复合材料科学与工程

朱宏伟, 刘轲, 赵昌方

2024, 0(12): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.001

摘要 ( 157 )

PDF (5579KB) ( 143 )

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碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能,尤其是缓冲吸能特性。复合材料的结构类型对力学性能的影响很大,合理的结构形状能更好地发挥复合材料的吸能和比吸能潜力。蜜蜂的六角柱蜂巢结构历经自然选择,具有良好的承载稳定性。通过组装和粘接单板制备了周期性正六角柱体蜂窝结构,其单板结构采用T700预浸料经组合模具热压成型获得。通过万能电子材料试验机开展了单板结构的准静态冲击试验,分析了渐进失效和分层破坏机理。为更好地模拟复合材料蜂窝结构的冲击失效行为,基于连续介质损伤力学提出了一种同时考虑复合材料层内和层间的破坏机制,并开发了有限元增量本构模型对单板结构进行仿真,其仿真结果与试验数据吻合较好,验证了有限元方法的可行性。在此基础上,对蜂窝结构进行了仿真模拟,讨论了蜂窝结构的冲击响应,分析了冲击载荷下的失效模式及吸能效果。本文的研究结果证明了蜂窝结构的稳定性和吸能特性,可为复合材料缓冲吸能结构的设计和应用提供参考。

聚乙烯-甲基丙烯酸缝合模式对复合材料抗冲击性能影响

尹志豪, 葛超坤, 徐平, 铁瑛, 张臻臻, 鞠光

2024, 0(12): 12-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.002

摘要 ( 64 )

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在航空航天领域,缝合复合材料因其卓越的抗冲击性能而得到广泛应用。不同缝合模式会对复合材料的抗冲击性能产生影响,并且在缝合过程中,缝线对复合材料的层内性能也会造成一定的影响。通过采用多尺度建模和试验相结合的方法,探究聚乙烯-甲基丙烯酸(EMAA)缝线缝合间距、缝合方向对复合材料的抗冲击性能和层内性能的影响,验证了缝合复合材料板多尺度模型的有效性。缝合导致复合材料层合板缝线周围面内性能下降,但面外方向抗冲击性能有所提高。不同缝合间距的比较显示,缝合间距越小,复合材料的抗冲击性能提升越高。对比45°和0°两种不同缝合方向的层合板性能发现,45°缝合方向相较于0°缝合方向,在面内和面外性能方面表现都更为出色。

超薄单层碳纤维增强复合材料板拉伸和压缩失效行为研究

刘雁鹏, 韩宇泽, 任中杰, 任明法

2024, 0(12): 19-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.003

摘要 ( 128 )

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碳纤维增强复合材料薄层化使其力学性能及设计空间得到了进一步的提升。为了探究超薄单层碳纤维增强复合材料的基础力学性能及失效机理,制备了单层层厚为24 μm、55 μm、75 μm和100 μm的复合材料单向板,进行了纵向拉伸、横向拉伸、纵向压缩和横向压缩试验,分析了单层层厚对碳纤维增强复合材料模量、强度的影响,揭示了不同单层层厚碳纤维增强复合材料单向板的失效模式及机理。结果表明:单层层厚对碳纤维增强复合材料在纵向拉伸强度、横向拉伸强度、纵向压缩模量和横向压缩模量的影响并不是单调的,恰当的单层层厚可以使复合材料发挥出最佳的力学性能。此外,单层层厚对碳纤维增强复合材料单向板的失效模式有明显的影响,主要表现在横向劈裂程度、纤维断裂程度、单向板分层程度以及裂纹萌生扩展模式。

五种植物纤维/聚乙烯木塑复合材料紫外老化性能

黄淼林, 方海, 霍瑞丽, 陈航

2024, 0(12): 26-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.004

摘要 ( 69 )

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为探究杨木、稻壳、竹材、稻秆、麦秆五种植物纤维/聚乙烯(PE)木塑复合材料的紫外老化性能,对其进行为期120 d的人工加速紫外老化试验,分析其老化前后表观颜色、质量、力学性能和微观形貌变化。结果表明:人工紫外老化导致五种PE基木塑复合材料色差变化稳定,质量先降低(前30 d)后回增,力学性能下降,出现断面裂缝、翘曲。紫外老化120 d后,五种PE基木塑复合材料弯曲强度和拉伸强度降幅如下:杨木/PE复合材料分别为32.04%和16.31%,稻壳/PE复合材料分别为34.95%和26.41%,竹材/PE复合材料分别为27.57%和21.85%,稻秆/PE复合材料分别为33.06%和27.85%,麦秆/PE复合材料分别为25.57%和23.95%。

基于动态硼酸酯键的可重塑酚醛树脂及其复合材料

行小龙, 黄金鑫, 张健, 刘祎, 阮英波, 张承双

2024, 0(12): 34-42. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.005

摘要 ( 88 )

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针对传统酚醛树脂基复合材料不具备可重塑性的问题,采用水热法制备了一种侧基含有苯基硼酸结构的新型含硼酚醛树脂(BNR),加热固化后可以形成具备可重塑性能的硼酸酯交联型酚醛树脂。研究结果表明:通过水热法可以高效地制备出BNR树脂,产率可达到94.1%;不需要外加固化剂,BNR在160 ℃下加热即可固化;固化树脂具有高热稳定性,成炭率可以达到66%,可以用作耐烧蚀复合材料基体;与传统的酚醛树脂相比,硼酸酯交联型酚醛树脂在热的作用下可以实现完全的应力松弛,赋予复合材料优异的可重塑性。因此,BNR树脂有作为新型耐烧蚀复合材料树脂基体的潜力。

联苯型环氧树脂强韧化TDE-85树脂体系的制备与性能

侯镇弘, 陆奇, 赵星诺, 徐锦文, 夏宏伟, 张颂, 侯锐钢, 周权

2024, 0(12): 43-48. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.006

摘要 ( 85 )

PDF (6116KB) ( 90 )

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环氧树脂因其黏结力强、热稳定性好等优点,被广泛应用于涂料、电子封装材料和胶黏剂等领域,但其高交联密度也带来了脆性大、韧性差的问题,成为制约其发展应用的主要因素。采用熔融共混的方法,以3,3′-二氨基二苯砜(3,3′-DDS)为固化剂,用联苯型环氧树脂3,3′,5,5′-四甲基联苯双酚二缩水甘油醚(TMBP)改性高性能环氧树脂(TDE-85)。研究了改性树脂体系的力学性能,偏光显微镜和扫描电子显微镜的分析表明液晶结构能良好分散在环氧树脂基体中并增强增韧。结果表明:当TMBP含量为6wt％时,固化物的力学性能明显提高,冲击强度和弯曲强度分别提高了30%和27%,韧性和强度明显提升;当TMBP含量为4wt%时,拉伸强度和拉伸模量均达到最大,分别为93.69 MPa与5.39 GPa。

热熔法预浸料用双酚M氰酸酯树脂的制备及性能研究

姚卓君, 郝尚, 李钱福, 杨征强, 张砚达, 刘千立

2024, 0(12): 49-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.007

摘要 ( 65 )

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本文以双酚M氰酸酯树脂为原料,采用氰酸酯单体预聚,并引入乙酰丙酮铜和壬基酚作为催化剂的方法,制备了热熔法预浸料用树脂(CM01)。研究了树脂的工艺性能和固化物的介电、吸湿、热机械、力学性能,并与同等条件下采用双酚A氰酸酯树脂制备的热熔法预浸料用树脂(CA01)进行对比。结果表明,CM01树脂具有良好的加工流动性,适用于制备热熔法预浸料,制成的预浸料高温加压窗口宽,适用于复合材料成型。CM01树脂固化物具有优异的介电性能和吸湿性能,在7~15 GHz频率范围内,其介电常数为2.78~2.80,介电损耗角正切为0.004 53~0.005 11,而CA01树脂固化物的介电常数为2.99~3.01,介电损耗角正切为0.010 8~0.012 3;CM01树脂固化物的饱和吸水率为0.85%,比CA01树脂固化物的饱和吸水率低60%。CM01树脂固化物具有较好的耐热性能和力学性能,玻璃化转变温度T_g为198.1 ℃,拉伸强度和拉伸模量分别为66.51 MPa、3.06 GPa,断裂伸长率为2.39%,弯曲强度和弯曲模量分别为134.45 MPa、3.09 GPa。

四韧带手性夹芯结构的振动带隙特性研究

张锦光, 陈睿, 窦玉宽, 鲁季坤, 文湘隆

2024, 0(12): 54-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.008

摘要 ( 45 )

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本文为了衰减弹性波,提出了一种以四韧带手性结构为夹芯,碳纤维复合材料为面板的新型夹芯结构。首先,基于Bloch定理和COMSOL有限元软件,求解了四韧带手性结构的振动带隙;其次,分析了原胞节点填充材料以及几何参数对手性结构振动带隙的影响;再次,在频域上研究了四韧带手性夹芯结构内波的传输特性;最后,进行了四韧带手性夹芯结构振动传递衰减特性试验。研究表明:手性结构节点填充材料可以产生低频带隙;几何参数对带隙有很大的影响,通过调整几何参数可以使带隙处于低频区域;当振动频率处在带隙范围内时,手性结构具有良好的衰减特性。这些研究结果将对四韧带手性夹芯结构在工程中的应用起指导作用。

基于熵权-TOPSIS的CFRP电池箱体铺层优化设计

苏海亮, 马莲花, 展新, 覃记荣, 张彦会

2024, 0(12): 62-68. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.009

摘要 ( 64 )

PDF (3906KB) ( 85 )

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为实现新能源汽车电池箱的轻量化设计,针对某款新能源汽车电池箱体,采用轻质高强的碳纤维复合材料(CFRP)进行结构材料的等效替换,并基于正交试验表采用熵权-TOPSIS法进行多目标铺层优化设计。本文利用Digimat商用软件对CFRP层合板进行相关力学性能的预测,并通过力学性能测试验证其正确性;基于层合板设计准则和等刚度设计原理,确定了CFRP电池箱的初步结构方案;最后以质量、变形量最小化和一阶模态最大化为目标,对层合板进行铺层优化,以获取最佳性能的CFRP电池箱体结构。研究结果表明,优化后的CFRP电池箱壳体较原金属结构减轻了46.74%,同时电池箱体结构综合性能也得到了提升。

基于神经网络的风电叶片极限载荷预测及玻碳混合铺层结构优化

徐权威, 郭小锋, 乔书杰, 李思卿, 车江宁

2024, 0(12): 69-74. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.010

摘要 ( 74 )

PDF (5222KB) ( 80 )

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为了能以实际的极限载荷对风电叶片进行铺层结构优化设计,以长度为89 m的DTU10MW风电叶片为研究对象,通过拉丁超立方实验建立了以叶根三轴布厚度、尾缘单轴布厚度、梁帽单轴布厚度、叶尖预弯量以及预弯指数作为输入变量,以叶尖变形量、叶根极限载荷为输出变量的神经网络模型,实现了对设计叶片个体极限载荷的准确预测。采用粒子群算法,对风电叶片的铺层结构进行优化设计。针对优化设计的玻碳混合叶片,采用新提出的叶片质量及成本计算方法,对其载荷特性和经济性进行了分析。本文的研究对大型风电叶片玻碳混合结构优化设计和成本评价分析具有实际的参考价值,对风电机组的轻量化设计具有重要意义。

碳粉污染对风电叶片防雷性能影响的研究

徐俊, 崔骁鹏, 王向东, 李成良, 黄辉秀

2024, 0(12): 75-79. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.011

摘要 ( 48 )

PDF (6604KB) ( 64 )

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为了探究制造过程中少量碳粉污染对复合材料叶片防雷性能的影响,采用有限元方法建立复合材料静电场模型,并采用高压闪络附着试验方法测试了添加质量分数为0.5wt%的碳粉的环氧树脂,结果显示复合材料蒙皮/PVC芯材区以及纯蒙皮区在高压闪络测试中均不会发生击穿。在试验中观察到多个分布在玻璃钢浅表层的终端为碳粉的细小闪络,数值仿真和试验结果对比分析表明,此现象与仿真结果中碳粉深度小于0.3 mm则可能产生感应闪弧,在更大深度下无法产生感应闪弧的结论吻合。

基于激光诱导石墨烯的复合材料电加热结构实验研究

张迪超, 严刚, 于鑫飞

2024, 0(12): 80-86. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.012

摘要 ( 51 )

PDF (11937KB) ( 70 )

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为了应对飞机高空飞行时防除冰的需求,本文提出采用激光诱导石墨烯技术制备具有电加热功能的复合材料结构的方法。根据机翼前缘结冰特点,设计了中间密集、两边稀疏的波浪形加热线形式,利用激光诱导石墨烯技术快捷、高效、成本低的优点,通过二氧化碳激光器在聚酰亚胺纸表面诱导出石墨烯加热线图案,并将其与复合材料预浸料共固化形成层合结构。进行了一系列电加热实验,测试和分析在一定电流作用下结构表面竖直与水平方向的温度分布规律以及对一定厚度和质量冰层的电加热融化情况,验证了所提出和制备的复合材料电加热结构的可行性和有效性。

纤维增强复合材料加强混凝土的约束效应研究

千银敏, 沈寒峰, 王涛, 张开金

2024, 0(12): 87-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.013

摘要 ( 62 )

PDF (8725KB) ( 81 )

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为准确预测纤维增强复合材料应用于混凝土中的约束效应,提出了基于随机森林算法和CatBoost算法的纤维增强复合材料约束混凝土的强度效应模型和应变效应模型。本文收集了502个纤维增强复合材料沿侧面缠绕圆柱体混凝土试件的数据,其参数包括混凝土截面尺寸、纤维增强复合材料缠绕厚度、断裂应变和弹性模量、无约束混凝土强度和应变、约束强度效应和约束应变效应,并对已有的经验性约束强度效应和约束应变效应模型进行对比评估。选取了决定系数(R²)、均方根误差和平均绝对误差这三个评估指标,对所建立的随机森林模型和CatBoost模型进行对比评估。结果表明:在约束强度效应方面,随机森林模型和CatBoost模型的R²基本在0.84以上,均大于已有经验性模型R²(0.78~0.83);在约束应变效应方面,随机森林模型和CatBoost模型的R²基本在0.87以上,均大于已有经验性模型R²(0.65~0.75)。由此可知所建立的随机森林模型和CatBoost模型性能优于已有经验性模型性能,均可较为准确地预测纤维增强复合材料应用于混凝土中的约束效应,其中CatBoost模型的准确性更高。

风电叶片壳体贯穿性损伤的修复方案设计及验证

邢海瑞

2024, 0(12): 96-105. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.014

摘要 ( 61 )

PDF (17877KB) ( 62 )

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为研究复合材料风电叶片壳体贯穿性损伤下的修复方案,选取某50 m级叶片对其壳体进行人为破坏,设计制定修复工艺方案,并对修复后的叶片进行全尺寸疲劳试验和疲劳后静力试验以验证修复工艺的可靠性,评估修复方案对叶片结构的影响。结果表明:对于较大面积贯穿性损伤的叶片壳体,可以在对应叶片生产模具上制作衬板作为修复基础,以保证叶片壳体修复后的型面与损伤前型面一致;在空间狭小、人工修复无法操作的情况下,可采用壳体开窗的修复方法;修复后的叶片通过了疲劳试验和疲劳后静力试验,验证了修复方案的可靠性。试验数据表明,修复方案对叶片结构的影响较小。

复合材料层合板高速冲击后压缩性能试验研究

宣善勇, 王校培, 王志远, 张楠, 符彬, 范鑫

2024, 0(12): 106-112. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.015

摘要 ( 65 )

PDF (11129KB) ( 61 )

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本文通过高速冲击后压缩试验,探讨了复合材料层合板在受到不同速度、不同位置冲击后的压缩承载行为、破坏形式和失效机理。试验结果显示,不同位置冲击层合板的破坏载荷和损伤形式存在较大差别,中间位置冲击层合板的破坏形式主要是分层屈曲破坏,边缘位置冲击层合板则是压缩和整体屈曲破坏。层合板高速冲击后压缩破坏载荷随着冲击损伤面积的增大而减小,并随着冲击速度的增大而先降低后增大,破坏载荷在冲击速度略高于弹道极限时最低。与中间位置被冲击后相比,层合板边缘位置被冲击后的剩余压缩性能更差。

核磁共振测井仪复合材料刻度系统的研制

南无疆, 于成, 王良有

2024, 0(12): 113-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.016

摘要 ( 49 )

PDF (9410KB) ( 73 )

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核磁共振测井仪复合材料刻度系统的作用是把探头置入一个水套里通过采集地层孔隙流体信号进行孔隙度标定。本文对复合材料刻度系统的总体结构、筒体、筒体支架、铜箔屏蔽系统、循环系统等主要结构进行了优化设计,并通过有限元分析计算和对产品生产工艺的优化,在不增加刻度系统总重的前提下,提升了刻度系统整体的刚度和连接处的可靠性,使产品的整体结构更趋于合理化和操作便捷化。该复合材料刻度系统成功完成了仪器的刻度任务,可作为核磁共振测井技术研究的实验平台。

基于机器学习的L形复合材料长桁固化变形预测

孙晓辉, 吕毅, 王建军, 张先芝, 谢佳庆

2024, 0(12): 119-125. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.017

摘要 ( 63 )

PDF (2110KB) ( 65 )

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针对复合材料结构在制造成型过程中固化变形机理十分复杂,涉及的影响参数较多且在固化过程中不断变化的情况,提出一种基于机器学习的方法,预测L形复合材料长桁在成型过程中的固化变形。使用ABAQUS有限元软件模拟L形复合材料长桁固化成型过程,建立以标准固化工艺温度曲线中的两段升温速率、两段保温温度、两段保温时间六个参数为特征的L形复合材料长桁固化回弹角数据集,通过构建径向基函数(Radical Basis Function,RBF)神经网络进行固化变形预测。结果表明,该方法拥有较高的预测精度和效率,预测误差在3%以内且模型耗时仅需1.25 s。

三维机织复合材料压缩渐进损伤分析与失效机理

郭秀梅, 王坤, 张楠, 李超, 周光明

2024, 0(12): 126-133. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.018

摘要 ( 68 )

PDF (15270KB) ( 77 )

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采用试验与仿真相结合的方法对三维机织复合材料在压缩载荷下的渐进损伤及失效模式进行了分析。通过对材料开展经纬向压缩试验,获得其应力-应变曲线,并基于材料的细观表征建立细观有限元单胞模型来模拟其应力-应变响应及损伤机理。仿真和试验的对比结果表明,有限元模拟结果与试验结果吻合较好。与沿经向相比,材料沿纬向的压缩模量和强度均更高;纬向压缩载荷下,三维机织复合材料失效的主要原因为纬纱的压溃断裂与基体的开裂;经向压缩载荷下,经纱是弯曲纱,对基体及纬纱产生挤压作用,从而容易导致纱线之间的基体压溃,产生分层开裂。

纤维增强树脂基复合材料成型工艺在线监测方法研究进展

高瑞杰, 齐磊, 郭瑞琪, 顾轶卓, 王绍凯, 李敏

2024, 0(12): 134-146. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.019

摘要 ( 143 )

PDF (14079KB) ( 119 )

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纤维增强树脂基复合材料的成型质量受树脂流动、固化反应、热应力等诸多因素影响,控制难度大,工艺优化复杂,将各类传感器置于复合材料内部或外部进行在线监测能获得反映上述变化的材料及工艺特征参量,为工艺参数的调整、优化以及成型过程的研究提供重要依据。本文综述了航空航天领域常用的成型工艺在线监测方法,包括光纤光栅法、碳纳米管传感器法、树脂压力在线监测法、薄膜压力传感器法、介电分析法等,可实现成型过程中温度、应变、压力、树脂流动前锋、树脂黏度及固化状态等信息的获取,进而实现成型缺陷消除和工艺优化;探讨了在线监测技术与数字化技术的结合方式,并指出了目前在线监测技术的存在问题和发展方向。

先进热塑性复合材料现状及航空应用进展

赵淼

2024, 0(12): 147-152. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.020

摘要 ( 341 )

PDF (3976KB) ( 208 )

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先进热塑性复合材料具有可回收、可重复利用、二次成型、成型周期短、制造效率高以及高韧性等优点,是一种有发展前途的飞机结构用新型复合材料。本文介绍了在航空主要承力结构中最常用的先进热塑性复合材料树脂基体、热塑性预浸料的主要性能特点,以及热塑性复合材料技术的发展现状,总结了先进热塑性复合材料在先进航空装备的应用进展,分析提出了先进热塑性复合材料预浸料高质量高效制造、自动铺放原位固结以及复合材料结构自动化焊接等重点发展方向。

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