复合材料科学与工程

陈继业,方海,庄勇,刘伟庆

2017, 0(10): 5-10.

摘要 ( 74 )

PDF (1107KB) ( 225 )

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复合材料夹层结构具有比强度高、比刚度高、可设计性强、耐腐蚀等特点,以聚氨酯泡沫为芯材,以玻璃纤维增强复合材料为面板和格构腹板,采用真空导入成型工艺,制备双向格构腹板增强泡沫夹层复合材料梁。对无格构泡沫夹芯复合材料梁,不同腹板高度、腹板间距双向格构增强泡沫夹层复合材料梁进行三点弯曲试验,研究其破坏模式和机理。基于泡沫填充矩形蜂窝芯材的等效十字模型,预估试件的抗弯刚度和挠度,计算值与试验值吻合较好。

界面渗透率对厚复合材料层板流动-压实过程影响的数值分析

乔炎亮,张梅,张江涛,刘立胜,翟鹏程,张清杰

2017, 0(10): 11-16.

摘要 ( 86 )

PDF (2262KB) ( 224 )

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基于有效应力原理与达西渗流定律,建立了厚复合材料层板流动-压实过程的多场耦合有限元数值模型,通过与厚单向板试验结果的对比,验证了模型的正确性。建立了含界面层的厚正交层合板流动-压实计算模型,分析了垂直于层间界面方向的界面渗透率对正交层合板流动-压实过程的影响。通过与同等厚度单向板的分析结果对比表明,当不同方向铺层层间界面渗透率高时,厚正交层合板的流动-压实过程几乎与相同厚度单向板的流动-压实过程相同。但当层间界面的渗透率低时,会阻碍内部树脂的流动,导致正交层合板内部纤维体积含量提升慢,且越靠近内部,界面渗透率的影响越明显,最终在界面处纤维含量出现明显的跳跃分布。

异形微型碳纤维复合材料对混凝土力学性能的影响

戴慧平,陈秋飞,郭鹏宗,吴浩,周梦超,李果，张立成

2017, 0(10): 17-22.

摘要 ( 92 )

PDF (5179KB) ( 256 )

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通过轴心拉伸试验考察了棒状、片状(宽、窄)、波浪形这几种异形微型聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料对混凝土力学性能的影响。实验表明:碳纤维复合材料的加入可以有效、较大程度地提高混凝土的抗拉强度、强度和抗折强度。其中,与基准混凝土相比,异形微型碳纤维增强混凝土的抗拉强度最大可提高64%;增强混凝土的标号最大可从C40~C45级增加为C60级;随着复合材料比表面积和的增加,增强混凝土的强度和抗折强度最大可分别提高45.6%和50.6%;此外,在相同尺寸及比表面积下,波浪形碳纤维混凝土比片状碳纤维混凝土更难被折断。以上均证明PAN基碳纤维复合材料对混凝土有较好的增韧作用。

不同工艺碳纤维增强复合材料构件的力学性能

伍文艳,刘强,吴良军

2017, 0(10): 23-28.

摘要 ( 118 )

PDF (2548KB) ( 286 )

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针对碳纤维增强复合材料在电动汽车车身上的应用,分别采用手糊、真空袋压和模压三种成型工艺,设计制备了碳纤维增强复合材料层合板和双帽形管件两种实验样件。对样件进行了单向拉伸和三点弯曲试验,对构件的力学性能、表面质量、微观结构和破坏形式进行了比较,并分析了不同工艺性能存在差异的原因。研究表明:采用模压工艺成型的复合材料结构件气泡少,孔隙率小,表面质量最好;模压成型的层合板拉伸强度比手糊成型的提高了14.39%,管件弯曲强度比手糊成型管件提高了一倍,比真空袋压成型管件提高了47.58%。研究证实模压成型相对于手糊和真空袋压工艺,产品具有较优良的力学性能和一致性,较适合于电动汽车等轻量化结构的成型。

南昌大桥桥墩抗浮运管段撞击复合材料防撞系统结构设计

邓国良,邢永辉,华鹏,祝露,方海,韩娟

2017, 0(10): 29-33.

摘要 ( 99 )

PDF (2269KB) ( 253 )

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针对南昌红谷隧道管段浮运近桥处桥墩,途经南昌大桥的17#、18#桥墩在受到浮运管段撞击时,计算桥墩最危险截面处产生的内力。依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》,计算出桥墩能够抵抗的最大水平撞击力。应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA考虑撞击角度、设防水位的影响,建模分析浮运管段撞击桥墩时产生的撞击力,根据模拟结果评估桥墩的抗船撞能力。根据大桥所处水域特点及桥墩的抗船撞能力,设计了柔性复合材料防撞设施,数值模拟结果表明安装复合材料防撞系统后,桥墩受到的水平撞击力明显减少,从而有效保护桥墩结构的安全使用和免于浮运管段发生碰撞损伤。

纤维增强复合材料汽车保险杠防撞梁的轻量化研究

张海洋,莫富灏,肖志,李贝, 段书用

2017, 0(10): 34-40.

摘要 ( 133 )

PDF (2688KB) ( 422 )

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探讨了用于车身结构的两种常用纤维增强型复合材料——长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(LGFT)和连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)在汽车保险杠防撞梁上的轻量化应用。开展了LGFT和CFRP材料的制备及相关力学性能测试,基于实验与反求分析获取有限元仿真分析相关参数。以某车型铝制保险杠防撞梁为原型,采用LGFT及CFRP复合材料进行等刚度设计,综合分析了复合材料保险杠防撞梁相对于铝制防撞梁的耐撞性和轻量化性能。结果表明,在满足耐撞性能要求下,LGFT与CFRP防撞梁轻量化效果明显,相对于原铝制保险杠防撞梁质量分别减轻了11.2%和46.1%。因此,在等刚度设计条件下,纤维增强型复合材料能更好地实现汽车保险杠防撞梁的轻量化要求。

纳米Al₂O₃对含磷环氧树脂体系的性能影响

李道成,王钧,霍思奇,张斌

2017, 0(10): 41-45.

摘要 ( 129 )

PDF (3868KB) ( 231 )

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研究了以纳米Al₂O₃作为协同阻燃剂,对EP/DOPO和EP/HPCTP树脂固化物阻燃性能的影响。通过热重分析测试(TGA)、动态热机械分析测试(DMA)、氧指数测定(LOI)及垂直燃烧测试(UL-94)重点探讨了树脂固化物的耐热及阻燃性能。测试结果表明,含磷阻燃剂有助于提高环氧树脂固化物的阻燃性能,但会降低其玻璃化转变温度(T_g)。随着纳米Al₂O₃的加入,残炭率(800 ℃)、极限氧指数(LOI)得到进一步的提高,并且能够在一定程度上提升树脂固化物的玻璃化转变温度(T_g)和初始热裂解温度(T_5%)。

缝合增强泡沫夹芯结构复合材料力学性能研究

仇艳慧,徐庆林,尹昌平,张鉴炜,曾竟成

2017, 0(10): 46-52.

摘要 ( 107 )

PDF (1481KB) ( 267 )

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采用机械缝合设备连续制备了“X”型构型缝合增强泡沫夹芯结构预成型体,并采用真空导入模塑工艺(VIMP)整体成型了缝合增强泡沫夹芯结构复合材料。实验研究了面板纤维布层数、面板纤维布穿透缝合层数、缝合角度、缝合针距及纱线股数对缝合增强泡沫夹芯结构复合材料弯曲性能和平压性能的影响规律。实验结果表明:与未缝合结构相比,缝合结构在质量未明显增加的情况下,弯曲性能和压缩性能得到了显著提高,其弯曲刚度最大提高了4.66倍,破坏载荷最大提高了13.8倍;压缩强度和压缩模量最大分别提高了26.2倍和15.2倍。

褶皱对玻璃钢疲劳性能的影响

何成智,马小军,李阳阳,王小敏

2017, 0(10): 53-57.

摘要 ( 103 )

PDF (1275KB) ( 291 )

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风机叶片的主梁由于铺层较厚很容易产生褶皱,而褶皱会加剧叶片在运行中的疲劳破坏,大幅度降低叶片的使用寿命。通过制作不同类型的褶皱,系统地研究了不同褶皱高宽比、不同褶皱偏移角度、不同褶皱宽度比例对叶片主梁材料疲劳性能的影响。研究表明:随着褶皱高宽比的增加,玻璃钢的疲劳寿命下降得最为严重;同一褶皱条件下,偏移不同的角度对玻璃钢的疲劳寿命影响基本相同,在一定褶皱宽度比例范围内,疲劳寿命下降程度较低,超过一定比例疲劳寿命开始大幅度下降。

典型叶根褶皱对风电叶片强度影响的初步研究

高康,陶伟文,刘奇星,卜继玲

2017, 0(10): 58-61.

摘要 ( 91 )

PDF (2357KB) ( 234 )

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选取大型复合材料风电叶片叶根为研究对象,利用有限元方法,初步研究典型叶根褶皱对风电叶片强度的影响。首先建立含褶皱复合材料平板模型,探讨褶皱位置对构件强度的影响。选取某2 MW叶片,建立含褶皱叶根有限元模型,分析受压状态下,褶皱层数、宽度、高宽比等因素对风电叶片强度的影响。计算结果表明:构件越薄,靠近中间位置褶皱对叶片强度的影响越大;随着褶皱宽度、层数和高宽比的增加,叶片强度有不同程度的降低。研究所得到的初步结论为风电叶片褶皱类缺陷处理提供参考,并为进一步深入研究打下基础。

RTM成型工艺中纤维体积密度不均匀性对树脂流动的影响

詹东,杨睿,孙士勇

2017, 0(10): 62-67.

摘要 ( 65 )

PDF (5873KB) ( 265 )

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主要研究局部区域纤维体积密度改变对树脂流动前沿的影响。利用RTM-Worx模拟仿真软件,分析局部渗透率对流动前沿的变化及对填充该区域所用时间的影响规律。在模拟仿真的基础上,通过添加不同厚度垫片改变局部区域纤维体积密度,以对模拟仿真结果进行实验验证。仿真与实验结果表明:当局部纤维体积密度增大到一定值之后,该局部区域流动前沿出现包络现象,并且树脂填充该局部区域所用时间也开始急剧增加;当纤维体积密度继续增大时,该区域会出现树脂填充不完整的现象,最终导致制件出现干斑缺陷。

三维中空复合材料的电性能研究

戚洪强,周正亮,张守玉,赵大娟，陈同海

2017, 0(10): 68-71.

摘要 ( 113 )

PDF (1842KB) ( 229 )

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为研究三维中空复合材料电性能及力学性能,采用真空导流工艺制备了三种不同高度的三维中空复合材料,采用谐振腔法研究了三种复合材料的相对介电常数(ε_r)、损耗角正切值(tanδ),并测试了其在1~12 GHz频带下的透波性能,同时对三种复合材料的平压强度和平拉强度进行了研究测试。研究表明:三维中空复合材料随着厚度的增加,其相对介电常数和损耗角正切值不断减小,5 mm、6 mm和8 mm三维中空复合材料的相对介电常数分别为1.93、1.77和1.62,损耗角正切值分别为0.0083、0.0078和0.0065;透波测试表明,在1~12 GHz频带下,三种材料的透波性能均小于0.2 dB;并且三维中空复合材料平压强度和平拉强度随织物高度的增加而降低,5 mm、6 mm和8 mm试样平压强度分别为5.8 MPa、4.6 MPa和3.8 MPa,平拉强度分别为7.8 MPa、6.4 MPa和5.2 MPa。以上研究说明三维中空复合材料具有优异的电性能和力学性能。

吸水对连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能影响的研究

谭艺蓓,倪爱清,陈宏达,王继辉

2017, 0(10): 72-78.

摘要 ( 137 )

PDF (4886KB) ( 247 )

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采用连续玻璃纤维增强聚丙烯(PP)预浸布制备复合材料层压板,通过人工加速老化的方法,对不同铺层的连续玻璃纤维增强PP复合材料进行常温、60 ℃、80 ℃的海水浸泡实验,研究连续玻璃纤维增强PP复合材料的弯曲强度随老化时间、老化温度等因素的变化规律及性能退化趋势。研究表明,老化初期吸水趋势符合菲克扩散,老化程度与时间和温度成正比关系。对试样断裂部分拍摄扫描电子显微镜(SEM)图像,观察不同环境条件下样品老化情况,老化温度越高、时间越长,增强纤维与树脂基体界面腐蚀越严重。

两种玻璃纤维增强复合材料体系的湿热老化研究

袁应立,王继辉

2017, 0(10): 79-84.

摘要 ( 91 )

PDF (5295KB) ( 326 )

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玻璃纤维增强复合材料在湿热环境下性能的退化是工程研究中待解决的问题,而实验室人工加速老化则是较好地研究该问题的常用方法。通过人工加速老化方法,结合露天储水环境,研究两种玻璃纤维增强复合材料在35 ℃水浸泡、65 ℃水浸泡及盐雾三种环境下的吸水率、巴氏硬度和弯曲强度的变化,并运用两种模型预测材料的使用寿命。研究表明:不同湿热环境下,材料的巴氏硬度前期变化明显,后期趋向稳定;吸水率基本符合Fick定律;温度对弯曲强度保留率影响显著,盐雾影响次之;中值老化公式比经验公式拟合度高7.6%。

RTM用双马来酰亚胺树脂及其复合材料的制备与性能研究

邓华,高军鹏,包建文

2017, 0(10): 85-88.

摘要 ( 116 )

PDF (866KB) ( 275 )

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采用一种含醚键双马单体对双马来酰亚胺树脂进行改性,制备了一种适用于复合材料树脂转移模塑成型工艺(RTM)的高韧性双马来酰亚胺树脂基体,并研究了其流变特性、耐热性能、力学性能及其复合材料的力学性能。树脂体系的流变性能数据表明树脂在注射温度(100 ℃)下具有较长的适用期(~3 h),能够满足RTM成型的要求。树脂浇注体的拉伸强度为115 MPa,断裂延伸率为3.1%,弯曲强度为159 MPa,玻璃化转变温度为270 ℃,表明树脂具有较高的韧性和耐温等级。以本树脂体系作为基体制备得到的碳纤维增强复合材料具有较高的力学性能,同时在230 ℃下具有较高的力学性能保持率。

玻璃纤维-铝合金层合板湿热老化性能研究

崔海超,熊磊,马宏毅,翟全胜，叶宏军

2017, 0(10): 89-93.

摘要 ( 73 )

PDF (1665KB) ( 329 )

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通过研究玻璃纤维-铝合金层板在70 ℃、RH85%湿热环境下不同老化周期后的力学性能、基体红外光谱、铝合金表面形貌及元素变化,分析了层板的湿热老化机理。结果表明:在加速湿热老化条件下,复合材料层内部基体会发生吸湿塑化,并破坏树脂与纤维以及铝合金层的界面,影响了材料内部应力的传递,使与界面及桥接应力相关的性能发生明显退化;表层铝合金层随湿热老化时间的延长,表面氧化加剧,使铝合金塑性降低,主要影响依靠铝合金承载的力学性能。

多因素影响下FRP约束混凝土柱FRP有效极限拉应变研究进展

欧阳利军,许峰

2017, 0(10): 94-103.

摘要 ( 91 )

PDF (2777KB) ( 580 )

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FRP侧向约束作用使混凝土柱处于三向受压状态,可提高混凝土柱的抗压强度和延性。FRP有效极限拉应变是确定FRP侧向约束力的关键参数,对FRP约束混凝土轴压峰值应力和峰值应变计算模型、应力-应变模型的建立至关重要,其影响因素众多。目前国内外研究者在FRP有效极限拉应变取值方面取得了一些有价值的研究成果,但得到的FRP有效应变系数离散性较大,考虑的影响因素不全面。基于现有研究成果,对FRP有效极限拉应变的影响因素进行了系统分析,指出了当前FRP有效极限拉应变研究存在的不足和未来需深入研究的方向。

三维编织复合材料力学性能研究现状

宋云飞,杜宇

2017, 0(10): 104-109.

摘要 ( 134 )

PDF (1981KB) ( 380 )

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对三维编织复合材料的力学性能研究现状进行了综述,研究内容大致归纳为细观结构特征研究、有限元仿真研究及实验研究。细观结构研究主要是研究单胞几何模型的建立和编织工艺与单胞结构模型的关系。有限元研究主要集中在利用有限元软件对细观结构模型进行力学分析、刚度强度性能预测。实验研究是运用实验的方法对材料的拉伸性能、弯曲性能及疲劳性能进行研究,并分析编织工艺参数和温度对其力学性能的影响。最后,对目前研究中存在的问题和今后的发展趋势进行了展望。

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