复合材料科学与工程

孙振辉, 铁瑛, 李成, 侯玉亮

2019, 0(1): 5-10.

摘要 ( 130 )

PDF (3899KB) ( 138 )

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采用解析计算和拉伸试验相结合的方法,对开孔CFRP复合材料板的孔边应力和损伤进行了研究。基于复变函数方法并结合Tsai-Hill失效准则,计算得到了层合板各单层的主应力分布和首次损伤载荷系数。为了测定层合板面内拉伸性能并对解析结果进行验证,基于ASTM D5766-07试验标准对CFRP层合板进行了拉伸试验。研究结果表明:当开孔CFRP层合板承受沿长轴方向拉伸载荷时,0°和±45°铺层为主承力层,且主应力σ₁最大值出现在与孔中心成65°～115°和245°～295°范围内;各层最小首次损伤载荷系数出现在65°~115°范围内,其中,45°层和-45°层的损伤载荷系数最小;当载荷达到初始损伤载荷时,层合板开始出现内部损伤和参数退化;拉伸试验后CFRP复合材料板试件损伤的形式主要为基体开裂和纤维断裂,损伤的区域在孔周边61°～90°和241°～270°范围内,试验结果与解析计算结果基本一致。

石墨烯纳米片对碳纤维/聚丙烯复合材料导热及力学性能的影响

夏雪, 梅启林, 王聪, 周宵

2019, 0(1): 11-14.

摘要 ( 93 )

PDF (2409KB) ( 144 )

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采用熔融共混法制备了聚丙烯(PP)/石墨烯纳米片(GNSs)/碳纤维(CF)复合材料,研究了石墨烯纳米片含量对其导热性能和力学性能的影响。结果表明,石墨烯纳米片和碳纤维混合使用,不仅对导热有明显的协同作用,力学性能也有一定提升。PP/GNSs(3 phr)/CF(2 phr)复合材料热导率为0.42 W/(m·K),相对于纯PP、PP/GNSs(3 phr)复合材料分别提高了110%、31%;该复合材料的拉伸强度和弯曲强度最大相对于纯PP提高了12%和13%,相对于PP/CF(2 phr)复合材料提高了8%和12%。

氧化铝增强混杂纤维复合材料传动轴微波固化性能研究

郑伟峰, 周来水, 袁铁军, 安鲁陵

2019, 0(1): 15-22.

摘要 ( 102 )

PDF (4006KB) ( 156 )

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为了提升微波固化成型复合材料传动轴的承载能力,提出了采用混杂纤维作为增强体,氧化铝颗粒增强环氧作为基体的材料增强方法,同时进行微波固化工艺的优化。通过对比平板试样的层间剪切、拉伸以及动态冲击性能,确定最优体积混杂比、氧化铝含量及微波固化参数。在此基础上,通过织物湿法缠绕制备传动轴缩比件,基于轴的弯曲和扭转试验,对比热固化和微波固化的性能差异等。结果表明:①利用低功率预热结合高功率固化,可以在保证固化效率的前提下,提高试样的层间剪切强度;②随着碳/玻混杂比的增加,在试样层间剪切和面内拉伸性能增加的同时,伴随着冲击韧性的降低;③随着氧化铝含量从0增加到30%,试样的层间剪切强度、拉伸强度和模量分别提升了8.7%、27.9%和12.5%,含量进一步增加会造成性能降低;④热固化和微波固化得到的复合材料传动轴身管的最大扭矩、弯曲强度/模量性能处于同一水平。

材料铺排顺序对储能飞轮应力影响规律研究

任正义, 张绍武, 杨立平, 黄同

2019, 0(1): 23-27.

摘要 ( 77 )

PDF (1183KB) ( 159 )

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以复合材料储能飞轮为研究对象,分析材料铺排顺序对飞轮应力的影响规律。针对飞轮的结构特点,建立多层过盈配合复合材料轮缘应力分析模型,通过ANSYS Workbench软件分析不同材料铺排顺序下复合材料飞轮的径向、环向应力分布情况。结果表明:在转速一定的条件下,当各层轮缘材料相同时,使用玻璃纤维时受到的应力最大,使用碳纤维T800时受到的应力最小;当各层轮缘材料不同时,内层采用成本较低的玻璃纤维,中层采用碳纤维T300,外层采用成本较高的碳纤维T800受力最均匀,变化梯度最小。研究结果将对复合材料储能飞轮的设计和优化工作有一定的参考价值。

钛板表面处理工艺对钛板与复合材料粘接性能影响

董炜, 黎增山, 崔海超

2019, 0(1): 28-35.

摘要 ( 103 )

PDF (5464KB) ( 229 )

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纤维增强钛合金层板(TiGr)是纤维金属层板中综合性能最优异的层板之一,被广泛应用于航空结构中。TiGr层板中钛板与复合材料的粘接性能会影响TiGr层板的刚度和失效模式,而钛板与复合材料的粘接性能受工艺影响较大。采用浮辊剥离试验和极差分析方法,研究了钛板表面处理工艺对钛板与复合材料粘接性能的影响。试验表明进行两次等离子体处理工艺的钛板与复合材料粘接件的剥离强度最高,为6.914 kN/m,而进行两次等离子体处理和树脂防护的钛板与复合材料粘接件的剥离强度最低,为2.139 kN/m。在剥离过程中,钛板与复合材料粘接界面存在三种破坏模式:钛板与胶膜的粘附破坏、胶膜的内聚破坏、胶膜与复合材料的粘附破坏,发生胶膜的内聚破坏时,钛板与复合材料的粘接性能最好。钛板表面进行树脂防护,钛板与复合材料的粘接性能降低。钛板表面进行等离子体处理之前进行喷砂处理,获得的钛板与复合材料的粘接性能弱于仅进行等离子体处理获得的钛板与复合材料的粘接性能。

无腹筋BFRP筋混凝土深梁受剪性能研究

张志金, 刘华新, 李庆文, 王学志

2019, 0(1): 36-41.

摘要 ( 97 )

PDF (1082KB) ( 146 )

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在对称集中荷载作用下,对7根无腹筋BFRP筋混凝土深梁进行受剪试验,分析了构件的裂缝发展、破坏形态及不同剪跨比、BFRP筋配筋率、玄武岩纤维体积掺率对构件跨中挠度、开裂荷载和极限荷载的影响。试验结果表明:各试验梁均发生剪切破坏;相同荷载作用下,跨中挠度随着剪跨比的增大而增大,随着配筋率及玄武岩纤维体积掺率的增大而减小;开裂荷载与极限荷载均随着剪跨比的增大而减小,随着配筋率及玄武岩纤维体积掺率的增大而增大。参照相关规范对试验梁抗剪承载力进行计算,研究结果表明美国ACI 440.1R-06规范计算值与试验值比较吻合,加拿大CSA.S 806-12规范稳定性较好,中国GB 50608—10规范相对保守,建议采用美国ACI440.1R-06规范对无腹筋BFRP筋混凝土深梁进行抗剪承载力计算。

硫脲改性聚酰胺固化剂的制备及其性能研究

黄远征, 黄智勇, 代海峰

2019, 0(1): 42-46.

摘要 ( 97 )

PDF (1302KB) ( 174 )

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为制备与E-51粘度配套的室温快固化聚酰胺类固化剂,使用硫脲改性自制低粘度聚酰胺,探究了最佳反应条件。采用非等温DSC法研究了改性固化剂/E-51的固化反应动力学,并测试了改性前后固化体系的热稳定性。结果表明:硫脲用量为8%,反应温度为100 ℃,反应时间为1 h时改性固化剂的粘度为10.9 Pa·s,凝胶时间为23 min,固化时间为47 min,满足使用需求。Kissinger法计算改性固化剂/E-51的固化反应活化能为38.79 kJ/mol,阿伦尼乌斯常数为9.68×10⁴,25 ℃反应速率常数为0.0154,FWO法计算活化能为42.73 kJ/mol。改性前后固化体系热分解温度分别为347.46 ℃、350.72 ℃。

废弃碳纤维/环氧树脂复合材料的热解特性及动力学研究

宋金梅, 刘辉, 王雷, 王英明

2019, 0(1): 47-53.

摘要 ( 79 )

PDF (2087KB) ( 195 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

采用热重分析仪对废弃碳纤维/环氧树脂复合材料(CF/EP复合材料),分别在升温速率为6.67 ℃·min^-1、10 ℃·min^-1和13.33 ℃·min^-1下进行热解,考察了不同气氛及不同升温速率对CF/EP复合材料热解的影响。结果表明:升温速率和反应气氛对废弃CF/EP复合材料热解过程及特性有重要影响;废弃CF/EP复合材料在氮气氛下热解反应速率较快阶段只有一个阶段,为第一失重阶段,且为一级反应模式。废弃CF/EP复合材料在空气氛下的热解反应速率较快阶段有两个阶段,第一失重阶段为二级反应模式,第二失重阶段为0.5级反应模式;空气氛下热解第一失重阶段在相同分解温度下与氮气氛下热解反应机理不同;提高升温速率可显著增加废弃CF/EP复合材料热解的表观活化能和指前因子;经外推法可知,氮气氛表观活化能为55.84 kJ·mol^-1,空气氛第一失重阶段表观活化能为39.24 kJ·mol^-1,第二失重阶段表观活化能为-8.62 kJ·mol^-1。

单孔中空涤纶增强橡胶基复合材料吸声性能

洪杰

2019, 0(1): 54-60.

摘要 ( 65 )

PDF (7223KB) ( 63 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

以氢化羧基丁腈橡胶(简称“HXNBR”)为基体,单孔中空涤纶(简称“SHHPF”)为增强体,制取了HXNBR/SHHPF材料,对其吸声性能进行了研究。结果表明:1 mm厚的HXNBR/SHHPF材料随着SHHPF的使用及用量增加,吸声性能逐渐得到改善,在SHHPF用量为40%时为最佳,2500 Hz处的吸声系数增至0.671,吸声系数大于0.2的有效频域拓宽至1800 Hz~2500 Hz,但SHHPF用量进一步增至50%时吸声性能有所下降;保持HXNBR与SHHPF的质量比为80/20不变,逐渐将材料厚度从1 mm增加至5 mm,材料的吸声性能也随之得到改善,但在3 mm后再增加厚度其改善已较小,且改善呈现往中频移动的趋势;HXNBR/SHHPF材料在吸声性能得到改善的同时,其拉伸力学性能也得到显著改善,有助于材料的实际应用。

镀镍玻纤/环氧树脂复合材料电热融冰性能

秦文峰, 游文涛, 范宇航, 韩孝强

2019, 0(1): 61-65.

摘要 ( 112 )

PDF (3307KB) ( 266 )

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利用化学镀法在经过处理的玻璃纤维表面制备了致密、均匀的Ni-P镀层。分别研究镀镍玻璃纤维的电热特性及其复合材料的融冰性能。SEM表明玻璃纤维镀镍之前表面光滑,镀镍后镍粒子分布均匀且其直径分布在150 nm~300 nm之间。电阻测试表明样品电阻随镀镍时间的增长而降低,镀镍时间为25 min,样品的表面电阻为1.4 Ω/□。循环电热实验表明镀镍玻纤具有良好的电热特性,随着输入功率的增加,升温能力迅速提升,且都可在40 s内达到最高平衡温度。样品在多次电热循环过程后导电性能提高,这可能和高温促使其发生了晶体化转变有关。除冰实验表明利用镀镍玻纤/环氧树脂导电玻璃钢材料拥有较好的除冰效果,5 V输入电压下,冰块在镀镍玻纤/环氧树脂复合材料表面最短脱落时间为112 s。

RTM工艺用耐高温环氧树脂性能比较研究

钱建华, 付建辉, 黄锐

2019, 0(1): 66-70.

摘要 ( 120 )

PDF (3209KB) ( 136 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

研究了适用于RTM工艺的单组分耐高温环氧树脂的结构、性能和形态。红外光谱(FTIR)和核磁共振(¹HNMR)表明MERICAN 3768和CYCOM 890两种单组分耐高温环氧树脂具有相同的结构组成。MERICAN 3768环氧树脂粘度低,在80 ℃放置12 h后,粘度从240 mPa·s增加为300 mPa·s,具有较长的工艺适用期,工艺性能可满足RTM工艺的要求。热重分析(TGA)和动态热机械分析(DMA)研究表明MERICAN 3768与 CYCOM 890树脂的耐热性相近,MERICAN 3768树脂浇注体的力学性能与CYCOM 890相当。

复合材料胶接用金属喷砂工艺研究

章宇界, 赵鑫, 郭金海, 史文峰

2019, 0(1): 71-74.

摘要 ( 102 )

PDF (1538KB) ( 132 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

对复合材料胶接用金属材料及表面处理方式进行简述,并对TC4钛合金、5052铝合金、304不锈钢、4J36殷钢的喷砂工艺参数进行实验研究。以喷砂时间为变量,以金属材料喷砂后与复合材料试件的胶接拉剪强度表征金属材料喷砂后的表面状态。实验表明:在喷砂材料为40目石英砂,喷砂距离约为150 mm,喷砂角度为45°,喷砂压力为0.5 MPa的条件下,TC4钛合金的合理喷砂参数为30 s±5 s/15 cm²,5052铝合金的合理喷砂参数为20 s±5 s/15 cm²,304不锈钢的合理喷砂参数为45 s±5 s/15 cm²,4J36殷钢的合理喷砂参数为25 s±5 s/15 cm²。

在碳纤维表面原位浸渍聚合尼龙6的工艺探究

邹雪雪, 李金焕, 占冬至, 肖军

2019, 0(1): 75-81.

摘要 ( 87 )

PDF (2735KB) ( 169 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为了在碳纤维生产线上配备碳纤维/尼龙6复合材料在线生产装置,探究了一种通过纤维活化原位浸渍聚合法在碳纤维表面合成尼龙6的方法,即先在碳纤维表面包覆一层活化剂TDI(2,4-甲苯二异氰酸酯),将纤维活化,再将活化后的纤维通过预先对己内酰胺与引发剂氢氧化钠体系除水而获得的单体阴离子熔体中,通过单体阴离子扩散聚合在纤维表面形成一层尼龙6。研究表明,采用该纤维活化原位浸渍聚合方法可以成功地在碳纤维表面形成一层尼龙6树脂,但聚合温度对尼龙6的转化率、熔融结晶行为和分子量影响较大,过量的活化剂对尼龙6的转化率也存在不利影响,如果改进活化剂配比,将会提高聚合物的转化率。最后通过红外、电镜扫描(SEM)对材料的官能团分布和微观形貌进行了研究。

可剥布表面处理对复材胶接质量的影响

陈璐圆, 顾灵聪, 王旭

2019, 0(1): 82-86.

摘要 ( 103 )

PDF (3170KB) ( 248 )

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复合材料的胶接质量取决于多种物理和化学因素,主要与可剥布的成分、胶接面微观形态、环境湿度等因素息息相关。为研究可剥布处理后复材表面形貌特征和表面自由能对胶接质量的影响,通过扫描电子显微镜、表面张力仪等检测手段,建立了复合材料表面特性与断裂韧性之间的关系。结论表明表面清洁度对胶接质量有直接影响,而表面自由能对胶接质量的影响尚未得到证实。

背散射技术对缠绕复合材料均匀性的表征

郑善朴, 陆铭慧, 刘磨, 江宪荣

2019, 0(1): 87-90.

摘要 ( 85 )

PDF (2254KB) ( 165 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

通过对纤维缠绕成型复合材料声学特性的研究,针对常规超声底波法检测该材料的困难,提出了一种利用超声背向散射信号表征材料均匀性的无损检测方法。通过大功率超声脉冲反射法提取玻璃纤维缠绕复合材料试块多个区域的回波信号,引入超声背向散射积分作为参数对背向散射信号进行时域和频域的分析,最后利用超声非线性系数对其表征效果进行验证。结果表明:时域背向散射积分对缺陷的敏感性高于频域积分、低于超声非线性系数,背向散射积分是有效、准确评价材料内部质量均匀性的参数。

PAN基碳纤维布电热装置电热性能的研究

杨妙, 仝瑶瑶

2019, 0(1): 91-94.

摘要 ( 70 )

PDF (1073KB) ( 166 )

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碳纤维是一材多用的功能和结构材料,采用湿法成型制成的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维具有发热均匀、热量稳定的优点。为了研究PAN基碳纤维布的电热性能,设计制作以PAN基碳纤维布为发热体的电热装置,并对该装置的阻温特性、电压-温度、通电时长-温度等进行实验,结果表明:①装置在通电加热后,电阻变化率随温度的升高略有升高,但是变化非常小;②装置在低压下具有良好的热稳定性,表面温度与电压、输入功率基本成正比;③装置温升速度快,温度波动小于0.5 ℃,热稳定性好。证明PAN基碳纤维布能够替代电阻丝作为发热材料,为PAN基碳纤维布作为电热装置发热材料的推广和使用提供了实验依据。

先进拉挤技术辅助成型等截面螺旋结构制品的研究

李世成, 赵鑫, 詹光亮, 叶奇飞

2019, 0(1): 95-98.

摘要 ( 80 )

PDF (1233KB) ( 172 )

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为了提高等截面螺旋结构制品的成型效率及自动化程度,对其成型工艺进行了研究。针对该结构制品的截面尺寸及其预制体的工艺特征,进行了成型参数设计和工艺试验,最终采用先进拉挤工艺(ADP)制备了等截面的预制体,并将预制体扭转填充至螺旋槽中真空固化成型了相关制品。研究表明,采用ADP辅助成型等截面螺旋结构制品的自动化程度高、致密性好,制品表观质量有所改进。

GFRP锚杆在抗浮工程中的研究现状与展望

李景文, 乔建刚, 付旭, 刘晓立

2019, 0(1): 99-105.

摘要 ( 107 )

PDF (1338KB) ( 154 )

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GFRP抗浮锚杆是解决杆体腐蚀问题的有效途径之一,在地下结构抗浮工程中具有广阔的应用前景,首先分析了近年来GFRP抗浮锚杆的基本组成、工作特性及设计方法等方面的研究现状,其次详细介绍了GFRP抗浮锚杆内锚固和外锚固试验研究进展,总结和分析了GFRP抗浮锚杆的锚固机理特性:在拉力载荷作用下,内锚固段的破坏形式主要为杆体拔断和发生剪切位移,承载力与锚固段直径和长度呈正相关性,但存在临界锚固长度,轴力与剪应力分布范围在距孔口0~3 m范围之间;外锚固段的破坏形式为拔出、劈裂和滑移三种,锚具锚固可比直锚提供更高的承载力,弯曲锚固的弯曲半径和弯折长度对承载力有直接影响,外锚固段的载荷-滑移量关系曲线呈三阶段变化形式。最后,对GFRP抗浮锚杆在抗浮体系承载与变形特性研究、基于地下水位预测的稳定性计算和GFRP抗浮锚杆制作/设计/施工一体化技术方面的工作进行了展望。

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