了参考。

BFRP条带-PVC管材复合加固纤维再生混凝土短柱轴压性能

徐冬梅, 刘华新, 李艳

2024, 0(6): 95-105. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.012

摘要 ( 29 )

PDF (13140KB) ( 4 )

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为了研究BFRP条带-PVC管材复合加固纤维再生混凝土短柱的轴心抗压性能,对13组再生混凝土短柱进行了轴压试验和理论分析。主要研究变量为BFRP条带层数(0层、1层、3层)、BFRP间距(25 mm、37.5 mm和50 mm)和加固方式(无侧向约束、BFRP条带加固和BFRP条带-PVC管材复合加固)。研究结果表明:BFRP条带-PVC管复合加固不仅可以提高试件的极限承载力,还可以改善纤维再生混凝土短柱的破坏形态。在应力-应变曲线的非线性强化阶段,加固方式对试件刚度的影响更为显著。随着BFRP包裹量的增加,试件的峰值应力和极限应变均明显增加。依据试验数据建立的软化段的应力-应变计算模型具有较好的适用性。

GFRP/Al叠层材料钻削力与制孔质量的实验研究

刘礼平, 刘斌, 李青, 彭志广, 朱学明

2024, 0(6): 106-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.013

摘要 ( 34 )

PDF (16417KB) ( 4 )

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复合材料与金属组成的叠层结构已在航空航天领域广泛使用,然而在复合材料/金属叠层结构上钻削高质量的孔仍是一个挑战。本文旨在研究钻削工艺参数对GFRP/Al叠层材料钻削轴向力和制孔表面质量的影响。使用普通硬质合金麻花钻对GFRP/Al叠层材料进行“一次性”钻孔,并通过Kistler测力仪测量钻削轴向力。结果表明,最大钻削轴向力随每转进给量增加几乎线性增加,随主轴转速增加小幅降低。钻削工艺参数影响铝合金和GFRP制孔表面质量,高每转进给量会降低铝合金制孔出口毛刺,但是会增加GFRP制孔出口损伤;高主轴转速会增加铝合金制孔出口毛刺和GFRP制孔出口损伤。与每转进给量相比,主轴转速对铝合金和GFRP制孔质量影响更大。

热塑性复合材料玻璃纤维环氧成膜剂的制备与性能研究

潘超超, 李鹏, 潘春呈, 侯勇, 张兆斌, 陆泽栋

2024, 0(6): 112-117. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.014

摘要 ( 31 )

PDF (3433KB) ( 47 )

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本文采用化学改性法,以环氧氯丙烷、共聚物P105、环氧树脂E-51和双酚A为原料,制备了一种水性环氧树脂乳液作为玻璃纤维成膜剂,研究了原料摩尔比、E-P105用量和乳化温度对乳液粒径和稳定性的影响。结果表明,当P105、ECH、NaOH摩尔比为1∶1.5∶1.2,环氧树脂与双酚A摩尔比为2.25∶1,E-P105质量份数为环氧树脂和双酚A质量的20%,乳化温度为60 ℃时,乳液粒径为0.387 μm,粒径分布均匀,具有良好的稳定性,经上浆处理后的玻璃纤维复合材料力学性能优异。

孔向和径向蜂窝梯度浸渍对比

张亚发, 刘文言, 刘辰旭, 赵智斌

2024, 0(6): 118-122. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.015

摘要 ( 34 )

PDF (3735KB) ( 15 )

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通过弓形法测试2~18 GHz电磁波孔向入射和径向入射炭黑分段梯度浸渍蜂窝的吸波性能,电磁波孔向入射炭黑涂料浸渍蜂窝吸波性能稳定,随着浸渍次数的增加,有阻抗匹配的最优浸渍次数,吸波性能优于径向入射蜂窝结构吸波性能。径向入射梯度浸渍蜂窝,由于蜂窝结构的各向异性,两个方向性能差异较大,蜂窝结构能增加电磁波在蜂窝腔体中的反射次数,随着浸渍次数增加,蜂窝结构的吸波性能先减弱后提升。同时,蜂窝高度对蜂窝性能有很大影响,增加孔向入射最后段浸渍蜂窝高度,整体蜂窝高度增加,蜂窝整体的吸波性能提升,阻抗匹配效果变好,此时增加各段阶梯浸渍次数,有最优的浸渍次数,阻抗匹配效果最好,吸波性能最佳。蜂窝结构被广泛应用于军事电磁隐身,梯度浸渍能有效提升阻抗匹配效果,径向梯度浸渍蜂窝应对电磁波大角度入射有很大的发展前景。

风电叶片用拉挤板应用现状及发展趋势

徐强, 张曦月, 黄辉秀, 王志伟, 刘传瑞

2024, 0(6): 123-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.016

摘要 ( 42 )

PDF (4637KB) ( 123 )

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本文介绍了风电叶片用拉挤板的国内外研究发展历程及现状,共涉及五种不同材料体系的拉挤板,分别为碳纤维拉挤板、玻纤拉挤板、碳玻混拉挤板、免脱模布拉挤板及聚氨酯拉挤板。分析了拉挤板相比较于传统的真空灌注、预浸料复合材料的应用优势和面临的挑战。结合目前应用现状,针对各种材料体系的拉挤板分别提出了未来重点关注方向和发展趋势:玻纤拉挤板因其低成本的优势,在未来陆上风电叶片中仍会占据主流,并将向更高模量及更低成本的方向发展;随着海上风电的发展及碳丝国产化进程加速,碳纤维拉挤板将会有更广阔的应用前景;碳玻混拉挤板、免脱模布拉挤板及聚氨酯体系拉挤板减重或降本优势明显,但仍需进一步开展应用研究。

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