复合材料科学与工程

康超懿, 欧阳利军, 丁斌, 镇斌

2018, 0(11): 5-14.

摘要 ( 92 )

PDF (1912KB) ( 525 )

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纤维增强复合材料(FRP)约束混凝土柱的轴压破坏过程涉及混凝土的被动约束和混凝土非线性分析问题。基于数值模拟和已有的试验数据分析,提出了影响FRP约束混凝土柱轴压过程数值分析结果的6个关键因素:主动恒定围压下混凝土轴压峰值应力和峰值应变计算模型、被动约束混凝土膨胀函数、混凝土本构模型、FRP-混凝土界面接触类型、边界建模类型和计算终止条件,指出了各关键因素的适用性和局限性。

碳纳米管提高环氧树脂弹性模量的微观结构机制:分子模拟与实验验证

张文卿, 李浩, 隋刚

2018, 0(11): 15-20.

摘要 ( 110 )

PDF (2853KB) ( 490 )

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聚合物基复合材料的微观结构与宏观性能之间存在密切的关联性,对其建立起结构-性能的联系,在工程应用和材料设计中有着重要的意义。通过分子动力学模拟方法探究了从低温环境(100 K)到玻璃化转变温度(T_g)的温度范围内,单壁碳纳米管(SWCNTs)对环氧树脂基体弹性模量的提高效果,并从微观结构角度分析了影响机制。发现随着温度的升高,体系内聚能密度(E_coh)不断减小,自由体积分数(V_f)不断增加,共同导致了弹性模量随温度的升高而降低。SWCNTs对基体弹性模量的提高是由于其在任一温度点均明显提高了基体的E_coh和径向分布函数,对基体V_f增长的抑制效果也随温度的升高而更加明显。弹性模量的实验结果验证了模拟的计算和分析结果,证明了分子模拟方法预测材料宏观性能的可靠性。

基于FBGs的快速和常规固化环氧树脂基复合材料的固化残余应变研究

祁一信, 鞠苏, 江大志

2018, 0(11): 21-26.

摘要 ( 97 )

PDF (1330KB) ( 239 )

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在纤维增强树脂基复合材料的固化过程中,由于纤维与树脂的热膨胀系数不匹配和树脂的固化体积收缩而产生的固化残余应变对组装设计和控制复合材料的性能至关重要。概述了有损和无损检测固化残余应变的方法;采用光纤布拉格光栅分别检测了快速和常规固化环氧树脂基复合材料的固化残余应变,并结合环氧树脂的流变性对其应变历史进行了分析研究。10层碳纤维单向布增强环氧树脂基复合材料的温度和应变历史表明,固化温度在80 ℃时,快速和常规固化复合材料第5层的固化反应放热峰值温度分别为133.7 ℃和106.3 ℃,快速和常规固化复合材料第5层的固化残余应变分别为-4074.7 με和-2660.8 με。

醇类分子对环氧树脂体系流变及固化行为的影响

李肇晨, 张文卿, 杨小平, 隋刚

2018, 0(11): 27-30.

摘要 ( 101 )

PDF (1194KB) ( 336 )

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为了研究醇类小分子对环氧/胺体系流变和固化行为的影响,对环氧/胺体系、环氧/胺/小分子醇体系及环氧/胺/咪唑/小分子醇体系进行了DSC、流变及力学性能测试,比较了三个体系的综合性能。实验发现以小分子醇C₄H₁₀O₂作为功能性组分加入环氧树脂体系中有明显的促进效果,且在咪唑类促进剂2-乙基-4-甲基咪唑存在的情况下,C₄H₁₀O₂的促进效果更明显,两种体系均具有良好的力学性能。

基于环氧树脂/双酚A型苯并噁嗪树脂IPN体系的力学性能及固化动力学研究

吕钧炜, 王斌, 李辉

2018, 0(11): 31-36.

摘要 ( 111 )

PDF (3356KB) ( 318 )

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采用同步IPN方法,制备了不同组成比例的环氧树脂/苯并噁嗪的完全IPN体系。所制得的复合材料被制成测试样条并测定了各项力学性能。利用差示扫描量热仪(DSC)表征其固化过程中的热力学行为后以Kissinger、Ozawa和Crane方程计算了该类型IPN体系固化反应中的平均活化能、固化反应级数。研究结果表明,随着环氧树脂加量的增大,体系的韧性得到显著提高。当环氧树脂加量为40%时,该IPN体系的弯曲强度增加到98.2 MPa,弯曲模量下降到4.04 MPa。相比于原始苯并噁嗪树脂79.31 MPa的弯曲强度和4.71 MPa的弯曲模量,环氧树脂/苯并噁嗪树脂的IPN体系在力学性能上呈现出由“硬”变“软”的趋势。固化动力学分析表明,IPN复合体系的固化交联反应表观活化能更低,且始终是简单一级反应。

玻璃钢空心夹层管道及力学性能分析

朱央炫, 陈建中, 吕泳, 刘菊芳

2018, 0(11): 37-42.

摘要 ( 123 )

PDF (2356KB) ( 385 )

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为进一步提高玻璃钢管道性能并降低成本,设计了一种新型玻璃钢空心夹层管道结构及其制作工艺。与传统玻璃钢管道相比,在同等环刚度条件下,玻璃钢空心夹层管道具有重量轻、成本低、抗冲击性能好等优势。采用材料力学及复合材料相关理论分析了空心夹层管道的强度和环刚度,采用欧拉公式分析了芯材的稳定性。同时采用ANSYS软件分别建立了管环和胞单元的有限元模型,对空心夹层管道的强度、环刚度以及芯材的稳定性进行了分析。对比理论计算结果和有限元分析结果,两者基本一致,验证了强度、环刚度和稳定性的理论计算方法的可靠性。

复合材料拉挤型材冲压成孔螺栓连接抗拔性能研究

马智周, 齐玉军, 刘伟庆

2018, 0(11): 43-49.

摘要 ( 114 )

PDF (4570KB) ( 302 )

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研究了复合材料拉挤型材(PFRP)冲压成孔试件螺栓连接的抗拔性能,主要考虑不同树脂基体与不同纤维方向对冲孔处螺栓抗拔性能的影响。试验结果表明:聚氨酯基拉挤型材的冲孔螺栓连接的抗拔性能优于不饱和聚酯树脂基拉挤型材;多轴向纤维增强复合材料型材冲孔螺栓连接的抗拔承载力优于单轴向纤维拉挤型材,多轴向纤维可有效防止拉挤型材发生纵向劈裂,显著提高其抗拔承载力。最后,采用渐进损伤材料模型并结合Hashin破坏准则,通过实体单元C3D8R在ABAQUS中建立模型,来模拟冲孔试件螺栓连接的力学行为。

注塑成型长玻纤/尼龙复合材料车轮纤维分布规律研究

朱涵睿, 顾轶卓, 孟庆宇, 张佐光

2018, 0(11): 50-57.

摘要 ( 60 )

PDF (8432KB) ( 166 )

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以50wt%的长玻纤增强尼龙66为原料,通过注塑工艺,制备了复合材料平板和复合材料车轮。测试分析了平板和车轮的玻纤含量、玻纤长度、玻纤取向及其分布,比较了两者纤维分布规律的差异,为复合材料车轮开发提供数据参考。通过车轮径向疲劳试验,研究了复合材料车轮的耐疲劳性能,发现车轮中玻纤长度增加,则车轮的径向疲劳性能得到明显提升,显示了控制纤维长度对于保证长纤维复合材料车轮性能的重要性。

基于等刚度原理的碳纤维汽车B柱抗撞性分析

孙冬鸣, 马其华, 孙佳睿

2018, 0(11): 58-63.

摘要 ( 100 )

PDF (2884KB) ( 309 )

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采用吸能比更高的碳纤维增强复合材料(CFRP)替代原有金属汽车B柱是实现整车轻量化的有益探索。基于等刚度原理设计碳纤维增强复合材料汽车B柱,建立B柱与移动柱的有限元碰撞模型,对比分析移动柱在7.2 km/h冲击速度下撞击B柱不同部位处的侵入量以及侵入速度的差异性。结果表明:与原高强度钢B柱相比,碳纤维复合材料B柱在低速冲击时变形更小,能量吸收性能更好,具有更好的抗撞性;同时相对于高强钢B柱质量减小了26.27%,更好地满足了汽车B柱轻量化的要求。

石英立体织物/酚醛复合材料高温力学性能模型研究

杨滔, 丁杰, 罗海涛, 黄志雄

2018, 0(11): 64-67.

摘要 ( 100 )

PDF (2020KB) ( 262 )

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在800 ℃下对2.5D石英纤维/酚醛复合材料进行不同时间的热处理,最长热处理时间为20 min,之后测试其残余力学性能,并利用Mouritz-Mathys模型计算热处理后的理论值。结果表明,随着热处理时间的延长,复合材料热处理后的力学性能急剧下降。在所有的测试中,测量和理论的残余机械性能之间的一致性在15%以内。使用该模型可以快速地获得复合材料热处理后的力学性能与时间的变化规律。

疲劳与长期自然暴露后的复材空心桥面板受力性能

吴育蔚, 冯鹏, 刘兴

2018, 0(11): 68-72.

摘要 ( 94 )

PDF (1993KB) ( 252 )

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研究了由内部缠绕芯管、面层拉挤平板和外部缠绕组成的高性能复材空心桥面板的长期性能。对同一构件依次进行了200万次的疲劳试验加载和10年的自然暴露,之后进行了四点弯曲静载试验和中心点加载破坏试验。通过四点弯曲静载试验获得老化后试件的抗弯和抗剪刚度,在加载过程中构件始终保持线弹性,构件的整体受力性能良好,组件间无错动或剥离现象。中心点加载试验模拟了车轮集中荷载,测定了集中荷载下的破坏模式和极限荷载。中心点加载的极限荷载为764.57 kN,破坏模式为加载点处的冲切破坏。研究表明,复合材料桥面板的长期受力性能能够满足工程应用的需求,并具有较好的耐久性。

聚(间二乙炔基苯-甲基氢硅烷-苯基硅烷)的陶瓷化研究

卢丹, 周权, 耿杰, 宋宁

2018, 0(11): 73-77.

摘要 ( 80 )

PDF (4448KB) ( 244 )

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选用聚(间二乙炔基苯-甲基氢硅烷-苯基硅烷)树脂(PDMP)固化物,研究其在高温作用下的热解产物及其陶瓷化。借助X射线衍射(XRD)、能谱仪(EDS)和扫描电镜(SEM)等分析测试方法表征了高温热解产物的组成、结构和形貌。结果表明,热解产物表面出现许多凸起状的小球,且分布较为均匀,形成了陶瓷晶体。该陶瓷晶体的结构为Si-C,树脂固化物的陶瓷产率达80.83%。

基于弹性模量的FRP耐久性评价方法

郭奥, 杨勇新, 贾彬, 余建伟

2018, 0(11): 78-82.

摘要 ( 103 )

PDF (909KB) ( 239 )

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为研究FRP耐久性提出同体试验测试方法,以弹性模量为耐久性评价指标,开展了同体试验与破坏性试验两种方法的测试和分析,论述了FRP性能测试结果的影响因素。完成了湿热老化环境下20个同体试验试件与21个破坏性试验试件在不同老化时间点的弹性模量测试,通过试验数据验证分析了同体试验与破坏性试验的弹性模量有显著的正相关性,这种相关性可以把破坏性试验数据转换为同体试验数据并找到同一基准。其他不同制备工艺和不同试验工况下的FRP的同体试验与破坏性试验数据也存在类似的关系,FRP的耐久性具有相同的基准,以弹性模量来评价FRP耐久性的方法更加合理与科学。

铺层结构(厚度)对玻璃纤维增强塑料排烟筒拉伸性能的影响

王俊, 李陈松, 王涛, 侯锐钢

2018, 0(11): 83-86.

摘要 ( 97 )

PDF (968KB) ( 272 )

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纤维增强树脂基复合材料具有很强的可设计性。研究了玻璃纤维织物/乙烯基酯树脂复合材料铺层结构对燃煤电厂纤维增强塑料排烟筒筒体拉伸性能的影响。设计了多种铺层结构,通过缠绕成型方法制备成层合板,参照相应国家标准,对其进行拉伸性能测试。结果表明,层合板拉伸性能与基本铺层结构及其循环数(厚度)相关。在进行玻璃纤维增强塑料排烟筒铺层设计时,应综合考虑力学性能及综合成本等多因素。

碳纤维衬纬纬编针织物增强复合材料的拉伸性能

梁佳玉, 秦志刚

2018, 0(11): 87-91.

摘要 ( 93 )

PDF (1165KB) ( 320 )

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研究了以碳纤维纬编衬纬针织物增强环氧树脂复合材料的拉伸性能。试验中,增强体结构以双罗纹为地组织,改变衬纬组织的衬纱根数及弯纱深度,编织了4种不同组织和参数的纬编衬纬织物,通过液压成型工艺,制备了复合材料板。用电子万能试验机测试了碳纤维的拉伸强度及结节强度,测试了复合材料在0°、45°、90°三个方向的拉伸性能。结果显示:衬入纬纱后,复合材料90°方向强度及模量明显增强,且拉伸曲线呈线性;0°、45°方向强度有所减少,但影响不大;并且对比衬入不同纬纱根数的复合材料强度,单位长度衬入纬纱根数越多,90°方向的强度越大;对比了不同弯纱深度对复合材料性能的影响,弯纱深度增加板材在45°和90°方向上的强度减少,在0°方向强度增加。

椭球状先进复合材料后压力框格栅结构方案

蔡启阳, 周仕刚

2018, 0(11): 92-98.

摘要 ( 68 )

PDF (5781KB) ( 278 )

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采用非线性有限元法分析均布外压作用下先进复合材料椭球壳不同位置、不同区域大小的结构屈曲和后屈曲行为,讨论了底直径、曲率半径、边界条件和弯曲刚度等对屈曲及后屈曲行为的影响,确定出屈曲时具有上临界载荷和下临界载荷的不同壳体位置的区域范围,在此基础上提出椭球壳复合材料后压力框格栅加筋方案并进行优化,最后确定椭球壳格栅结构加筋方案,相应格栅结构椭球壳具有较高的下临界载荷。而由此形成的格栅结构确定方法也可以应用于类似壳体格栅结构加筋方案的确定。

两亲性嵌段共聚物聚己内酯-聚二甲基硅氧烷-聚己内酯增韧氰酸树脂性能研究

刘琦, 周权, 宋宁, 倪礼忠

2018, 0(11): 99-103.

摘要 ( 84 )

PDF (3598KB) ( 297 )

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采用开环聚合合成聚己内酯-b-聚二甲基硅氧烷-b-聚己内酯(PCL-b-PDMS-b-PCL)两亲性三嵌段聚合物混合进氰酸酯树脂预聚体中,得到了具有纳米复合结构的氰酸酯树脂/嵌段改性混合物。氰酸酯树脂/嵌段体系的SAXS与TEM结果表明,CE/PCL-b-PDMS-b-PCL体系自组装形成50 nm~60 nm的纳米复合结构。随着嵌段含量增加,多相形态由颗粒改变至蠕虫状结构,粒子间距增大。非等温DSC固化与K_IC数据结果表示,氰酸酯树脂/嵌段体系固化放热峰的温度逐渐降低,反应活性提高,并且其断裂韧性有所提高。

提高PBO纤维/环氧树脂界面相容性的研究进展

张祯, 王斌, 吕钧炜, 李辉

2018, 0(11): 104-108.

摘要 ( 67 )

PDF (8685KB) ( 82 )

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综述了近年来基于提高PBO纤维与环氧树脂界面相容性从而提高PBO纤维/环氧树脂复合材料整体性能的研究工作;从PBO纤维表面改性引入高表面能物理表面或构筑化学活性位点以及设计PBO纤维/环氧树脂中间界面层的角度出发,分析了所涉及的各类方法的优缺点,并对该研究方向进行了展望。

碳纤维增强树脂基复合材料低温贮箱抗渗漏性研究进展

陈振国, 矫维成, 闫美玲, 杨帆

2018, 0(11): 109-116.

摘要 ( 163 )

PDF (3014KB) ( 346 )

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碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有轻质高强的特性,将其应用于航天运载器贮箱中,能够显著降低推进系统的结构重量及几何体积。然而,CFRP贮箱的渗漏问题严重影响了贮箱的应用。首先介绍了含金属内衬CFRP贮箱,而后综述了无金属内衬CFRP低温贮箱抗渗漏性的研究进展,主要从渗漏机理、抗渗漏设计、渗漏性检测方法等方面进行阐述,报道了国内外有关纳米材料掺杂增强、树脂基体改性增韧、铺层结构优化设计等抗渗漏设计方法,展望了无金属内衬CFRP低温贮箱抗渗漏研究的方向。

三向织物及其复合材料研究进展

饶云飞, 张辰, 王庆涛, 李炜

2018, 0(11): 117-121.

摘要 ( 92 )

PDF (2130KB) ( 336 )

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简单介绍了三向织物及其复合材料,主要阐述国内外关于三向织物及其复合材料的结构、织造、性能以及模拟等方面的研究;对三向织物及其复合材料的力学性能进行分析和总结;归纳了三向织物及其复合材料的几何模型;提出三向织物及其复合材料的发展问题和研究趋势。

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