复合材料科学与工程

惠鹏,祖磊,李书欣,汪洋

2018, 0(3): 5-12.

摘要 ( 159 )

PDF (3303KB) ( 699 )

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碳纤维复合材料由于其较高的比强度、比刚度以及不产生高频涡流损耗等特点,日益广泛地被用来制造高速飞轮转子护套。另外,大张力缠绕相比压装等工艺更适用于施加碳纤维复合材料层与金属轮毂间的过盈配合。研究了大张力缠绕复合材料飞轮转子护套的设计与成型工艺,建立了复合材料护套的三维有限元模型,采用温差法模拟纤维缠绕张力,采用单元生死法模拟逐层缠绕及固化过程。在30000 RPM的转速及不同工作温度下,分析了缠绕张力及轮毂和转轴间过盈量对转子各材料界面处压应力的影响规律。此外,采用大张力缠绕工艺制备了高速飞轮转子碳纤维护套样件,测试了样件护套对金属轮毂的径向压应力以及轮毂径向应变。结果表明,基于仿真模型的计算值与样件测试值吻合良好,获得了飞轮转子的最佳几何外形和制备工艺参数,使转子的最大工作外缘线速度达697 m/s,最大储能密度为44.5 Wh/kg。研究成果对复合材料高速飞轮转子护套的设计与制造具有重要的意义。

含孔CFRP方管的仿真模型及孔参数优化

刘强,何兆亨,徐希宇,陈锐祥

2018, 0(3): 13-18.

摘要 ( 138 )

PDF (5808KB) ( 263 )

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建立了含孔碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,简称“CFRP”)管件的仿真模型,并对孔参数进行了多目标优化。首先研究建立了含孔CFRP管件的自由网格、映射网格和混合网格三种网格模型,对其计算效率和计算精度进行了比较,发现混合网格模型较适合于含孔结构仿真。其次建立了目标函数与孔参数之间的响应面模型,分析了孔径、孔横向位置参数、孔高度位置参数对响应的影响,发现孔径影响最大。最后采用多目标优化方法对含孔CFRP管件的孔参数进行了优化,当孔直径、孔中心高度比和孔横向偏移比三个设计变量分别取为8.98 mm、0.8、0.43时性能最优,比吸能和峰值力比初始模型分别提高了69.5%和3.6%。文中研究的仿真模型及孔参数优化方法对开展含孔复合材料结构设计具有指导意义。

反复荷载下CFRP-PCPs复合筋混凝土梁刚度退化的过程分析

邓宇,甘德丽,张鹏,杨希涛

2018, 0(3): 19-25.

摘要 ( 117 )

PDF (1574KB) ( 323 )

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对6根混凝土梁进行低周反复拟静力试验,以其中1根普通钢筋混凝土梁、1根普通预应力CFRP筋混凝土梁作为对比,研究4根不同张拉控制应力、不同截面尺寸的CFRP-PCPs复合筋混凝土梁在受力过程中的刚度损伤退化规律。试验结果表明,复合筋在结构抗震中能较好地抑制构件的刚度退化。基于试验结果分析各试件在开裂点、屈服点以及极限点的刚度退化情况,得出各试件特征点的刚度退化计算方法,将计算结果与试验结果进行对比,吻合良好,为预测结构在使用过程中的变形发展情况提供一定的参考价值。

复合材料无人机滑撬式起落架设计与优化

胡松,祖磊,李书欣,刘萌

2018, 0(3): 26-32.

摘要 ( 148 )

PDF (1639KB) ( 616 )

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根据某型号小型无人机总体要求,建立无人机滑撬式起落架的有限元模型,机身部分采用等效质点简化处理,进行无人机着陆过程的动力学仿真,得到无人机着陆过程中速度衰减趋势、过载值等仿真结果。通过对弓形梁截面尺寸及铺层角度的优化,使无人机落地过程中的过载值达到安全范围,并利用Tsai-Wu失效准则对弓形梁进行强度校核。设计并得到使无人机具有最小过载值且起落架结构不发生失效的弓形梁结构。此外,尝试使用不同的纤维复合材料,进一步提高滑撬式起落架的抗振性能。结果表明,合理的弓形梁尺寸可以提高起落架的抗振性,且芳纶纤维制成的起落架结构相比于碳纤维拥有更好的抗振性能。该研究成果对无人机滑撬式起落架的设计和制造具有重要的指导意义。

聚醚砜/环氧树脂共混体系流变特性与固化性能的研究

蒋民强,程超,张辉,余木火

2018, 0(3): 33-37.

摘要 ( 117 )

PDF (1156KB) ( 405 )

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环氧树脂是一种性能优良的热固性树脂,但是存在抗冲击性能差的缺点。聚醚砜(PES)是一种高性能热塑性树脂,与环氧树脂共混能够改善环氧树脂的韧性。系统研究了不同PES含量的PES/环氧树脂共混体系的流变特性和固化性能。通过对等温粘度曲线的数据拟合分析,建立了粘度模型,分析了PES对PES/环氧树脂共混体系粘度的影响机理,并通过DSC测试研究了PES对共混体系固化性能的影响。结果表明,PES在环氧树脂中的溶解过程可以引起共混体系粘度的波动,PES的引入缩短了PES/环氧树脂共混体系的凝胶时间,而且PES中的羟基对环氧树脂的固化具有促进作用。

纤维打团效应对纤维混凝土抗拉性能的影响

贺晶晶,师俊平,王玮,邹浩飞

2018, 0(3): 38-44.

摘要 ( 116 )

PDF (3499KB) ( 317 )

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针对纤维在混凝土中存在的打团效应引入了纤维均分系数,并建立了六种纤维打团模型。基于复合材料的力学理论,分析了纤维打团效应对纤维混凝土(FRC)抗拉性能的影响。结果表明:纤维均分系数随打团纤维根数的增大而减少;纤维打团效应的存在导致纤维临界体积掺加率有一定程度的增大,FRC的抗拉强度有不同程度的减小;FRC抗拉强度的损失与纤维临界体积掺加率均随纤维打团含量的增大而增大;考虑纤维打团效应的FRC拉伸强度计算值与试验值较为接近。

基于NOL环的高性能纤维与环氧树脂的匹配性研究

兰总金,祖磊,惠鹏,胡兰馨

2018, 0(3): 45-51.

摘要 ( 236 )

PDF (4229KB) ( 875 )

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纤维与树脂的界面对复合材料的整体力学性能有着显著的影响。基于NOL环的宏观力学测试一般被用来反映复合材料的界面粘结性能,因此适用于评价纤维与树脂之间的宏观力学性能匹配性。为了探究高性能碳纤维T700SC、T800HB及高强玻璃纤维与环氧树脂的宏观力学性能匹配性,本研究首先根据GB/T 1458—2008国家标准制备NOL环试样,再借助NOL环的拉伸和层间剪切强度测试分析了高性能纤维与环氧树脂不同匹配组合宏观力学性能差异的原因,并寻找出最佳匹配组合。结果表明:玻璃纤维与环氧树脂的界面存在最佳的粘结强度,而且不同粘结强度导致拉伸强度和破坏机理不同,而碳纤维复合材料界面性能较差,容易分层破坏;T800HB与环氧树脂的宏观力学匹配性优于T700SC,环氧树脂力学性能、碳纤维的表面微观结构与性质以及环氧树脂与碳纤维之间的相互作用关系是影响界面粘结性能的根本原因。该研究在高性能纤维单向复合材料的材料选择与设计方面具有现实意义。

端部增强方式对CFRP管轴压力学性能的影响

赵志波,李峰,陶杰

2018, 0(3): 52-57.

摘要 ( 123 )

PDF (3826KB) ( 285 )

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端部局部破坏严重制约CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)管轴压承载力的发挥,对采用金属加强箍-金属端帽增强与碳纤维-金属内衬增强两种端部增强方式的CFRP层合管进行了轴压试验,得到了试件受力过程和破坏形式。基于Hashin失效准则,利用有限元模型分析两种端部增强方式下CFRP管首层失效模式和承载力,并解释了增强机理。研究表明:与未施加端部增强的试件相比,端部增强可改变试件失效模式并提高承载力;端部增强时,外部增强约束刚度不宜过大,增强件与试件较大的刚度差会导致变形不一致,易在增强端边缘处发生剪切破坏;采用碳纤维-金属内衬的端部增强方式可有效防止端部发生“开花式”破坏和剪切破坏,可使层合管发生整体破坏,轴压承载力提高了46.37%。

二烯丙基双酚A对低黏度氰酸酯树脂的改性研究

蒋佩琪,肖军,李金焕,韩晓艳

2018, 0(3): 58-62.

摘要 ( 88 )

PDF (1289KB) ( 340 )

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为改善低黏度氰酸酯树脂基体的综合性能,研究了二烯丙基双酚A(DBA)对其的改性作用。通过粘温试验、DSC、力学试验、TGA、DMA、吸水率和介电测试等分析手段对DBA改性前后的树脂进行性能表征。结果表明:改性后树脂的粘度仍然满足直接热熔法的工艺性要求;DBA对氰酸酯树脂具有显著的催化作用,可以提高转化率;加入适量的DBA对氰酸酯树脂有一定的增韧作用,其中10%DBA的树脂冲击强度和弯曲韧性分别是未加DBA树脂的179%和165%;加入DBA后树脂基体的耐热性能、耐湿热性能和介电性能均有降低,但含量较少时仍满足应用要求。综合试验结果,当DBA含量为5%~10%时,树脂综合性能较好。

二维二轴单向编织铺层复合材料拉伸性能的研究

施丽,阳玉球,阎建华

2018, 0(3): 63-67.

摘要 ( 146 )

PDF (2494KB) ( 525 )

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提出了一种新型的二维二轴单向编织结构,研究了编织角和纤维体积分数的变化对该种结构复合材料拉伸性能的影响,并结合编织结构的特点分析了试样在拉伸破坏过程中的裂纹扩展模式。结果表明,上述编织复合材料的拉伸强度随纤维体积分数的增加而增加,但编织角的小幅度变化对拉伸性能影响较小。受编织结构的影响,试样内部在拉伸载荷作用下形成了两种分布规律的裂缝,层内裂缝沿样品厚度方向延伸,相邻铺层内的裂缝没有构成连续的扩展;层间裂缝沿着层与层的接触面延伸,表现为层间分层效应。二维二轴单向编织铺层复合材料内部裂缝的扩展模式综合表现为由上下铺层逐层向中心铺层扩展。本文的研究结果对于该类结构材料的设计与应用具有一定的指导意义。

双排玻璃钢夹砂管涵洞室内试验变形特征分析

王清洲,汪洋,魏连雨,陈兆南

2018, 0(3): 68-73.

摘要 ( 136 )

PDF (3813KB) ( 281 )

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大孔径玻璃钢夹砂管经常由于管材生产、运输以及公路涵洞标高等问题,在公路涵洞中的应用受到限制。为探讨用小孔径双排管代替大孔径玻璃钢夹砂管的可行性,通过室内模拟试验,分析双排管在单个管涵受荷载作用条件下各自变形的物理力学特征和变化规律。试验结果表明,在单个管涵受荷载作用条件下,双排管的变形之间存在相互作用关系,管涵变形具有不均衡性,且双排管的受力薄弱区域出现在加载管涵的管顶及两个管涵相邻位置,其结果可以作为双排管安全性的控制点和实际工程的设计依据。

非开挖油罐内衬光固化成型固化性能研究

刘世强,茆凌峰,钱建华,刘华

2018, 0(3): 74-79.

摘要 ( 96 )

PDF (1266KB) ( 258 )

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采用MERICAN 9505-50型光固化树脂在原有埋地钢罐内表面制作玻璃纤维增强塑料双层内衬,研究了光引发剂类型、光源功率、铺层结构、温湿度等对固化性能的影响,并与常用过氧化甲乙酮/钴液固化体系进行对比。结果表明:C190、C191二者均适用于此工艺,加入量为5‰,玻璃钢(FRP)光固化深度达12 mm,4 mm厚度成型仅需4 min(80 mW/cm²);与过氧化甲乙酮/钴液固化体系相比,光固化工艺固化速度提高十倍以上,固化度提高了8%,力学性能提高了20%~30%。

硼硅氧烷树脂热解行为及动力学研究

宋金梅,王雷,李艳斌,姚亚琳

2018, 0(3): 80-85.

摘要 ( 117 )

PDF (1227KB) ( 405 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

采用热重分析法和裂解质谱红外联用技术考察了硼硅氧烷树脂的热解反应行为,将Malek法与Coats-Redfern积分法结合,对实验数据进行动力学解析,得到了硼硅氧烷树脂热解反应的动力学参数。结果表明硼硅氧烷树脂的热解反应分为三段:在250 ℃以下的低温区,小分子气体放出的同时伴有熔融等发生;在250 ℃～650 ℃的高温区,以脱硅甲基反应为主;在650 ℃~800 ℃为稳定阶段。通过分析热解过程中产生的气体和固体成分及含量,得出硼硅氧烷树脂热解可能发生的反应。硼硅氧烷树脂的热解反应可以用2/3级动力学方程来描述;随着升温速率的增加,活化能和指前因子均先增加后减小。

盐雾环境对玻璃纤维-铝合金层合板力学性能的影响

崔海超,熊磊,马宏毅,翟全胜

2018, 0(3): 86-90.

摘要 ( 95 )

PDF (7820KB) ( 129 )

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通过研究玻璃纤维-铝合金层合板在盐雾环境下不同老化周期后的力学性能及复合材料层红外光谱,分析了层合板在盐雾老化条件下的性能变化。在加速盐雾老化条件下,树脂基体发生了降解,树脂-纤维界面及表面铝合金发生腐蚀破坏,随老化时间的延长,0°及90°层合板的拉伸、压缩及面内剪切强度均呈现出明显的下降趋势,90°层合板内部受到的损伤更为严重,盐雾环境会降低层合板内热固性树脂基体的交联程度,并破坏树脂-纤维及树脂-铝合金的界面,影响应力在玻璃纤维-铝合金层合板层间的传递,使材料力学性能发生衰减。

聚四氟乙烯/玻璃纤维胶带在风电叶片制造过程中的应用分析

关晓方,贾智源,国丽娟

2018, 0(3): 91-95.

摘要 ( 121 )

PDF (1440KB) ( 319 )

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研究了聚四氟乙烯/玻璃纤维胶带作为脱模介质对玻璃钢表面的影响以及对风电叶片制造成本的影响。从接触角、拉剪性能和对不同涂层的附着力这三大方面,对比了分别使用聚四氟乙烯/玻璃纤维胶带、尼龙脱模布、光滑和砂纸打磨这四种方式获得的玻璃钢表面性能。研究结果表明:使用聚四氟乙烯/玻璃纤维胶带获得的玻璃钢表面润湿性一般;玻璃钢使用聚四氟乙烯/玻璃纤维胶带脱模可获得与使用脱模布相当的拉剪性能;使用聚四氟乙烯/玻璃纤维胶带获得的玻璃钢表面涂装附着力与其他方式持平。经济性分析表明国产聚四氟乙烯/玻璃纤维胶带在模具上的应用有望降低风电叶片的制造成本。

二氧化硅气凝胶/聚氨酯隔热材料的研究

田骏,叶丹丹,罗梅杰

2018, 0(3): 96-100.

摘要 ( 167 )

PDF (3875KB) ( 442 )

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舰船用隔热材料的相关研究在船舶设计及建造过程中长期受到关注。高性能的隔热绝缘材料不仅可以改善舰船的居住环境,还能提高舰船的安全性和服役寿命。为了获得高性能的隔热材料,以聚氨酯作为基体,以二氧化硅气凝胶为热阻填料,通过共混的方式制备了二氧化硅(SiO₂)气凝胶/聚氨酯(PU)隔热材料,使用导热系数仪、万能力学试验机等手段表征了PU隔热材料的性能。确定了SiO₂气凝胶/PU隔热材料的最佳配方为电动混合方式下制得的2 g SA-A1/100 g PU隔热材料,导热系数达到最低值,为0.091 W/(m·K),拉伸强度为3.6 MPa。

CFRP制孔技术的研究现状与发展趋势

刘雪梅,孙会来,贺龙宇,赵方方

2018, 0(3): 101-106.

摘要 ( 153 )

PDF (1104KB) ( 472 )

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由于碳纤维复合材料(CFRP)具有较高的比模量和强度,CFRP在科学和工业领域引起了足够的重视,并在航空航天领域中得到了广泛的应用。孔加工在航空制造业中占有极其重要的地位,然而由于CFRP的各向异性,使其制孔质量难以控制。介绍了CFRP制孔过程中几种典型的制孔缺陷,指出了缺陷产生的原因及抑制方法;详细阐述了CFRP制孔技术的最新进展,包括制孔刀具、钻削运动方式和特种加工制孔方式三个方面;综述了CFRP制孔技术的发展趋势。

硼酚醛树脂及其复合材料的研究进展

张力,张以河,姚亚琳,田谋锋

2018, 0(3): 107-116.

摘要 ( 257 )

PDF (2044KB) ( 996 )

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作为目前最成功的改性酚醛树脂品种之一,硼酚醛树脂具有优异的耐热性能和耐烧蚀性能,良好的力学性能、摩擦性能和阻燃性能等。硼酚醛树脂及其复合材料可广泛应用于航空航天、武器装备、汽车制动、防火阻燃等领域。对硼酚醛树脂及其复合材料的研究进展进行了综述。首先概述了硼酚醛树脂的不同制备方法及硼酚醛树脂的改性途径;然后重点总结了硼酚醛树脂基复合材料的常用制备方法及其耐热性能、耐烧蚀性能、力学性能、摩擦性能、阻燃性能、耐水性能;最后,对该领域所存在的问题进行了总结,并展望了其发展趋势。

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