复合材料科学与工程

张娜, 吕广超, 刘春太, 谈昆伦

2019, 0(3): 5-10.

摘要 ( 110 )

PDF (4897KB) ( 332 )

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将熔喷成型的热塑性聚氨酯(TPU)无纺布(TNF)作为复合材料结构化的增韧层,采用真空树脂传递模塑(VARTM)工艺制备无纺布/玻璃纤维/环氧(TNF/GF/EP)复合材料,研究了其层间断裂韧性以及增韧机制,并对无纺布引入前后的玻璃纤维织物预浸体的渗透率进行了测量。结果表明:TNF增韧后的复合材料层间断裂韧性得到提高,Ⅰ型能量释放率G_ⅠC由790 J/m²增加到1411 J/m²,提高了78%,Ⅱ型能量释放率G_ⅡC由569.9 J/m²增加到1223.8 J/m²,提高了115%,均表现出明显的增韧效果;同时,TNF的引入使得复合材料预制体体系的渗透率下降了56.5%。

CFRP筋粘结型锚固系统疲劳及应力松弛性能研究

朱元林, 刘礼华, 周佳琪, 黄盛彬

2019, 0(3): 11-15.

摘要 ( 126 )

PDF (1348KB) ( 247 )

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在三个应力水平及三个应力幅值下对CFRP筋粘结型锚固系统进行拉-拉及弯曲疲劳试验,对200万次疲劳加载后未发生破坏的试验件进行静载拉伸破坏试验,对CFRP筋粘结型锚固系统进行应力松弛性能研究。研究结果表明:研发出的单孔CFRP筋锚固系统疲劳性能优良,经历200万次的拉-拉或弯曲疲劳加载后,锚固系统没有任何损伤,疲劳加载后筋材的强度基本没有变化,弹性模量略有提高,平均提高幅度为4.3%;提出并建立的CFRP筋锚固系统应力松弛性能预测模型与试验数据吻合良好,预测1000 h锚固系统的应力松弛率的误差为4.64%;提出的CFRP筋的应力松弛性能研究方案可以有效消除锚固段内胶体变形对CFRP筋应力松弛性能测试带来的影响,获得CFRP筋1000 h应力松弛率为0.67%。

复合材料L型接头的损伤与破坏模式研究

石好男, 王继辉, 张桂明

2019, 0(3): 16-20.

摘要 ( 103 )

PDF (3308KB) ( 304 )

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建立了渐进损伤模型模拟接头失效,模型中采用改进的Hashin损伤准则及Apalak刚度退化模拟L筋条及蒙皮的损伤和渐进失效,胶层失效通过内聚力单元进行模拟,并预估L型接头的最终破坏载荷。结果表明:建立的渐进失效模型可以较准确地模拟L型接头的拉伸破坏过程,L型接头的失效主要包括胶层的开裂、填充区底部基体的拉伸破坏和蒙皮层的分层破坏。

臭氧改性碳纤维/聚酰亚胺复合材料的制备与性能研究

张荣, 裴学良, 席先锋, 欧阳琴

2019, 0(3): 21-25.

摘要 ( 118 )

PDF (3460KB) ( 322 )

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采用臭氧氧化的方法对碳纤维进行表面改性,并用作热塑性聚酰亚胺树脂的增强体。采用单丝拉伸试验、XPS研究臭氧处理时间对碳纤维单丝拉伸强度和表面官能团的影响。结果表明,臭氧处理时间越长,碳纤维力学性能的下降程度越大,而表面含氧官能团含量越多。优选单丝拉伸强度保留率较高、含氧官能团含量较丰富的碳纤维与热塑性聚酰亚胺制成复合材料,并评价其层间剪切强度(ILSS)。结果表明,臭氧处理5 min就可使碳纤维/聚酰亚胺复合材料的ILSS提升43%,说明臭氧处理可显著提升碳纤维/热塑性聚酰亚胺的界面性能。

连续大开口复合材料层合板拉伸力学行为研究

王力立, 付建伟, 薛俊川, 李新祥

2019, 0(3): 26-31.

摘要 ( 85 )

PDF (6002KB) ( 320 )

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复合材料层合板作为飞机主承力构件使用时,常需在其上设置大开口以满足设备安装、检查维修等要求,但开口切断了纤维,导致结构局部应力和变形不连续,进而引发的应力集中使其力学行为复杂。针对机体主承力结构中含两个椭圆形大开口的复合材料层合板,采用试验与数值模拟相结合的方法,对其在拉伸载荷作用下的变形、传载以及应力集中现象进行了分析,并预测了结构损伤失效模式及破坏载荷。结果表明:复合材料层合板大开口附近应力分布复杂,应力集中导致开口周边区域易出现损伤,且损伤形式多样;尽管决定层合板极限强度的是纤维拉伸损伤失效,但泊松效应引起开口区过早出现的纤维挤压损伤不容忽视。

木粉增强聚丙烯复合材料制备及性能研究

朱秀芳, 张军, 杨旭宇, 张义

2019, 0(3): 32-37.

摘要 ( 96 )

PDF (2069KB) ( 299 )

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用硅烷偶联剂(KH550)处理木粉,再与废旧塑料(主要成分为聚丙烯)混炼,制备成木粉/聚丙烯复合材料。测试了不同木粉粒径以及不同木粉含量对复合材料力学性能、热性能的影响,并通过紫外荧光试验,测试了20%(质量百分比)木粉含量的木塑复合材料中聚丙烯在紫外荧光条件下的再结晶性能,结果表明木粉/聚丙烯复合材料的力学性能随着木粉粒径及含量的增加先增加后降低;随着木粉含量的增加,木塑材料的耐热温度降低;随着暴露在紫外荧光时间的增加,聚丙烯的结晶度逐渐增加。

提高层压板屈曲强度的铺层顺序优化方法讨论

黄丽华, 刘博, 史婷伟

2019, 0(3): 38-42.

摘要 ( 114 )

PDF (1149KB) ( 260 )

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复合材料层压板铺层优化设计对于提高飞机结构承载能力至关重要。本文基于遗传算法和随机正态分布优化算法,以轴压复合材料层压板屈曲荷载为目标函数,开展铺层顺序优化设计。采用MATLAB语言编写两种优化算法程序,对不同铺层数和边界条件的对称均衡层压板进行铺层顺序优化。结果表明:采用整数编码、罚函数处理约束条件的遗传算法能够优化层合板铺层顺序问题;当铺层总数为24层时,四边简支和四边固支层合板的最优铺层相比最差铺层的承载力分别提高了27%和15%,优化铺层设计效果明显。随机正态分布优化算法计算结果与遗传算法结果一致,随机正态分布优化算法更简单实用、易收敛,更适用于层压板的铺层顺序优化设计。

含锆、硅有机陶瓷前驱体的制备及其陶瓷化研究

杨明泽, 周权, 彭峥强, 宋宁

2019, 0(3): 43-48.

摘要 ( 150 )

PDF (2953KB) ( 365 )

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以正丙醇锆、乙酰丙酮,1,2-丙二醇为原料,制备主链为-Zr-O-CH₂-CH-,侧链含有不饱和基团的含锆聚合物(ZMP)并作为锆源。将主链为-SiH、-C≡C-的硅炔树脂(PTSA)作为硅源。将二者以质量比2∶5进行复配,制得陶瓷前驱体(PMS)。采用FT-IR和NMR对ZMP结构进行表征,EDS分析了ZMP的元素组成;利用原位红外分别探讨了PMS的固化行为,运用TGA研究了PMS的耐热性能;TGA测试表明,陶瓷前驱体具有良好的耐热及热稳定性能,在氮气和空气气氛下1000℃时的质量保留率分别为90.24%和88.53%。通过XRD、SEM、TEM和Raman研究了PMS的陶瓷化演变。陶瓷化演变结果表明,PMS在1600℃下的陶瓷转化率高达57.4%,且陶瓷产物中含高结晶度的ZrC、SiC晶体。

纤维波纹对层间增韧碳纤维/环氧复合材料单向板力学性能的影响

徐鹏, 顾轶卓, 吴臣君, 高龙飞

2019, 0(3): 49-54.

摘要 ( 100 )

PDF (5791KB) ( 344 )

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本文采用层间增韧型碳纤维/环氧预浸料X850,通过碾压预制的面外波纹和预浸料叠层中插入预浸料条两种方法,分别制作了含面内纤维屈曲和面外纤维褶皱缺陷的单向层板,成型固化采用热压罐工艺。对复合材料中的两种纤维波纹进行了表征,并对拉伸与压缩性能进行了测试分析。实验结果表明:得到了波纹比不同的复合材料试样,纤维含量一致且无其他缺陷;在所预制的波纹比范围内,面外褶皱对层板的拉伸性能影响较小,压缩性能小幅降低,而拉伸及压缩性能对面内屈曲非常敏感,随波纹比增大,强度、模量及试样的破坏模式均发生显著变化,说明纤维波纹形式对该类缺陷的评估十分重要。

酸处理玄武岩纤维沥青常规性能研究

刘春波, 刘胜

2019, 0(3): 55-60.

摘要 ( 57 )

PDF (8194KB) ( 137 )

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为增强玄武岩纤维(BF)在沥青中的加筋及增强效果,选用1.0 mol/L和2.5 mol/L的盐酸(HCL)溶液对BF表面进行侵蚀处理,通过环境扫描电镜(ESEM)试验和红外光光谱(FTIR)试验对其表面微观形貌进行观测分析,原样BF表面光滑,HCL溶液侵蚀处理后,BF呈现整体侵蚀,表面形成硅酸胶层,-OH含量有所增加;通过软化点、5 ℃测力延度及ESEM试验等,研究了玄武岩纤维沥青的常规性能及拉拔断口形貌,随着HCL溶液浓度及处理时间增加,BFA的性能基本呈先好后坏的趋势,从BFA断口处明显可以看出酸溶液处理后的BF表面裹覆了一层薄薄的沥青膜,且得到了HCL溶液处理BF相对较优的方案为:溶液浓度为2.5 mol/L,处理时间为20 min。

一种纤维缠绕机自动挂纱夹持机构的设计与验证

田会方, 康伟, 张阳, 吴迎峰

2019, 0(3): 61-64.

摘要 ( 104 )

PDF (1794KB) ( 212 )

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针对目前纤维缠绕作业流程中的人工挂剪纱现象,设计了一种应用于纤维缠绕机的自动挂纱机构,并对其中的自动夹持机构这一关键部位进行了实验。采用工业生产中使用的玻璃纤维和碳纤维预浸带作为实验材料,分别在干纱和浸胶状态下测试了机构对纱线的夹持效果,分析了不同夹持力下机构对纱线滑动临界拉力的关系,并对干纱和浸胶状态下机构的夹持效果进行了对比。实验测试结果基本满足了挂纱作业中对纤维夹持力的需求,验证了机构方案的可行性,为挂纱机构的完善和改进提供了参考。

法向增强预制体/酚醛扩张段RTM制备技术研究

赵文斌, 田谋锋, 姚亚琳, 王静

2019, 0(3): 65-69.

摘要 ( 122 )

PDF (1865KB) ( 259 )

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RTM工艺可实现扩张段构件近净尺寸成型,纤维体积含量可达53.1%~59.9%。本文对法向增强预制体/酚醛扩张段RTM制备技术涉及的树脂基体、法向增强预制体、注射设备与模具进行了讨论。采用RTM工艺制备以酚醛树脂为基体,以2.5 D编织预制体或针刺预制体为增强材料的扩张段材料并分析其性能,研究结果表明,扩张段构件的层间剪切强度高达59.2 MPa以上,抗烧蚀冲刷性能显著提高。

复合材料大巴车身模具的设计与制造技术

黄尚洪, 李义全, 李瑞盈, 武健丹

2019, 0(3): 70-75.

摘要 ( 104 )

PDF (2826KB) ( 274 )

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基于北京玻钢院复合材料有限公司在模具工程化领域的经验,详细阐述了复合材料大巴车身模具的设计和制造过程,并对产品的各项性能进行了测试。该模具在设计和制造过程中采用了与大巴车模具型面相配套的结构和功能设计,如避免模具屈曲变形的刚度加强设计、顶升机构与金属镶块组成的车底模具脱模系统、温度场稳定性控制系统、双真空系统、可滑动型面调节系统等。之后针对制造过程以及测试过程,介绍了相关的关键点和参数。经验证,该模具各项技术测试均满足产品技术要求,符合初始设计目标。

高碳酚醛树脂及其复合材料的炭化性能演变

束长朋, 杨鹏翱, 施正堂, 周权

2019, 0(3): 76-81.

摘要 ( 135 )

PDF (3101KB) ( 374 )

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碳纤维增强酚醛树脂基复合材料是制备C/C复合材料的前驱体,但是目前所应用的酚醛树脂残炭率较低,浸渍炭化周期过长,工艺成本过高,限制了C/C复合材料在民用领域的大规模应用。因此,研究新型的高碳酚醛树脂及其作为基体的复合材料在炭化过程中的性能演变情况,可以有效促进酚醛树脂在C/C复合材料生产中的应用。本文探究了高碳酚醛树脂及其复合材料的炭化性能,研究了高碳酚醛树脂的结构、固化、耐热性,对高碳酚醛树脂及其碳纤维增强复合材料的炭化后性能进行了研究。研究结果表明:高碳酚醛树脂具有较普通酚醛树脂更高的残炭率;当炭化温度过高时,会出现无规则的非晶态的碳颗粒,影响材料的有序性、显气孔率等。在1000 ℃下炭化,会得到较为优异的孔隙率,利于后续制备工艺的进行。

复合横担塔-线在线路脱冰作用下的振动

邱勇, 郁杰, 赵华赟

2019, 0(3): 82-85.

摘要 ( 106 )

PDF (2215KB) ( 241 )

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用复合横担对现有铁塔横担进行技改,借助有限元软件ANSYS建立了技改前后的四跨输变电线路有限元模型,采用改密度法模拟导线覆冰脱冰,分析塔线体系对线路脱冰的动力响应。结果表明:在导线脱冰跳跃时,复合横担塔能够有效增大安全电气距离,可以防止闪络事故,同时选用合适的金具长度可有效减小对其的冲击。

X射线CT成像检测方法对复合材料内部分层缺陷检测结果的影响研究

董方旭, 王从科, 凡丽梅, 赵付宝

2019, 0(3): 86-91.

摘要 ( 109 )

PDF (4332KB) ( 261 )

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采用X射线断层CT成像检测、X射线螺旋CT成像检测和X射线锥束CT成像检测三种X射线CT成像检测方法对预制机械加工模拟分层缺陷的碳纤维树脂基复合材料进行检测,从检测速度、检测图像质量、缺陷分辨率三个方面比较这三种X射线CT成像检测方法。结果表明,X射线锥束CT成像检测方法在对复合材料内部分层缺陷的检测中具有检测效率最高,检测图像质量最好以及缺陷尺寸测量误差最小的优点,为复合材料内部其他缺陷检测方法的选择提供借鉴意义。

石墨烯定向排列增强聚合物基复合材料研究进展

杨士萱, 矫维成, 楚振明, 张辰威

2019, 0(3): 92-100.

摘要 ( 172 )

PDF (3343KB) ( 450 )

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在树脂基体中引入以石墨烯为代表的碳纳米材料可显著改善复合材料的力学性能、导热性能以及多功能性,从而为传统的复合材料注入新的内涵。纳米材料在复合材料中的排列形式将直接影响复合材料的性能。据文献报道,相比随机排列增强的复合材料,石墨烯定向排列增强的石墨烯/聚合物复合材料的强度可提高0.5倍,韧性提高约1.2倍,热导率提高约1倍。对此,本文总结了石墨烯定向排列增强聚合物复合材料的制备方法,包括层层自组装法、流动剪切诱导法、抽滤诱导定向法、外场诱导定向法等;并简述了每种制备方法的优缺点;分析了石墨烯定向排列对复合材料力学性能、导热性能、导电性能的增强效果,在此基础上,展望了石墨烯定向排列增强聚合物复合材料的发展前景。

碳纤维增强复合材料切削过程数值模拟研究进展

方春平, 赵金泽, 李占树, 凌丽

2019, 0(3): 101-104.

摘要 ( 98 )

PDF (2568KB) ( 422 )

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碳纤维增强复合材料由于具有优良的综合性能,被广泛应用于航空航天等领域。近年来,数值模拟技术在研究碳纤维增强复合材料切削加工过程、工艺参数优化、材料去除机理等方面发挥了重要作用。通过分析和讨论国内外碳纤维增强复合材料在切削力、材料表面完整性、损伤机制方面的研究及应用,综述了碳纤维增强复合材料切削过程数值模拟技术的研究进展,并对其发展方向进行了初步展望。

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