复合材料科学与工程

贾文品, 周金利, 余木火, 韩克清

2017, 0(3): 5-10.

摘要 ( 149 )

PDF (4050KB) ( 287 )

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环氧树脂是高性能纤维增强复合材料中应用最广泛的热固性基体树脂之一,但是环氧树脂固化后交联密度高、内应力大、质脆、耐疲劳性与耐冲击性差等不足在很大程度上限制了它在一些高技术领域的应用。利用聚醚砜(PES)对环氧树脂(E51)进行增韧改性,利用热熔法制备不同PES含量的PES/E51体系,加入E100固化剂制备成浇注体。利用热台偏光显微镜观察PES在E51中的溶解情况,采用拉伸、冲击等力学性能评价不同PES含量PES/E51/DETD浇注体的力学性能,利用热台偏光显微镜研究体系的相分离过程,采用扫描电子显微镜(SEM)观察固化后树脂体系的相分离情况。结果表明,PES与E51树脂具有良好的相容性,PES的加入可有效改善固化树脂的力学性能,相对于未固化环氧树脂,加入15wt% PES的浇注体拉伸强度和冲击强度分别提高了1.3倍和2倍,并且浇注体固化过程中出现相分离现象,15wt% PES的浇注体出现双连续相结构,使得力学性能表现出最优化。

三维编织压电陶瓷基复合材料有效电弹性性能有限元分析

马宵, 魏高峰

2017, 0(3): 11-16.

摘要 ( 90 )

PDF (1298KB) ( 137 )

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基于三维编织预制件的细观结构,建立了三维编织压电陶瓷基复合材料位移-电耦合场有限元模型,利用电弹性场体积平均思想和有限元方法研究了周期分布三维编织压电陶瓷基复合材料的有效电弹性性能。通过对代表性体积单元施加位移载荷和电载荷边界条件,预测了不同纤维体积分数下三维编织压电陶瓷基复合材料的有效弹性常数、压电常数和介电常数。计算结果表明,三维编织压电陶瓷基复合材料可显著改善压电陶瓷的整体力学性能,且保持了较好的电学性能。

碳纤维复合材料曲梁冲击后四点弯曲强度及损伤失效模式研究

马丽婷, 陈新文, 王翔, 郭广平

2017, 0(3): 17-20.

摘要 ( 126 )

PDF (2914KB) ( 162 )

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通过四点弯曲试验和落锤冲击试验,研究了复合材料层合曲梁冲击前后四点弯曲强度及其破坏模式。不仅通过超声C扫描分析了不同内径复合材料层合曲梁试件冲击后的损伤特征,而且分析了冲击损伤对层合曲梁强度及层间最大应力的影响;同时,通过数字散斑相关方法得到复合材料层合曲梁在四点弯曲载荷作用下的变形场以及失效模式。研究结果将为复合材料层合曲梁在飞行器结构中的应用提供有价值的实验依据。

玻璃纤维增强塑料夹砂管涵疲劳性能试验研究

石华旺, 魏连雨, 陈兆南, 张国盘

2017, 0(3): 21-24.

摘要 ( 115 )

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模拟涵洞受力状态下的玻璃钢夹砂管进行室内疲劳试验,试验研究表明,玻璃钢夹砂管管涵经250万次疲劳加载后,承载力和环刚度降低不显著,没有发生分层开裂和脆断,完全符合公路涵洞实际应用要求。在室内疲劳试验基础上,提出了符合公路规范的玻璃钢夹砂管疲劳寿命的预测公式,并分析了影响玻璃钢夹砂管疲劳性能的因素,为玻璃钢夹砂管在公路涵洞推广使用中的耐久性设计提供了可靠的分析基础。

基于加速试验方法的复合材料长期寿命预测

康军, 陈永强, 陈尚, 穆星科

2017, 0(3): 25-30.

摘要 ( 124 )

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将跨尺度失效理论(Micro-Mechanics of Failure,简称“MMF”)、加速试验方法(Accelerated Testing Methodology,简称“ATM”)和渐进损伤分析(Progressive Damage Analysis,简称“PDA”)三种方法相结合,提出了一种可以预测复合材料长期寿命和失效过程的分析方法。对MMF失效准则进行改进,区分了基体拉伸和压缩细观失效模式。建立了MMF/ATM/PDA方法有限元计算流程,并在ABAQUS中使用用户自定义材料(UMAT)实现。通过对不同温度下复合材料纵向和横向单向板的拉伸、压缩试验测得静载和疲劳寿命,得到复合材料MMF/ATM细观临界值。采用MMF/ATM/PDA方法对准各向同性开孔板压缩长期寿命进行了预测,并对破坏过程进行了模拟,分析了纤维和基体的失效过程。试验结果和预测结果吻合良好,验证了方法的合理性。

基于FBG传感器的CF/GF混杂复合材料界面变形研究

祝奇枫, 张盛, 王继辉, 李书欣

2017, 0(3): 31-35.

摘要 ( 85 )

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利用FBG传感器对采用真空导入模塑工艺制作的CF/GF(Carbon Fiber/Glass Fiber)混杂复合材料在固化成型过程中以及成型后的界面性能进行了检测,此外,为了对比研究混杂复合材料的性能,还检测了CF/CF层和GF/GF层在成型和成型后的应变变化。结果显示:GF/GF、GF/CF和CF/CF复合材料的应变与温度之间存在良好的线性关系,且热膨胀系数的大小顺序为GF/GF层>GF/CF层>CF/CF层;FBG传感器监测CF/GF混杂复合材料热膨胀系数的转折温度与基体树脂的T_g值(79.09 ℃)相吻合;CF/GF混杂复合材料在20~120 ℃范围内升温、降温过程中未发生界面破坏。

CFRP-PCPs复合筋混凝土柱偏压柱受力性能的试验研究

钟卿瑜, 张鹏, 陈华, 康侃

2017, 0(3): 36-43.

摘要 ( 106 )

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通过15根碳纤维预应力棱柱体复合筋(Carbon Fiber Reinforced Plastics Prestressed Concrete Prisms,简称“CFRP-PCPs复合筋”)混凝土柱进行偏心受压试验,考虑相对偏心距、复合筋配筋率、CFRP筋张拉控制应力和普通钢筋配筋率4个变化参数对复合筋混凝土柱受力性能的影响。观察了试件的受力过程及破坏形态,获取了试件开裂荷载、极限承载力、荷载-侧向变形曲线等重要数据,分析了4个变化参数对CFRP-PCPs复合筋混凝土柱偏心受压作用下的开裂荷载和极限承载力的影响规律。研究结果表明:CFRP-PCPs复合筋混凝土偏压柱与普通钢筋混凝土偏压柱的受力过程及破坏形态相似,试件的开裂荷载和极限承载力均随相对偏心距的增大而降低;提高CFRP筋张拉控制应力、增大复合筋配筋率和普通钢筋配筋率均能有效提高CFRP-PCPs复合筋混凝土柱的开裂荷载和极限承载力。

格构腹板增强轻木夹芯复合材料桥面板的制备与受弯分析

邹芳, 方海, 齐玉军, 刘伟庆

2017, 0(3): 44-48.

摘要 ( 98 )

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提出了一种新型格构腹板增强轻木夹芯复合材料桥面板,这种面板具有轻质高强、耐腐蚀、易拼装等特点,可用于军事舟桥等组合结构桥梁领域。该新型桥面板的复合材料面层、格构腹板与芯材在模具内通过真空导入工艺整体一次成型,利用格构腹板提高面层与芯材的整体性,可更大程度地发挥新型桥面板的受力性能。基于复合材料夹层结构经典理论,对该桥面板在典型轮式车辆和履带式车辆荷载作用下的性能进行了受力分析。结果表明:该桥面板的刚度满足设计要求;纤维面层正应力和轻木芯材剪应力均满足强度要求;与原同尺寸军用桥面板相比,减重57%。

EPP泡沫填充对铝蜂窝压缩性能的影响研究

刘强, 陈航

2017, 0(3): 49-52.

摘要 ( 118 )

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采用准静态轴向压缩实验和有限元仿真相结合的方法,对EPP泡沫(聚丙烯塑料发泡材料)填充对铝蜂窝结构压缩性能的影响开展了研究。实验发现,相对空铝蜂窝,EPP泡沫填充铝蜂窝结构的峰值力、平均抗压强度和吸收能量分别提高了1.9%~43.33%、46.59%~179.53%和46.26%~179.04%。并且相对空铝蜂窝与单独EPP泡沫之和,泡沫填充结构的平均抗压强度和总吸能分别提高了2%~23.5%和3.9%~23.3%。此外,采用Ls-dyna软件对EPP泡沫填充铝蜂窝的破坏过程进行了仿真,发现EPP泡沫填充可以有效抵抗蜂窝壁变形,并且获得了与实验较吻合的破坏过程和位移曲线。研究表明,利用EPP泡沫填充铝蜂窝,能有效改善铝蜂窝结构的轴向压缩性能。

微波固化成型三维中空复合材料结构的力学性能

袁铁军, 周来水, 郑伟峰, 安鲁陵

2017, 0(3): 53-59.

摘要 ( 96 )

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为了改善三维中空复合材料结构微波固化成型的固化均匀性,提出了添加外部导热附加模具和内部微波吸收剂两种不同的方法。通过试验研究了附加模具的材料、厚度以及微波吸收剂种类和含量对三维中空复合材料结构力学性能的影响。结果表明,结构的平压失效模式包括芯柱失稳和压溃,剪切失效模式为芯材剪切失效和界面脱粘,短梁弯曲的失效模式为面板/芯材界面的脱粘后屈曲破坏。相比于未添加附加模具,AlN和Al₂O₃陶瓷均可以提高结构的力学性能,但AlN的增强效果更显著。AlN模具厚度的增加不利于结构的力学性能,模具厚度从0.5 mm增加到1.5 mm时,结构的平压、剪切和芯材剪切强度均随之降低。微波吸收剂的添加均可提高中空结构的力学性能,其中剪切和芯材剪切强度随着石墨含量的增加而增加,平压强度随着石墨含量的增加先增加后降低,而Fe₃O₄含量变化则对结构力学性能的影响不显著。

自动纤维铺丝机的设计与实验研究

曹忠亮, 韩振宇, 富宏亚

2017, 0(3): 60-63.

摘要 ( 111 )

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自动纤维铺丝是一种非常重要的复合材料自动化成型方法。提出了一种新型的纤维铺丝机的总体机构和控制系统方案,利用气缸为执行元件带动切刀和压辊,实现纤维的剪切和夹紧,构建以直线位移传感器为反馈元件的新型张力控制系统,同时设计一种基于主流的工控机(IPC)+运动控制器(UMAC)相结合的开放式控制系统方案,最后进行相关的铺丝实验。运行结果表明,各轴运动情况良好,控制系统整体运行稳定,各模块设计合理,达到了预期效果。

CFRP旋刨刀具钻孔的可行性实验研究

聂晓菊, 孙会来, 刘雪梅, 赵方方

2017, 0(3): 64-69.

摘要 ( 124 )

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CFRP是典型的难加工材料,特别是钻削直径d≥8 mm的孔。探究性设计了一种新型钻削CFRP的旋刨刀具,基于对旋刨刀刀具、麻花钻、套料钻进行的钻削实验,在不同的主轴转速和进给速度下,得到三种刀具轴向力的大小,然后利用MATLAB分别拟合出三种刀具的经验公式,并分析对比不同的转速和进给速度下轴向力对三种刀具的影响。结果表明旋刨刀刀具对CFRP制孔效果更优。

捻子条填充量对T型件成型质量的影响

邹靖, 湛利华, 张泳安, 曾理然

2017, 0(3): 70-75.

摘要 ( 94 )

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加筋结构被广泛应用于大型复合材料承力构件,而加筋结构三角空隙必须使用捻子条进行填充,捻子条的填充效果会显著影响加筋结构的成型质量。为优化捻子条填充量计算公式,提高加筋结构成型质量,分别在三种拐角曲率半径的T型件中填充不同体积的捻子条,并通过对T型件R区微观结构进行分析,探索了不同捻子条填充体积对T型件R区成型质量的影响。结果表明:当捻子条体积远小于理论填充体积时,R区与腹板结合处容易产生分散孔隙,并且在捻子条与蒙皮结合区域产生较为严重的分层;而当捻子条体积大于三角空隙体积时,R区的孔隙和分层缺陷得到显著改善,但捻子条填充量过大会使蒙皮壁板出现纤维褶皱和下沉等缺陷;并依据实验分析结果确定捻子条填充量修正系数为0.9,最终得到捻子条填充体积公式:V=0.9(R+nh)2(2-π/2)L。

基体性能对芳纶Ⅲ纤维复合材料力学性能的影响

李明明, 严文聪, 王晓洁

2017, 0(3): 76-80.

摘要 ( 112 )

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设计了三种环氧树脂基体,研究了基体性能对芳纶Ⅲ纤维复合材料力学性能的影响,对比分析了不同韧性的两种复合材料层间剪切破坏过程的声发射特性参数。结果表明:设计的R1、R2、R3三种树脂基体其韧性为R1＞R2＞R3;芳纶Ⅲ纤维复合材料层间剪切强度分别为49 MPa、44.8 MPa、40.1 MPa,层间剪切性能随树脂基体韧性的增加而增大;声发射实验表明,基体韧性增加,复合材料急剧损伤得到延迟,声发射事件数明显减少。

一种低粘度双马树脂及其复合材料的性能研究

李亚龙, 何思敏, 文友谊, 罗辑

2017, 0(3): 81-85.

摘要 ( 99 )

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对一种适用于RTM工艺的低粘度双马树脂QY8911-Ⅳ进行了研究,考察了树脂体系的粘度特性和固化特性,并对不同后固化温度下的树脂固化物的耐热性、力学性能及吸水性等进行了全面考察。结果表明,该树脂体系具有粘度低(80 ℃为200 mPa·s)、固化收缩小(1%)、耐热性好(T_g为260 ℃)、力学性能好(弯曲强度为170 MPa、冲击强度为20 kJ/m²)和吸水率低(0.39%)等特点。选择合适的注射工艺和固化工艺,以此树脂为基体,采用RTM工艺,制备出了碳布增强的复合材料,并对其力学性能进行了测试,其弯曲强度和冲击强度分别为754 MPa和110.9 kJ/m²。

燃气流作用时间对玻璃钢层间剪切强度的影响

胡黎明, 杨娇萍, 党海燕, 张志勇

2017, 0(3): 86-89.

摘要 ( 59 )

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研究了不同燃气流作用时间对玻璃钢层间剪切强度的影响。研究结果表明:随着燃气流作用时间的延长,玻璃钢表面碳化失效层数呈增加趋势;未烧蚀部分复合材料层间剪切强度虽有降低,但是降低幅度不大,说明表面的玻璃布层碳化失效对深层复合材料层间剪切强度影响不大;烧蚀后复合材料断裂模式由韧性转变为脆性。该研究结果为玻璃钢在燃气流环境中的应用提供了重要的数据支撑。

非热压罐预浸料制备及成型工艺研究

陈帅金, 徐辰, 吴国庆, 李国明

2017, 0(3): 90-95.

摘要 ( 152 )

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采用单面胶膜浸渍的方法制备非热压罐(Out of Autoclave,以下简称“OoA”)预浸料。采用三种方法测定预浸料的浸渍度,通过预浸料的细观形貌、层压板孔隙率及力学性能,系统地分析了浸渍度对碳纤维增强复合材料(CFRP)质量的影响,22%的浸渍度时性能最优。与OoA预浸料相匹配的固化工艺至关重要,通过无损检测、孔隙率、微观结构及力学性能对比分析,120 ℃/2 h作为第一阶段的固化工艺最适合,同时层压板热性能、力学性能与热压罐相媲美。

玻璃纤维增强尼龙66改性研究进展

李跃文

2017, 0(3): 96-100.

摘要 ( 131 )

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阐述了玻璃纤维增强尼龙66在增韧改性、阻燃改性、耐溶剂改性、耐磨改性、界面改性、复合改性和制备工艺改进等方面的研究进展。指出玻璃纤维增强尼龙66目前常用的增韧方法是与弹性体和高韧性聚烯烃共混,而阻燃改性的有效手段是添加微胶囊化红磷和P-N型阻燃剂。

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