复合材料科学与工程

王婧, 薛忠民, 李刚, 杨小平

2018, 0(7): 5-11.

摘要 ( 163 )

PDF (5988KB) ( 642 )

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纳米核壳粒子通常为玻璃化转变温度较高的热塑性聚合物包裹橡胶内核结构,其优点在于在树脂固化前后结构不发生明显变化,不会因为固化过程中橡胶相分离不完全影响树脂性能。但是纳米粒子的均匀分散一直是环氧添加剂使用过程中的难题。采用三种不同组成、不同粒径的核壳粒子增韧环氧树脂,采用DDS固化的双酚F树脂基体,制备了一系列耐热性优良的环氧树脂体系。研究通过预制母液分散二步法分散纳米颗粒,解决纳米粒子的均匀分散问题,得到均一增韧体系。增韧后的三种体系均对树脂韧性有很大的提升作用。经力学性能、热力学性能、流变学性能和微观结构性能等测试和分析,优选出最佳的纳米多尺度核壳粒子增韧环氧体系,并阐明了其增韧机理。

基于支持向量机的碳纤维增强复合材料梁的分层损伤识别

贺梦悦, 梁智洪, 张芝芳

2018, 0(7): 12-18.

摘要 ( 135 )

PDF (1858KB) ( 308 )

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针对目前支持向量机(SVM)运用于复合材料的分层损伤识别的有关研究尚少,采用归一化后的模态频率,基于SVM回归理论对碳纤维增强复合材料(CFRP)悬臂梁的分层损伤位置、大小及分层界面进行了损伤识别。首先建立了CFRP梁的有限元模型,得到“损伤变量-模态频率”的数据库和数值测试案例,对比不同参数优化方法下的SVM回归预测效果。然后使用德国Polytec激光扫描测振仪进行模态试验获取CFRP梁试件的模态频率值,将实测频率值用于SVM回归预测,进一步证实了SVM在CFRP梁结构的分层损伤识别领域的应用前景。

基于FBG传感碳纤维复合材料π型胶接接头损伤监测

江峰, 胡业发, 宋春生

2018, 0(7): 19-25.

摘要 ( 117 )

PDF (3143KB) ( 411 )

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针对碳纤维复合材料π型胶接接头在拉伸载荷下的损伤,建立了碳纤维复合材料π型胶接接头的有限元模型,预测了接头失效部位,并分析了其损伤演化和应力分布的映射关系。然后基于传递矩阵法计算了损伤部位光纤布拉格光栅(FBG)的反射光谱,并通过实验验证了反射光谱计算方法的有效性。最后利用遗传算法对应力分布进行重构,得到了损伤部位的应力分布形式,为工程上碳纤维复合材料π型胶接接头的损伤监测提供了新的方法。

覆冰条件下旋转风力机叶片应力与模态分析

陈彩凤, 杨杰, 成斌, 李西洋

2018, 0(7): 26-30.

摘要 ( 126 )

PDF (1893KB) ( 288 )

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以旋转覆冰风力机叶片为研究对象,对叶片覆冰状态进行人工试验,根据试验结果建立风力机叶片有限元模型,并对不同覆冰厚度的叶片进行应力和模态分析。分析结果表明:覆冰的变化量与叶片所受应力大小呈正相关关系;覆冰量的不同会使叶片的固有频率发生显著变化,造成风力机叶片的疲劳损伤与变形,验证了人工试验的结果。

光引发原位聚合聚丙烯酸酯树脂/玻纤预浸料的制备与研究

刘传奇, 王翔, 王钧

2018, 0(7): 31-35.

摘要 ( 124 )

PDF (2580KB) ( 315 )

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热塑性复合材料具有较高的抗损性、抗冲击能力,因此得到了迅速发展,但是热塑性树脂基体与增强材料之间的浸渍问题严重阻碍了其推广。为了有效改善热塑性复合材料的界面性能,以甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯为单体,以单向玻璃纤维为增强材料,采用紫外光引发为聚合条件进行原位聚合,制备了聚丙烯酸酯树脂/玻纤预浸料。通过热压法将预浸料制备成复合材料,对复合材料的热稳定性、树脂含量、力学性能和微观形貌进行了研究。实验结果表明:聚丙烯酸酯树脂的热分解温度随GMA含量的增加而增加;玻璃化转变温度随GMA含量的增加而降低;复合材料的弯曲强度和拉伸强度随GMA含量的增加呈现出先增加后降低的趋势,并在GMA含量为20%时达到最大值,分别为861.4 MPa和780.9 MPa;通过复合材料微观形貌的观察表明树脂和纤维结合紧密,达到了良好的浸渍效果。

树脂基复合材料帽型加筋构件固化过程压力在线监测研究

邓帆, 湛利华, 邹靖

2018, 0(7): 36-41.

摘要 ( 113 )

PDF (6178KB) ( 235 )

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为研究碳纤维增强树脂基复合材料构件固化过程的压力分布规律,搭建了以毛细管压力传感器为核心的压力在线监测系统,应用该系统在线监测得到了复合材料帽型加筋构件固化过程各关键部位的压力分布。在此基础上,分析了帽型加筋构件固化过程各部位压力分布受芯膜调型孔孔占比X_s的影响,研究了不同孔占比芯模固化帽型加筋构件的成型精度和微观质量。结果表明,当芯膜调型孔孔占比为0.099时,帽形加筋构件固化过程的压力分布均匀性较好,构件成型精度和微观质量较高。

基于超声的碳纤维复合材料孔隙率表征方法对比研究

陆铭慧, 张雪松, 郑善朴, 江淑玲

2018, 0(7): 42-48.

摘要 ( 127 )

PDF (4701KB) ( 354 )

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研究了超声法表征复合材料孔隙率的方法,使用频域参量非线性系数进行表征,定义了经典和改进型非线性系数表达式,分析了两种非线性系数的特点,对比讨论了两种非线性系数用于评价孔隙率的灵敏度。通过改变固化压力的方法制备了碳纤维复合材料孔隙率试样,采用金相分析统计了孔隙率,并进行了衰减与非线性系数表征孔隙率的对比研究。结果表明,改进型非线性系数效果最好,经典非线性系数次之,衰减系数效果最差。改进型非线性系数更适合表征孔隙率。

基于丝束增减位置动态调整的自动丝束铺放路径覆盖性优化

蒋敏, 吴保林

2018, 0(7): 49-56.

摘要 ( 116 )

PDF (2855KB) ( 226 )

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自动丝束铺放(Automated Fiber Placement,简称“AFP”)是一种先进的复合材料成型方法,可广泛应用于航空航天、风电、新能源汽车等领域。在丝束铺放过程中,由于构件外形的复杂性,相邻铺放路径之间的距离不能保持恒定,很容易产生丝束重叠和间隙等缺陷。通过应用丝束增减操作,可以减少丝束重叠和间隙的产生。现有的方法都是选取固定的丝束增减位置,缺乏关联构件几何特征的综合考虑。通过分析不同情形下丝束重叠和间隙的产生原因及覆盖区域计算方式,提出了一种基于丝束增减位置动态调整的丝束路径覆盖性优化方法,该方法能够有效减少铺放过程中丝束重叠和间隙的产生。最后,通过开展一系列计算及仿真实验,证明了该优化方法的有效性。

复配酰胺酸乳液改性玻璃纤维增强环氧树脂界面性能的研究

叶英, 刘媛, 李敏, 郭兵兵

2018, 0(7): 57-63.

摘要 ( 108 )

PDF (8829KB) ( 83 )

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实验合成了酰胺酸乳液(SA-1),并添加聚乙烯吡咯烷酮进行复配(SA-2),通过纳米粒度分析仪、透射电子显微镜(TEM)和傅里叶红外光谱仪(FT-IR)测定乳液粒径及干燥成分的官能团结构。利用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)研究处理前后玻璃纤维的表面形貌,并分别用单丝拉伸和微脱黏法测定单纤维的拉伸性能和复合材料的界面剪切性能(IFSS)。结果表明,SA-2乳液平均粒径为99 nm,分布范围为21 nm~220 nm,优于SA-1。SA-1乳液涂覆处理的膜层光滑,平均厚度为0.20 μm,而SA-2处理后,玻璃纤维的表面粗糙度增大,膜层厚度为0.12 μm。SA-1处理后玻璃纤维单丝拉伸性能从1.401 GPa降至1.369 GPa,GF/环氧树脂复合材料IFSS从20.06 MPa增至26.84 MPa;SA-2处理后单丝拉伸强度降至1.383 GPa,复合材料IFSS为32.70 MPa,提升了63.01%。

CFRP筋粘结式锚具疲劳性能试验

谢桂华, 唐永生, 李十泉, 姚嘉诚

2018, 0(7): 64-68.

摘要 ( 93 )

PDF (2283KB) ( 286 )

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为了研究CFRP筋粘结式锚固系统的抗疲劳工作性能,以环氧砂浆为粘结介质制作了CFRP筋粘结式锚具试件,对其进行了不同参数的疲劳加载试验,并通过静载试验检验锚固系统疲劳加载后的静力性能。结果表明:①适当的疲劳加载有助于提高锚固系统的锚固性能;随着循环次数的增加,锚具两端的相对位置趋于更加稳定的状态;CFRP筋相对于粘结介质的滑移值增幅随加载次数的增加而减小;试件P-1、P-2、P-3分别加载到20万次、15万次、70万次时,滑移值不再增加,系统达到稳定状态;②疲劳加载提高了粘结式锚固系统低荷载作用时的粘结性能,较高荷载作用时其粘结锚固性能有所降低。

国产12K T700级碳纤维在复合芯导线中的替代应用研究

孙晓光, 何州文, 兰逢涛, 杨青

2018, 0(7): 69-73.

摘要 ( 133 )

PDF (2073KB) ( 338 )

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在碳纤维复合芯原材料成本构成中,碳纤维占60%以上,采取将复合芯用关键原材料12K T700级碳纤维国产化替代是降低成本行之有效的途径。优选三家国内具有代表性的碳纤维生产企业的12K T700级PAN基碳纤维,制得的三种碳纤维复合芯棒主要性能指标均能满足标准要求,能够替代进口东丽T700S碳纤维,价格约为其70%~80%,有利于碳纤维复合芯导线的推广应用。

工型加筋结构模具方案对共固化过程树脂压力及成型质量的影响

李博, 张尉博, 文友谊, 马开维

2018, 0(7): 74-81.

摘要 ( 69 )

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以碳纤维/双马树脂复合材料工型加筋结构为研究对象,研究了模具方案对热压罐共固化过程树脂压力及成型质量的影响。对筋条两侧的模具采用了三种方案,即铝模/铝模、橡胶软模/铝模、拐角区预浸料增强橡胶软模/铝模。采用自主建立的树脂压力在线监测系统对三种模具方案下工型加筋结构内部树脂压力分布进行研究,进而结合制件尺寸及内部缺陷情况,分析模具方案对树脂流动、模具与预浸料铺层贴合程度及密实过程的影响。结果表明:橡胶软模能显著提高模具与预浸料的贴合程度,从而提高压力传递效率和密实程度;软模拐角区刚度对制件成型质量影响显著,拐角区刚度过低则成型中模具发生较大形变,不利于另一侧铝模与预浸料贴合以及制件尺寸精度的保证;适当提高软模拐角区刚度可提高密实压力均匀性和制件成型质量;适当刚度的橡胶软模和金属刚模配合方案对于加筋壁板结构的共固化工艺较为适用。

多排玻璃钢夹砂管涵洞力学性能研究

王清洲, 汪洋, 魏连雨, 梁筱

2018, 0(7): 82-88.

摘要 ( 69 )

PDF (7138KB) ( 67 )

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以双排管涵洞室内足尺试验与有限元理论为基础,建立三排管涵洞模型进行数值模拟。通过对不同工况下的多排管涵洞进行分析,探究多排管的受力状态与变形特征,同时探讨管涵间距对邻管变形产生的影响。由此得知多排管涵洞在加载条件下的最不利管涵及其最不利管涵的最不利部位,土体压实度与管涵间距会对多排管涵洞变形产生积极影响。为实际公路工程中选用多排玻璃钢夹砂管涵洞提供了设计依据与应用价值。

冲头形状对层合板低能量冲击损伤尺寸及剩余压缩强度的影响

刘逸众, 李敏, 陈律

2018, 0(7): 89-92.

摘要 ( 130 )

PDF (836KB) ( 260 )

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为探索冲头形状对层合板低能量冲击损伤尺寸及剩余压缩强度的影响,采用不同形状的冲头对T700/DS1202层合板进行了低能量冲击试验,测量损伤尺寸及其冲击后的剩余压缩强度。结果表明:随着冲击能量等级的增加,锥形冲头造成的损伤更易向深度方向发展,当损伤深度≥0.315 mm时,层合板背部出现裂纹,造成层合板剩余压缩强度退化到90%以下;同时,冲头形状会影响冲击能量门槛值,锥形冲头与圆形冲头的冲击能量门槛值分别为5 J·mm^-1、6.67 J·mm^-1。

SMC在大型相控阵雷达天线罩中的应用

王伟, 方芳

2018, 0(7): 93-96.

摘要 ( 109 )

PDF (1798KB) ( 389 )

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针对大型相控阵雷达对天线罩批量制造的需求,对比分析了几种常规的复合材料成型工艺,确定采用SMC成型工艺,并简要叙述了其制造过程。经过对机械性能以及有源相控阵雷达天线关键指标的测试,结果均满足要求,目前已在多个型号雷达产品中获得实际应用。

基于结构动力学修正法识别蜂窝芯层合板特性参数

王德鑫, 王婷婷, 姜年朝, 李家春

2018, 0(7): 97-102.

摘要 ( 102 )

PDF (2903KB) ( 249 )

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以蜂窝芯层合板为研究对象,以模态试验的测试结果为修正目标,采用基于模态参数灵敏度有限元模型修正方法对蜂窝芯层合板的碳纤维板单层厚度、蜂窝芯材参数进行修正,从而解决有限元模型与试验测试误差较大的问题。修正结果表明,修正后的有限元模型分析结果与试验测试值基本一致,说明修正后的有限元模型具有较高的精度,使用修正后的有限元模型不仅可以用于其他动力学问题的分析,对于复杂的工程结构也可基于此方法,通过小规模试验测试来修正有限元输入的设计参数,从而提高整体复杂模型分析的准确性,有一定的工程实用价值。

玻璃钢储罐声振信号传播规律研究

陈健飞, 谢珂铭, 杨勇, 柳言国

2018, 0(7): 103-107.

摘要 ( 106 )

PDF (1188KB) ( 211 )

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针对大型储罐被动检测声发射信号弱的问题,根据声振法检测原理,选择常用的激励原材料(尼龙材料、不锈钢材料、塑料)对10 mm壁厚环氧树脂玻璃钢储罐进行主动敲击试验,筛选不锈钢作为最优激励源材料,设计了弹簧锤工装。利用设计工装对实验室玻璃钢储罐进行声振试验,对试验数据进行分析。结果表明:水平方向上的敲击信号传播速度最快且幅值衰减最小;随着方向角度增加,波速逐渐减小,幅值衰减速率逐渐增加;得到了声振信号波速传播模型、幅值衰减规律;总体上声振信号传播比被动声发射信号传播距离远,为玻璃钢储罐缺陷检测奠定了基础。

FRP筋混凝土结构的研究现状分析

黄华, 郝润奇, 黄敏

2018, 0(7): 108-116.

摘要 ( 134 )

PDF (989KB) ( 385 )

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近年来,国内外就FRP筋自身的力学特性以及FRP筋混凝土结构的力学性能开展了大量研究。FRP筋耐久性能、FRP筋与混凝土的粘结机理、FRP筋混凝土梁和柱的受力性能、FRP筋混凝土柱和框架的抗震性能是目前研究的主要方向。现有研究表明:大部分受弯构件中使用FRP筋作为纵向受拉筋能充分发挥其抗拉性能,但结构易发生脆性破坏,现有规范的计算方法不适用于该类构件的计算;FRP筋替代钢筋作为柱中主要受力筋会导致抗压强度和延性不如普通钢筋混凝土柱;纤维改性混凝土能够显著提高FRP筋混凝土构件的延性,FRP筋和钢筋的混合配筋柱的抗震性能要明显优于FRP筋柱。下一步研究中,应建立可靠的FRP材料及构件的耐久性测试和评估方法;改善FRP筋与混凝土,尤其是改性混凝土之间的粘结性能;完善现行规范中FRP筋承载力计算方法;建立FRP筋构件抗震设计体系。

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