复合材料科学与工程

梁娜, 朱四荣, 陈建中

2017, 0(7): 5-9.

摘要 ( 84 )

PDF (902KB) ( 138 )

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玻璃纤维增强塑料(GFRP)管道规范标准要求试样失效时间达到10000 h以上,且至少18个数据量才能用于预测期望寿命50年的力学性能值。基于回归优化理论,提出了GFRP管道力学长期性能短时预测的1-4-4组合最优方案。按照规范标准进行了GFRP管长期环弯曲应变S_b的实验测得数据,运用提出短时预测方法和标准方法,分别建立双对数回归模型,预测GFRP管50年S_b值。结果表明,仅含9个数据量的最优方案的预测值与标准方法相比,相对误差均不超过5.24%,说明了该短时预测最优方案的有效性。

碳玻混编单向复合材料的性能分析

关晓方, 贾智源

2017, 0(7): 10-15.

摘要 ( 99 )

PDF (1984KB) ( 190 )

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采用碳纤维质量含量分别为7.4%、10.7%、13.8%的三种碳玻层间混编单向织物制备了纤维增强环氧树脂复合材料,分析了该类材料的力学性能与工艺性能。结果表明:碳玻层间混编复合材料的0°拉伸模量和0°压缩模量均随碳纤维含量的提高而升高,掺入碳纤维后碳玻混杂复合材料的0°拉伸强度比纯玻纤复合材料的有所降低,但随碳纤维含量的增加而升高,碳玻层间混编复合材料的0°压缩强度则没有明显的变化规律;掺入碳纤维后,碳玻层间混编复合材料的90°拉伸强度和模量均有所下降;低碳纤维含量的碳玻层间混编单向织物具有良好的Z向渗透性能。该类新材料未来有望在风电叶片结构减重和成本优化上发挥重要作用。

吸胶膜对复合材料构件固化过程中树脂流动行为的影响

贺继林, 王小飞, 蒙元明

2017, 0(7): 16-21.

摘要 ( 113 )

PDF (1240KB) ( 154 )

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热固性树脂基复合材料构件成型过程中的树脂流动行为决定了其最终成型后的纤维体积分布情况,严重影响构件的最终成型质量。而吸胶膜作为预浸料中的多余树脂流出构件后的吸收载体,其材料特性对树脂的流动过程起主导作用。以吸胶膜为关注重点,基于AS4/3501-6复合材料体系,建立了厚截面复合材料构件在热压罐中固化压实的仿真模型,模型包括了固化反应、热传导和紧密压实三个模块。模型与实验中构件的压实情况对比,验证模型的可行性。通过模型计算结果研究了吸胶膜的孔隙率、渗透率及厚度等关键参数在压力、温度等工艺条件的协同作用下对树脂流动行为的影响规律。结果表明:吸胶膜的孔隙率和厚度作为吸收树脂载体的空间度量,对构件的最终压实厚度起主要作用;吸胶膜的渗透率通过树脂流动速度影响固化压实过程,渗透率过小时,构件的压实厚度明显减小。

碳纳米管定向排列增强碳纤维/环氧树脂复合材料制备及力学性能

董怀斌, 李长青, 任攀, 张威威

2017, 0(7): 22-28.

摘要 ( 142 )

PDF (5388KB) ( 193 )

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采用高频电场诱导法制备了碳纳米管定向有序填充的碳纤维/环氧树脂复合材料。研究了电场频率对复合材料力学性能的影响规律,对复合材料的显微形貌进行观察。结果表明:在富树脂区碳纳米管沿着电场方向存在明显的有序排列现象;高频电场诱导后复合材料的层间剪切强度最大提高28.9%,压缩强度提高28.83%,弯曲强度提升15.01%,断口粗糙度增加,树脂与碳纤维的界面结合状态改善。

GFRP筋混凝土板正截面抗弯承载力研究

王国强, 孙理想

2017, 0(7): 29-34.

摘要 ( 113 )

PDF (1012KB) ( 123 )

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为了研究GFRP筋混凝土板的正截面抗弯承载力,基于平截面假定、内力平衡条件以及变形协调条件,对GFRP筋混凝土板在适筋及适量超筋两种配筋设计情形下的正截面抗弯承载力计算公式进行了推导,通过8组具有不同配筋率与混凝土强度等级的GFRP筋混凝土板抗弯承载力试验,对推导的计算公式进行了验证,同时研究了构件抗弯承载力与配筋率、混凝土强度等级之间的变化关系。结果表明:试验得到的极限承载力与公式计算的理论承载力数据吻合较好,可以较准确地反映GFRP筋混凝土板抗弯承载力的计算过程;适量超筋设计构件破坏形式表现为以受压区混凝土被压碎为标志的塑性破坏,这种设计方式更有利于提高GFRP筋混凝土板的安全性能;同时为了保证混凝土板达到极限承载力时受拉区GFRP筋不被拉断,建议设计配筋率取1.4倍的平衡配筋率;随着GFRP筋混凝土板配筋率的增加,构件承载力系数逐渐增大,安全储备也逐渐提高;GFRP筋混凝土板的抗弯承载力随着配筋率与混凝土强度的增加而逐渐增大。

缝合工艺对复合材料面内力学性能影响实验研究

王芳芳, 张方超, 吴晓青

2017, 0(7): 35-39.

摘要 ( 118 )

PDF (1061KB) ( 128 )

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研究了不同缝合密度和不同缝线粗细对碳纤维八枚五飞经面缎缝合复合材料面内力学性能的影响,并结合显微镜观察测量因缝线植入导致面内纤维弯曲,分析了面内纤维弯曲与力学性能的相关性。结果表明,缝合对层板面内性能有一定的影响,随着缝合密度变密和缝线变粗,面内力学性能整体呈下降趋势,且降低幅度均增大。显微镜分析表明,用纤维弯曲幅度和角度表征面内纤维弯曲,面内纤维是影响缝合层板力学性能的主要因素。在相同缝线下,随着缝合密度变密,面内纤维弯曲幅度几乎不变,而弯曲角度先增大后减小,力学性能整体呈降低趋势;在相同缝合密度下,随着缝线变粗,纤维弯曲幅度和角度均增大,强度降低趋势与面内纤维弯曲幅度和角度有很强的相关性,其二次函数相关系数在0.89～0.97之间。

复合材料螺栓连接渐近失效分析

梅俊杰, 倪爱清, 王继辉

2017, 0(7): 40-44.

摘要 ( 138 )

PDF (1405KB) ( 172 )

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为了研究预紧力和摩擦系数对复合材料螺栓连接强度的混合影响及其机理,使用ANSYS软件建立了复合材料层合板单钉连接的三维有限元模型。采用渗透接触法来模拟螺栓的预紧力,考虑各组件之间的接触摩擦和结构二次弯曲的影响,使用改进后的三维Hashin失效准则和Camanho退化模型,对复合材料单钉连接进行渐进失效分析。数值模拟结果与文献中的实验结果吻合良好。分析结果表明,增大接触面的摩擦系数和施加合适的预紧力均能提高接头强度。摩擦系数小时,通过增加预紧力来提高接头强度的效果不明显,反而使复合材料容易发生基体开裂。在施加预紧力的同时应综合考虑摩擦系数的大小。

衬经结构对角联锁机织复合材料拉伸力学性能的影响

冯古雨, 钱坤, 曹海建, 俞科静

2017, 0(7): 45-48.

摘要 ( 98 )

PDF (1149KB) ( 147 )

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以2400 tex无捻玻璃纤维粗纱为原料,设计并织制了两种不同结构的三维角联锁机织预制体。以环氧树脂E51及固化剂聚醚胺WHR-H023充分混合作为树脂基体,通过真空辅助成型工艺进行复合成型。对制备出的复合材料拉伸性能进行测试,探究两种结构的力学性能差异并分析其原因。结果表明:相同工艺下,含有衬经结构的预制体制备出的复合材料纤维体积分数略高于无衬经结构的复合材料;含衬经结构的复合材料在经纬向拉伸、弯曲破坏强度、拉伸弹性模量均相对较大;不含衬经结构的复合材料在经纬向均表现出更好的韧性。

碱侵蚀对玄武岩纤维沥青性能影响改善研究

李理, 刘朝晖, 柳力, 李盛

2017, 0(7): 49-54.

摘要 ( 52 )

PDF (11244KB) ( 114 )

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为增强玄武岩纤维(BF)在沥青中的加筋及增强效果,采用1.0 mol/L及2.5 mol/L的NaOH溶液对BF进行表面处理,通过环境扫描电镜和红外光光谱试验对其表面细观形貌进行了细观观测,原样BF表面光滑,NaOH处理后的BF呈现明显的皮芯结构,且随着NaOH的浓度及处理时间的增加,BF的羟基含量越高;通过软化点、5 ℃延度、车辙因子及环境扫描电镜试验等,研究了玄武岩纤维沥青的高、低温性能及拉拔断口形貌,随着BF的侵蚀程度越大,玄武岩纤维沥青性能越好,且得到了NaOH对BF侵蚀的最佳处理时间和浓度分别为45 min、2.5 mol/L。

GFRP-微珠泡沫组合柱轴压试验研究

何文涛, 王俊, 刘伟庆, 李梦婷

2017, 0(7): 55-59.

摘要 ( 108 )

PDF (1074KB) ( 119 )

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通过对2根微珠泡沫柱以及7根玻璃纤维(GFRP)-微珠泡沫组合柱进行轴向压缩试验研究,探讨了各类柱的破坏形态、荷载-位移曲线以及吸能特性,并分析了GFRP纤维包裹层数、微珠泡沫芯材密度以及纤维纵横向铺层比例对试件受力特征的影响。结果表明,GFRP包裹层的使用使得柱的破坏呈现出典型的三阶段破坏,改变了无包裹柱45°断裂破坏模式。GFRP层数、微珠泡沫密度以及包裹层横向纤维比例的增加,均使得构件的承载力、总吸能以及比吸能得到了提高。当纤维铺层从0层增加到2层和4层时,其极限承载力分别提高了71.02%和86.04%,吸收的能量也得到明显提高。行程利用率仅在微珠泡沫密度发生改变时有明显变化——随着密度的增加,行程利用率减小。

复合材料补片尺寸和形状对铝板修补结构lamb波传播影响

纪志星, 李成, 铁瑛, 赵竹君

2017, 0(7): 60-64.

摘要 ( 78 )

PDF (1323KB) ( 153 )

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借助于ANSYS软件建立包含铝板、复合材料层合板补片、胶层和压电陶瓷片(PZT)的压电和逆压电效应的模型,实现在结构中激励和接收lamb波信号,并以试验验证模型的正确性。利用损伤对结构中lamb波传播特性的影响,对复合材料补片修补后的金属损伤结构的损伤检测进行数值模拟研究,研究不同补片尺寸及形状修补8 mm孔对lamb波损伤检测的影响。结果表明,圆形、方形、菱形补片的仿真模拟结果显示不同的形状对A₀和S₀波包的影响差异较大,不同尺寸的菱形补片也对A₀和S₀波包有较大差异。

整体式碳纤维复合材料纯电动汽车上车体结构件研制

杨宇威, 田宇黎, 刘肖杏, 王盛琪

2017, 0(7): 65-69.

摘要 ( 91 )

PDF (3328KB) ( 171 )

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依托某全新开发的纯电动车型,开展碳纤维复合材料上车体结构设计及验证;根据原上车体设计的性能要求及碳纤维复合材料的材料和成型工艺特性进行结构设计,CAE分析验证,零部件及整车验证,成功试制碳纤维复合材料上车体并应用于整车。研究结果表明,碳纤维复合材料经合理的结构设计更适合作为结构件在汽车领域中予以应用,并具有显著轻量化效果,在汽车尤其是纯电动轿车领域具有发展前景。

Nomex蜂窝夹层复合材料的成型工艺研究

陈蔚, 成理, 叶宏军, 陈静

2017, 0(7): 70-73.

摘要 ( 137 )

PDF (3252KB) ( 300 )

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针对Nomex蜂窝填充双马树脂基复合材料夹层结构在固化成型过程中易出现的蜂窝芯边缘塌陷问题进行研究。通过采用不同的成型工艺方法,以及对共固化工艺参数进行调整,研制出相应的双马来酰亚胺树脂基碳纤维/蜂窝夹层结构层板,并且对夹层结构的力学性能、内部质量以及平面拉伸性能进行测试。在此基础上分析了成型压力参数对夹层结构质量的影响。相关工艺试验表明蜂窝芯塌陷的原因主要是固化过程中蜂窝芯边缘的滑移引起的蜂窝局部失稳,通过采取分步成型、蜂窝先胶接后修型的方法能够有效地解决Nomex蜂窝夹层结构填充双马树脂基复合材料结构成型过程中的蜂窝芯塌陷问题。

夹层结构预埋玻璃纤维板拉脱强度研究

娄程飞, 张金奎, 张伟

2017, 0(7): 74-76.

摘要 ( 91 )

PDF (1048KB) ( 265 )

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夹层结构在飞机复合材料结构中大量使用,其连接处力学性能影响飞机结构的完整性。采用玻璃纤维板G10-t0.25"预埋于碳纤维材料面板纸窝芯的夹层结构中,针对20 mm、30 mm、40 mm等不同预埋件直径,开展拉脱试验。试验结果表明:较典型金属后埋件结构,拉脱载荷有较大提高,随着预埋件直径的增加,拉脱载荷不断增加;当预埋件直径大于30 mm后,预埋件直径的增加对拉脱载荷的提高影响不大。

改性剂对废弃玻璃钢/聚丙烯复合材料性能的影响

张素风, 刘媛, 修慧娟

2017, 0(7): 77-81.

摘要 ( 91 )

PDF (4311KB) ( 128 )

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实验采用熔融共混-模压法制备了废弃玻璃钢(WGFRP)/聚丙烯(PP)复合材料。研究了硅烷偶联剂KH550表面改性WGFRP、改性聚丙烯(MAPP)添加量以及乙烯-辛烯共聚物(POE)的使用对WGFRP/PP复合材料性能的影响。实验结果表明,KH-550表面改性WGFRP能使复合材料性能小幅度提高,MAPP可使复合材料的拉伸和弯曲强度分别提高28.63%、20.13%,添加POE后,复合材料的断裂伸长率和冲击强度增幅分别达到152.36%、45.43%。扫描电镜图片显示,多种改性剂的加入有效改善了WGFRP和PP的界面粘合程度,宏观表现为复合材料性能提高。

复合材料工型肋的RTM工艺模拟与优化

陈吉平, 苏佳智, 韩小勇, 郑义珠

2017, 0(7): 82-87.

摘要 ( 90 )

PDF (5034KB) ( 177 )

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采用PAM-RTM模拟软件,对变截面工型肋结构零件进行RTM工艺注射方案设计。过程中,分别进行了6种注射方案的结果模拟,从注射方式、注射参数及注射口选择等方面进行方案设计,对注射过程中的压力分布、树脂浸润效果及注射时间进行比较,根据比较结果进行综合评定,最终得出了最优注射方案,并将结果用以指导工装设计,成型了验证零件。结果表明:采用计算模拟技术,可替代人工试验,进行工艺及工装方案设计与制造;工型肋的摆放位置对树脂的浸润趋势和注射时间影响较小,但注射口和注射方式选择对工型肋零件的影响很大,线注射方式及端部注射的浸润效果和效率要好于点注射及梢部注射。

机载碳纤维雷达反射面天线的研制

张建柯, 许磊, 石伟

2017, 0(7): 88-91.

摘要 ( 131 )

PDF (2541KB) ( 197 )

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简述了某型号雷达反射面天线的结构特点,并从材料选择、模具设计、天线结构优化和成型工艺等方面对天线成型进行了研究和讨论。采用热补偿方法对模具成型面进行了修补,利用正交试验设计对天线固化参数进行了优化。结果表明,天线厚度误差控制在±0.05 mm内,天线型面均方根差(RMSE)≤0.1 mm,天线副瓣电平为-30 db(34.468 GHz),结构、电气性能指标满足设计要求。

FRP筋高韧性纤维混凝土复合结构抗震性能研究进展

江世永, 陶帅, 李雪阳

2017, 0(7): 92-99.

摘要 ( 129 )

PDF (1184KB) ( 245 )

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高韧性纤维混凝土(ECC)具有优异的韧性、卓越的耗散能力及裂缝无害化分布的特点,在结构抗震中有极其优良的性能;FRP筋强度高,耐腐蚀性好。当两者结合起来使用时不仅克服了普通混凝土的不足,还能满足结构耐久性和特殊性能的要求。介绍了FRP筋与ECC之间的粘结工作机制,及其组成构件和结构的抗震性能。国内外研究表明,在抗震结构中使用FRP筋ECC构件,可以减少残余变形,提供相对大的弹性变形的能力。最后简要概述了针对FRP筋ECC复合结构抗震性能评价的综合性能指标法,提出了还需进一步研究完善的方向。

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