探讨了功能梯度碳纳米管增强复合材料锥-柱组合壳在任意边界条件下的自由振动特性。研究涵盖了碳纳米管的均匀分布以及四种不同的功能梯度分布情形,通过应用广义混合率求得了该类型复合材料的有效物性参数。基于Love壳理论及Sanders壳理论构建了圆锥壳的理论模型,并通过参数退化方法推导出圆柱壳的理论模型。给出了组合壳的能量函数,并利用人工弹簧技术模拟壳体端部的任意边界条件以及各子壳接合处的连续性条件。分别采用Fourier级数和Chebyshev多项式表示壳体的周向和轴向位移分量,并采用Rayleigh-Ritz法建立锥-柱组合壳的振动方程。随后求解了该组合壳结构的固有频率,并将其与既往文献中的计算结果以及试验结果进行对比分析,从而有力证实了该研究模型与所运用方法的可靠性和有效性。通过参数影响分析,研究了周向波数、厚径比、半径比、半顶角以及碳纳米管体积率与分布形式等关键因素对锥-柱组合壳固有振动特性的影响。

以玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer,GFRP)-轻木夹芯结构为研究对象,进行了无增韧、Kevlar短切纤维增韧、Kevlar短切纤维与氧化石墨烯混合增韧三类夹芯梁共9根试件的三点弯曲试验。通过分析GFRP-轻木夹芯结构界面的剥离形态、裂纹扩展规律和应变能释放率等,阐明了不同增韧方式的增韧机理。试验结果表明,相比无增韧试件,混合增韧试件的剥离临界荷载提升了25.96%,平均应变能释放率提升了92.4%,表明混合增韧方法能够显著提高GFRP-轻木夹芯结构的界面韧性。结合扫描电镜图像和试验数据分析发现,Kevlar纤维的增韧机理为形成复合纤维桥接结构,而氧化石墨烯的增韧机理为树脂改性,改性后的树脂能够紧密包裹混合纤维丝,从而增加界面剥离的难度。

本研究针对拉挤碳纤维增强热固性树脂基复合材料(拉挤碳纤维增强复合材料)在复杂载荷下的力学行为,通过多种力学试验,结合数字图像相关测量技术(Digital Image Correlation,DIC)与扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)阐明其失效机制,并基于三维实体单元和三维Hashin破坏准则,对拉挤碳纤维复合材料开孔拉伸的应变场与力学响应进行预测。结果表明,材料在不同受力方向表现出显著的各向异性失效行为,纵向拉伸与压缩性能均明显高于横向拉伸与压缩性能,其主要原因为拉挤成型复合材料在不同工况下的失效模式具有方向依赖性。纵向拉伸失效以纤维-基体界面脱黏引发应力重分布进而导致纤维脆性断裂为主,而横向拉伸则表现为基体主导的断裂伴随界面脱黏。在压缩工况下,纵向失效源于纤维微屈曲,横向失效则以基体剪切屈服诱导界面脱黏与纤维局部屈服为主。由于纤维的断裂与屈服载荷明显高于基体,因此纵向力学性能显著优于横向。在剪切失效模式中,复合材料呈现多裂纹扩展特征,失效始于缺口附近的水平基体裂纹,沿试样深度方向扩展为多个平行于纤维的基体裂纹,最终导致材料整体失效。此外,开孔拉伸强度可达1 246.83 MPa,表现为典型的孔边应力集中诱发的纤维-基体界面纵向劈裂失效。通过对开孔拉伸进行数值模拟预测了材料失效机理,偏差为11.06%。最后,将DIC技术与传统应变片法进行对比分析,发现其在任何应力水平下的差异均小于4%,验证了此试验中通过DIC全场应变得到的应变云图与应力-应变曲线的可靠性。本研究通过多种基础力学试验分析了拉挤成型碳纤维复合材料的失效机理,为复杂载荷下的结构设计与失效评估提供了理论依据。

在铝基复合材料中添加陶瓷相是改善其性能的一种有效手段。本文采用冷喷涂技术制备了陶瓷颗粒增强铝基复合材料,其中陶瓷颗粒为SiC与Al₂O₃等比例混合,陶瓷总含量分别为15wt%、30wt%、45wt%,进而分析了沉积体的截面形貌、颗粒含量、结合强度、拉伸强度及硬度等性能。显微组织分析显示,随着陶瓷颗粒理论含量的增加,其在沉积体中的实际占比从 11% 提升至23%。然而,当理论含量达到45wt% 时,沉积体出现了颗粒团聚、界面结合弱化的问题,同时孔隙率由1.12%上升至1.23%。力学测试结果显示,显微硬度呈现非单调变化趋势(107.6 HV→106.2 HV→113.4 HV),结合强度和抗拉强度分别提升至48.38 MPa和156.81 MPa,但高含量沉积体因界面缺陷导致塑性变形能力显著下降。摩擦学测试结果表明,摩擦系数从0.53增至0.57,磨损量由3.24 mg降至2.85 mg,揭示了SiC与Al₂O₃的协同耐磨效应。研究指出,低含量(15wt%)沉积体综合性能均衡,而高含量(45wt%)沉积体虽硬度和耐磨性突出,但需通过优化颗粒分散性及界面结合抑制断裂倾向。

电磁功能结构兼具承载和吸波双重性能,常用于边缘部位以降低电磁散射。然而,电磁功能结构在服役过程中易受磕碰甚至冲击损伤,不仅会削弱其承载性能,还会严重影响其电磁性能。本文以电磁功能结构为研究对象,通过建立完好、贯穿损伤及蒙皮损伤等多种状态下的电磁仿真模型,分析并综合评价了其在X波段内不同俯仰角入射条件下的雷达散射截面,并结合电磁场及功率损伤密度分布,进一步探究了损伤对结构的影响机制。研究结果表明:损伤对结构吸波性能的影响具有显著的频率与角度依赖性,前端半径为30 mm的贯穿损伤导致结构雷达散射截面最大增加21.65 dB;功能结构的电磁性能衰减随损伤尺寸增大而上升,且损伤的不利影响在低频更为显著;前端蒙皮破损的危害程度与前端贯穿损伤相当,而前端损伤对结构性能的恶化程度远大于中间位置损伤,例如在半径为20 mm的损伤条件下,前端贯穿损伤与蒙皮损伤在8 GHz引起的雷达散射截面增加最大值为11.67 dB与12.00 dB,而中间损伤引起的雷达散射截面增加最大值均低于3.05 dB。

预浸料黏性是预浸料存储和复合材料成型过程中的关键指标之一。目前针对预浸料黏性的定量表征手段鲜有标准化的测试方法。本研究采用流变仪作为黏性测试装置,系统考察了温度、压实力、脱黏率及老化等关键工艺参数对酚醛预浸料黏性的影响。研究结果表明,酚醛预浸料的黏性是温度与压实力的函数,在界面润湿-内聚协同机制作用下形成最高黏性平台,时效老化使黏性平台向高温区迁移。进一步通过Arrhenius模型拟合,分析了预浸料在高温条件下的黏性行为以及树脂驱动的脱黏现象,研究结果可为酚醛预浸料成型工艺参数(如温度、压力)和性能的优化提供重要的参考依据。

针对玻璃纤维增强复合材料十字筋结构件在面内弯曲载荷作用下的失效行为问题,开展试验测试与数值模拟相结合的研究。通过三点弯曲试验获取结构件的渐进失效特征,并基于ABAQUS及其用户子程序VUMAT实现了Hashin失效准则与内聚力模型(Cohesive Zone Model,CZM)的多尺度建模,系统揭示了结构件的整体承载行为与关键构件的破坏机制。试验结果表明,十字筋结构的弯曲失效呈现两阶段渐进特征:初始阶段表现为中心加强件纤维拉伸断裂及其引发的十字筋构件界面脱黏扩展;第二阶段为纵筋整体破坏。数值模拟结果准确再现了载荷-位移曲线的整体变化趋势及关键失效拐点,在失效位置、主导破坏模式及承载力退化机制方面与试验数据保持高度一致。数值分析进一步揭示十字筋L形件界面损伤首先在与角埋件之间的界面处萌生,随后沿铺层界面扩展,最终导致L形件下端失去与主体的结合。本研究通过试验-仿真多维度验证,为复合材料十字筋结构和界面优化设计提供了理论依据。

纤维自动铺放是实现大尺寸复合材料高质量、高效益制造的关键自动化成型技术之一。自动铺丝过程中典型缺陷的形成演化以及复合材料构件的成型质量均受到压辊压实力的影响。本文通过有限元仿真与感压纸试验相结合的方法,系统研究了压辊硬度、模具曲率(凸/凹)及铺放力对压力分布的影响规律,揭示了不同硬度压辊在曲面上压力分布的机理。结果表明:压辊硬度增加会导致接触面积减小与最大接触应力升高;曲面曲率半径增大可提升压力均匀性;而铺放力增大能显著改善分布均匀性。基于压力均匀性指标与几何适配模型,提出了压辊长度与模具曲率的匹配原则,为优化铺丝工艺参数、抑制褶皱等典型缺陷提供了理论依据。

为解决汽车、航空航天等领域复杂管型件一体化成形的难题,提出分块式金属管型件碳纤维缠绕增强/加固的复合成形工艺理念,即首先将复杂管型件产品通过拓扑优化拆分为不同规格的管型材模块,然后对各模块进行胶接组合,最后通过碳纤维缠绕实现管型件局部增强和连接加固,其中碳纤维缠绕工艺参数与管材局部性能和连接性能的映射关系是拟解决的关键问题。基于此,针对碳纤维缠绕镁合金管材开展试验研究,主要结论为:相同角度下,随层数增加(2~5层),峰值载荷、总吸能和比吸能递增,5层缠绕时轴向压缩比吸能较裸管提升177%,峰值载荷提升38%;相同层数下,小角度(±30°)增强轴向压缩与三点弯曲性能,大角度(±90°)提升横向压缩、压入及抗扭能力,为管材承载性能精准调控提供依据。其次对管型件连接结构采用“测地线-非测地线”协同纤维缠绕加固,解决了纤维滑移与应力集中问题,发现碳纤维可显著提升连接结构的承载能力和吸能特性。研究成果验证了所提成形工艺理念的工程可行性。

针对传统汽车B柱轻量化与碰撞安全性难以协同提升的技术瓶颈,提出一种由变截面厚度超高强钢外板与碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)补强内板构成的超混杂汽车B柱总成结构。对金属外板进行喷砂与界面插层处理后,采用预浸料模压工艺将其与CFRP补强内板一体成型为B柱总成结构;基于OptiStruct软件协同优化外板截面厚度与内板碳纤维铺层参数,构建B柱子系统多角度碰撞试验方案以替代整车侧面碰撞试验,并对静态三点弯曲、多角度碰撞工况开展了系统的有限元仿真分析与物理试验验证。结果表明:新方案使B柱总成结构减重17.4%,其中CFRP补强内板相较于原金属内板减重63.2%;同时子系统碰撞侵入位移降低13.8%~27.8%,整车侧碰乘员生存空间增加11.1%,碰撞安全性能显著提升;有限元分析与试验结果偏差不超过9.9%,验证了所提方法的准确性与可靠性。该超混杂结构为汽车关键承载部件实现轻量化与碰撞安全性的协同优化提供了可行的技术路径。

随着输电线路鸟害、异物短路及极端天气引发的绝缘故障呈逐年上升趋势,提升输电杆塔间隙绝缘强度成为亟需解决的难题。本文针对传统绝缘护套性能不足及地电位侧绝缘防护困难的问题,以双(4-羟苯基)二硫醚为扩链剂,通过调控聚丙二醇双(2-氨基丙基醚)分子量配比,合成具有动态二硫键的聚脲材料,并通过红外光谱(FT-IR)、接触角测量、SEM、差示扫描量热法等手段,对材料的化学结构、微观形貌、疏水性、耐化学性能、热学性能及击穿强度进行研究。结果表明:PPG-2000含量增加可显著提升材料疏水性(接触角最高达97.1°),降低吸水率(最低至3.32%);当摩尔比为1.5∶0.5时,击穿强度为20.03 kV/mm。进一步间隙模拟试验显示,4.5 mm厚涂层可使杆塔间隙击穿电压提升4.8%。本研究为输电线路地电位侧绝缘强化提供了新型聚脲材料设计及试验依据,具有重要工程应用价值。

石墨烯(Gr)的本征高导电性与碳纳米管(CNT)对基体的力学增强作用,为开发面向防静电、传感及电磁吸收应用的结构功能一体化聚醚醚酮(PEEK)复合材料提供了有效途径。通过复配一维和二维纳米碳材料,可发挥协同效应,提升复合材料的力学性能并优化导电网络的构建。利用NH₄⁺桥接作用,通过静电吸附将氧化石墨烯(GO)和酸化碳纳米管(aCNT)均匀包覆于PEEK粉体表面,通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和热重分析(TG)测试考察了包覆状态,并验证了盐的可去除性。经热处理、化学还原和模压制得的石墨烯-碳纳米管/聚醚醚酮(Gr-CNT/PEEK)复合材料(Gr与CNT比例为5∶5)具有低渗流阈值(0.8wt%)和高电导率(5.64×10^-3 S/cm),较PEEK基体提升12个数量级。在2wt%含量下,电导率达到7×10^-3 S/cm;0.3wt%含量下,拉伸强度提升至110 MPa,较纯树脂提高10%。此外,通过调节混杂碳填料的比例,复合材料在循环拉伸过程中表现出不同的传感行为。Gr与CNT比例为5∶5时,复合材料表现出较稳定的ΔR/R₀与较高的G_F值。

纤维增强拉挤工艺凭借其高效性与精确性,在复合材料制造领域占据重要地位。聚氨酯拉挤成型具有速度快、过程气味小等特点,已成为拉挤工艺的理想基体材料。在聚氨酯拉挤成型过程中,催化体系的调控对生产效率、工艺窗口期、制品性能至关重要。本研究针对纤维增强聚氨酯拉挤工艺,系统探究了拉挤聚氨酯体系中内脱模剂(IMRAs)对胺类与金属类催化剂催化活性的抑制行为。研究发现,酸性或碱性内脱模剂均能抑制催化剂的活性,大幅延长常温凝胶时间,但在高温下抑制效果较弱。通过优选催化剂和内脱模剂的种类及加量,确定催化剂选用TCAT-S054(添加量为0.3wt%);内脱模剂选用G-161A(4.0wt%~4.5wt%)或INT-1948(3.5wt%~4.0wt%)。将优化后的体系用于光伏边框拉挤成型工艺,可实现1.0 m/min的拉挤速度,且边框型材表面光滑,漆膜附着力能够达到0级。

针对热压罐成型的复合材料加筋壁板结构,采用有限元方法建立了其多物理场耦合固化变形仿真模型,将固化过程中的温度、固化度作为初始条件导入固化变形计算模型;定义了材料本构模型,实现了对固化变形的计算,使用L形件验证了仿真模型,固化度误差为1.24%,固化变形误差为-11.4％。通过构建加筋壁板结构固化变形的代理模型,结合多目标遗传算法,实现了加筋壁板成型工艺参数优化设计。有限元模拟与优化算法的结合运用在复合材料加筋壁板结构中能够提高固化均匀性并减小固化变形,从而帮助改善成型质量,提升工艺优化效率。

为快速实现飞机复合材料破孔损伤贴补修理方案设计,建立了复合材料搭接接头承受复杂载荷的通用力学解析模型,并求解了蒙皮破孔贴补修理模型中轴向拉力导致的附加弯矩和剪力,进而得到接头重叠段的剪应力和剥离应力分布曲线。该结果与有限元分析结果较为接近,模型为贴补修理方案的快速设计和接头分析提供了有力支撑。模型结果表明,采用与原结构相同的板件制作贴补片,或适当增加搭接长度、胶层厚度,能获得更好的修复强度。

环氧树脂基复合材料在风能产业领域被广泛应用,由于环氧树脂交联后具有稳定的三维网络结构,导致大量废弃风电叶片复合材料的回收利用成为难题。在此背景下,本研究开发了一种以氢氧化钾醇溶液为催化剂的降解体系,在100 ℃、8 h的温和反应条件下,实现了酸酐固化环氧树脂完全降解。将此方法用于降解回收拉挤板,在反应过程中,聚合物中的酯键被选择性打开,环氧树脂基部分转化为双酚A甘油醚,甲基四氢苯酐固化剂转化为羧酸盐,同时实现了玻璃纤维/碳纤维的完整回收。将降解产物双酚A甘油醚作为活性组分,重复利用在拉挤板树脂配方中,仍能保持较高的强度和模量。羧酸盐经过后处理转化为高纯度甲基四氢苯酐,其作为固化剂被重复用于拉挤环氧树脂配方中,拉挤板力学性能可达市售同等水平。

根据固体火箭发动机喷管金属壳体/陶瓷基复合材料粘接结构的特点,分析了液体耦合超声反射法、超声穿透法和超声相位法检测粘接质量的适用性。结果表明,上述方法均难以有效检测。提出基于空气耦合同侧Lamb波的超声检测方法,制作含有预置人工脱黏的304L不锈钢和C_f/SiC粘接试件,并进行检测试验。由实验结果及分析可得出:该检测方法不采用液体耦合剂,直接使用空气作为耦合剂,且探头布置在产品外侧,适用于装药后固体火箭发动机喷管的检测;提出的采用隔声片的方法解决了Lamb波和直达信号难以分辨的问题,成功实现了脱黏处Lamb波检测信号的分离;该方法成功检测出固体火箭发动机喷管试件中所有人工脱黏缺陷,检测灵敏度为5 mm×2.5 mm,缺陷长度和宽度方向的尺寸误差不大于2 mm,缺陷面积误差不大于15%,实现了发动机壳体/复合材料粘接质量的超声检测。

随着现代工业技术发展对材料性能要求的提升,航空制造领域亟需通过持续优化环氧胶黏剂在复杂工况下的综合性能,突破飞机蜂窝夹层结构粘接与密封关键技术,以推动我国航空工业轻量化与可靠性协同创新。本文综述了环氧树脂改性胶黏剂的实际应用及研究进展,介绍了其耐温性的技术方法,分析了环氧胶黏剂的耐温性能影响因素,阐释了环氧胶强韧化机理。