功能化复合材料结构的设计与连接通常需要用到兼具力学性能和优异电性能的胶黏剂。本文以多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes,MWCNT)及表面氨基化多壁碳纳米管(MWCNT—NH₂)为改性填料,研究了两者含量及表面氨基化对环氧胶黏剂粘接性能与吸波性能的影响规律。结果表明:MWCNT对胶黏剂性能具有显著调控作用,随其含量增加,粘接强度呈先升高再降低的变化趋势,而吸波性能则随含量增加持续增强。表面氨基化改性通过提升MWCNT—NH₂与环氧基体的界面相容性,显著优化了胶黏剂的粘接性能,但表面官能团的引入会导致MWCNT—NH₂电子结构改变和导电网络破坏,致使MWCNT—NH₂改性胶黏剂的吸波性能较未修饰氨基的MWCNT体系的吸波性能大幅下降。

碳纤维复合材料的大范围应用对变形监测技术提出了更高的需求,当前常用的非接触式/接触式变形监测技术难以同时满足全局变形监测和实时性需求。本文在Ko理论的基础上,结合应变传感器的工作原理构建了连续弯曲变形反演理论框架,并通过空间圆弧插补方法,得到反应变形特征的可视化曲线。结合变形反演理论的应用需求,开发了多通道传感器,传感器集成了7个传感单元和一体式可插拔金手指接口。其中,单独的传感单元具有可与商用应变片媲美的传感性能,采用多通道传感器测量不同几何尺寸的圆环,证明了传感结果的曲率半径误差小于2.5%。最后,采用变形反演系统对模拟机翼后缘的变形状态进行了测试,反演结果与实际变形结果展现出高度的一致性。

近年来,液相体系中杂质的吸附由于环境等问题的突出而受到越来越多地关注。由于在液相吸附中的吸附质无论是离子还是分子都具有自身的特点,所以针对不同类型吸附质的吸附需要有针对性的吸附剂。金属有机框架材料(Metal-Organic Framework materials,MOFs)由于其良好的比表面积、丰富的反应位点而受到广泛应用。进一步地,具有功能化基团的MOFs能对有各自特点的吸附质进行针对性定制吸附,即这种含功能性基团的MOFs通过可作为针对性的吸附剂,从而实现高效率、低成本吸附。本文基于含有功能性基团的MOFs,综合概述了引入功能性基团的途径,以及不同类型的基团分别通过什么方式实现对吸附质的针对性吸附,最后提出了含功能性基团的MOFs和吸附质的选择策略。该策略能够针对特定的吸附质进行结构分析,从而选择合适的功能性基团MOFs进行吸附。然而,MOFs本身的粉末状态限制了其应用,与合适的智能基材进行复合能够打破这种局限性。未来,MOFs/智能基材复合材料具有很大的发展潜力。

采用水性聚氨酯(Waterborne Polyurethane,WPU)上浆剂对芳纶纤维进行改性,提高芳纶纤维与热塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane,TPU)树脂界面结合性能和复合材料的力学性能。采用傅里叶红外光谱仪、X射线光电子能谱和扫描电镜等对芳纶纤维结构、表面元素组成和表面形貌进行表征,结果表明WPU上浆剂成功涂覆在芳纶纤维表面。对不同WPU含量的上浆剂对芳纶纤维表面能、拉伸强度、层间剪切强度等的影响进行研究。结果表明:不同WPU含量都可以提高纤维表面的粗糙度和表面能;WPU上浆剂质量分数为0.8wt%时,对性能的提高最明显,WPU-AF表面能提高了28.91%,层间剪切强度为32.7 MPa,提高了37.9%。

本研究对芳纶纤维与超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维混杂复合材料梯度设计的防弹性能影响进行了探究。设计5种UHMWPE含量梯度方案(层数分别为0,10,20,30,40层),总面密度均严格控制在(6±0.05) kg/m²以下。通过弹道测试(分别以芳纶和UHMWPE作为弹击面),系统分析了纤维含量及铺层顺序对层合板弹道极限速度V₅₀和弹道性能指数(Ballistic Performance Index,BPI)的影响规律,并基于试验数据建立了纤维含量与防弹性能的三次项非线性回归定量关系模型(R²>99%),为混杂纤维复合材料的梯度设计与防弹装备开发提供了科学依据。

选用水性聚氨酯为基体,超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维为增强体,制备了单向正交结构的复合材料软质防弹层。基于弹道侵彻试验和无损检测表征研究了树脂模量、树脂含量和纤维展开程度对先进复合材料软质防弹层抗弹能力的影响。研究结果显示:采用低树脂含量、低模量树脂以及适当排布速率制备的UHMWPE复合材料展现出更为优异的弹道侵彻性能。低树脂含量提高了纤维占比,使得单位面密度内有更多纤维承力;低模量树脂可以降低复合材料的刚度,使更多次影响区域的纤维拔出和断裂;较快排布速率虽然可以提高生产效率,但是会产生更大的张力,从而在生产过程中对纤维造成损伤。通过分析各因素对复合材料弹道性能的影响,可以更好地设计弹道复合材料工艺参数,从而制备出先进复合材料软质防弹层。

与传统的二维织物复合材料靶板相比,三维角联锁织物层间有接结纱线连接,可以有效改善复合材料靶板的层间开裂损伤;且其曲面成型性好,用于制作防弹头盔可以一次成型,不需剪裁。然而,不同的纤维集合体结构对复合材料靶板弹道吸能的影响机制尚不明确。本研究设计织制了相同面积克重、相同纱线排列密度、不同组织结构的三维和二维织物,并加工成预浸料。通过弹道测试和有限元模拟,对比分析织物内纱线集合体结构对防弹性能的影响。弹道测试结果表明:具有相同材料重量、相同纱线排列密度的四层接结三维角联锁织物与四层斜纹织物靶板的弹道吸能接近,均低于同纱线细度的四层平纹织物;四种织物制备的预浸料靶板也存在同样的规律。有限元分析结果表明:与二维织物相比,三维角联锁织物内平直纱线上应力传递速度更快,应力分布面积更大。三维角联锁织物内接结纱屈曲率高,易提前断裂,因此耗能较少。

通过双螺杆挤出机制备了石墨烯含量为0%~15%的超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维,采用恒定载荷蠕变试验测定了纤维的蠕变伸长率与蠕变速率,利用Burgers模型对蠕变行为进行了预测。结果表明,当石墨烯含量从0%增加到8%时,纤维抗蠕变性能不断提高。在载荷加载的初始阶段(7.5 s内),蠕变伸长率ε_7.5从2.23%降至1.41%,蠕变速率dε_7.5从0.28 s^-1下降到了0.19 s^-1;在载荷稳定阶段,蠕变伸长率ε_{12 000}从7.95%降至3.86%,蠕变速率dε_{12 000}从3.67×10^-4 s^-1下降到了1.83×10^-4 s^-1。当含量超过8%后,石墨烯会因团聚导致分散不均,纤维抗蠕变性能降低,团聚还抑制了聚乙烯大分子伸直链晶的生成,纤维第一和第二吸热峰峰值温度下降。Burgers模型可以很好地预测不同石墨烯含量纤维的蠕变行为,预测结果与试验结果的均方误差低于0.06。随着石墨烯含量的增加,模型弹性模量E_M,E_K以及黏度η_M,η_K参数明显增加,验证了石墨烯对分子链滑移的抑制作用。随着石墨烯含量的增加,纤维弹性模量从纯纤维时的130.3 GPa增加到了15%石墨烯含量时的210.3 GPa,当石墨烯含量超过8%时,纤维弹性模量试验值低于Mori-Tanaka理论预测结果。

超高分子量聚乙烯纤维凭借其高比强度、轻量化及优异能量吸收能力,已成为防弹防爆复合材料的核心组分。本文深入剖析了超高分子量聚乙烯纤维的特性及其在复合材料防护机制中的核心作用,系统评述了其在陶瓷复合装甲、金属层合结构及混杂体系等关键应用领域的最新研究进展与性能优化策略。重点探讨了基于先进表面功能化、仿生梯度/多级结构以及多功能集成等创新策略,在提升界面强度、能量吸收效率和抗多次冲击能力方面的突破性进展。尽管已取得显著进展,其仍面临固有的耐热性瓶颈、高端纤维国产化核心制备技术以及跨尺度仿真与标准化评价体系等深层次挑战。未来发展趋势聚焦于智能响应型复合材料、绿色可持续制造以及多功能一体化等前沿方向。

聚硼硅氧烷剪切增稠胶(PBS-STG)是一种兼具剪切增稠特性和高稳定性的智能材料,其独特的动态交联网络结构使其在高速冲击下迅速硬化,有效吸收能量并分散冲击力,而在静态条件下保持柔软轻便的特性。本文系统分析了聚硼硅氧烷的分子结构及性能,以及防弹防爆的作用原理,并重点探讨其在防弹衣、防弹装甲、防爆玻璃、防爆服、防爆容器及盾牌等领域的应用现状。结合最新研究成果,本文还总结了当前技术瓶颈及未来发展方向,为高性能防护材料的研发提供参考。

合成了一种适用于超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维无纬布的单组分水性环氧树脂(Waterborne Epoxy Resin,WER),采用缠绕-复合-热压工艺制备单向正交结构的无纬布及复合材料板材。研究了环氧树脂的耐高低温及老化性能、WER基UHMWPE无纬布在加速老化试验下的储存稳定性、复合材料板材在不同温度下的力学性能及弹道极限V₅₀值。结果表明:环氧树脂具有较好的耐高低温性能,其拉伸剪切强度在80 ℃下还能维持在一个较高的水平,且在低温(-40 ℃)下的性能与在常温状态时相比并无下降;通过加速老化试验模拟和阿伦尼乌斯公式计算得出,环氧树脂在23 ℃环境中约279 d才会出现性能衰减;WER基无纬布具有较好的储存稳定性,能在23 ℃环境中约117 d无性能衰减;通过V₅₀来评价材料在高低温环境中的防弹性能,发现WER基复合材料经过400 h的双85老化后防弹性能几乎没有变化。

复合材料由于整体韧性和抗冲击性能优异,被广泛应用于防弹和防爆领域,复合材料内部应力波传播对于其抗冲击性能至关重要。针对由两层复合材料组成的抗冲击材料,通过使用有限元软件研究在爆炸产生的冲击载荷作用下,不同界面结构、结构参数对应力波传播的影响。研究结果表明:爆炸产生的冲击载荷到达复合材料时,部分以应力波的形式继续在材料内部传播。当应力波到达界面时,由于两侧材料的波阻抗不同,应力波发生反射和透射。相较于平整界面,三角形界面对应力波的衰减作用较强。随着三角形界面的角度减小,到达第二层复合材料的应力波峰值逐渐下降。相同角度下,应力波峰值随界面厚度增大而先减小后增大。对于防弹和防爆领域,该研究具有重要的意义。

飞机平尾的蜂窝复合材料结构尺寸大、材料结构复杂、质量要求高,喷水式超声聚焦成像检测技术可实现对蜂窝结构的成像检测;而大量检测图像的评价依赖于技术人员丰富的工程经验和高强度的工作,不可避免地会因主观因素的影响导致评价可靠性变差。由此,提出基于深度学习网络的飞机平尾蜂窝复合材料超声C扫描检测图像的智能识别技术。首先,通过喷水式超声聚焦检测方法采集飞机平尾C扫描检测图像,构建和扩充飞机平尾超声检测图像数据集;其次,基于检测图像对应的检测信号幅度分布,将检测图像按粘接完好性程度划分为三个目标区域类别;第三,构建Faster R-CNN网络并对其进行优化,形成蜂窝复合材料结构超声C扫描区域微小特征变化的智能识别网络;最后,通过试验方法测定智能识别模型的性能,验证其评价蜂窝结构超声C扫描图像的能力。研究结果表明:基于深度学习的智能模型对蜂窝复合材料分类识别的平均准确率均值达到88.2%,对粘接状态最差区域(三类区域)的识别平均准确率可达91.9%,能够用于分类统计蜂窝复合材料结构超声C扫描检测图像。

为获得复合材料机匣安装边螺栓连接结构的包容能力,在仿真软件中使用模拟叶片对安装边结构进行了抗冲击能力的数值分析探究。结果显示:模拟叶片弹体以130 m/s、150 m/s和165 m/s的速度分别冲击[45/0/-45/90]_12S、[-45/0/45/90]_12S和[90/45/0]_16S三种不同铺层形式的6 mm厚复合材料层合板-金属板螺栓连接件时,均为叶片反弹工况,当冲击速度为180 m/s时则将层合板击穿。随着冲击速度的增大,冲击过程中层合板吸收能量的值变大,损坏破损也越发严重。在包容工况下,[45/0/-45/90]_12S铺层的层合板吸收能量性能最优,抗冲击特性最好。在模拟叶片的冲击下,层合板发生较大面积的纤维压溃和脱层损伤,主要集中在叶片撞击位置及安装边倒圆角处。冲击过程中,结构最中间两个螺栓的螺杆所受应力较大,发生塑性变形。

采用三维编织技术制备蒙皮与长桁编织行数比例分别为3∶5, 4∶4, 5∶3, 6∶2的帽形单加筋结构预制体,再经真空辅助树脂传递模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding,VARTM)工艺固化成型。通过四点弯曲试验并结合三维数字图像相关(3D Digital Image Correlation,3D-DIC),分析蒙皮与长桁编织行数变化对三维编织复合材料帽形单加筋壁板弯曲性能及失效过程影响。结果表明,编织行数比例为4∶4的试样承载能力最强,编织行数比例为3∶5的试样抵抗弯曲变形的能力最好。在弯曲加载过程中,帽形单加筋壁板的腹板与凸缘连接处会发生应力集中出现裂纹,但对整体承载能力无明显影响,其承载能力降低主要是由蒙皮脆性断裂造成的。研究结果为三维编织复合材料帽形单加筋壁板结构设计提供了参考依据。

本文基于碳纤维复合材料蒙皮固化有限元模型,分析计算固化度、玻璃化转变温度、内应力和应变随时间的变化,进一步比较帽形桁条排布结构和胶接作用对复合材料蒙皮残余应力和固化变形的影响,并通过试验验证。结果表明,无桁条时复合材料蒙皮脱模后内应力达到49.1 MPa,当考虑桁条与蒙皮的胶接作用时,内应力增大到51.7 MPa。蒙皮长度和宽度方向沿中心收缩变形量为0.19~0.31 mm,蒙皮的翘曲变形受模具黏结和桁条胶接的共同作用,且桁条胶接作用影响更大。随着胶接面积减小,复合材料蒙皮翘曲变形从2.50 mm减小到1.19 mm,变形分布也更均匀。中间桁条对翘曲变形的影响大于外侧桁条的影响,残余应力集中也更明显。

预浸料自动化铺放成型是航空航天高端复合材料制造的重要工艺技术,其铺放工艺性是影响高质量、高效率、高稳定自动化铺放的关键因素之一,常以黏性与铺覆性评估。文章阐述了铺放工艺下预浸料黏结行为的形成机制,分析了内/外部影响因素及作用原理,对比了主流的黏性定量测试方法,总结了国内研究单位与应用方的相关进展情况,展望了预浸料黏性的未来研究和应用方向。

本文采用复合材料辊压自动化成型技术制备了含有曲率且结构复杂的机身Z形隔框零件,但在辊压成型过程中预浸料受到复杂的热/力作用,导致隔框出现面内屈曲或面外褶皱等缺陷。针对此类缺陷,本文对不同工艺参数和结构参数进行理论分析及工艺试验研究,通过缺陷观察与表征讨论了温度、速度和铺层结构对缺陷形成的影响。温度影响预浸料中树脂的状态,从而影响滑移机制的变化,导致缺陷产生;速度决定了预浸料发生结构响应的充分性;铺层的变化使得层间剪切、层间滑移和摩擦等作用随之发生改变,进而影响褶皱等缺陷的产生。结果表明:在温度为50 ℃、速度为50 mm/min时,隔框辊压预成型效果最好,本文的研究成果可为辊压预成型过程的参数优化提供理论指导。