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2013年  第30卷  第2期

先进树脂基复合材料制造技术进展
邢丽英, 蒋诗才, 周正刚
2013, 30(2): 1-9.
摘要:
国内先进树脂基复合材料制造技术经过30多年的发展, 已初步形成以热熔预浸料制造、 热压罐和树脂传递模塑(RTM)成型技术为代表的先进树脂基复合材料制造技术体系, 所制备的先进树脂基复合材料已在航空领域得到大量应用。本文中主要介绍国内先进树脂基复合材料热压罐成型技术、 RTM成型技术和自动铺放技术的最新进展以及先进树脂基复合材料制造过程模拟与优化技术, 讨论了国内先进树脂基复合材料制造技术的主要发展方向。
含碳纳米管的PEI纤维膜对环氧树脂力学性能的影响
薛利文, 隋刚, 李瑞杰, 王磊, 杨小平
2013, 30(2): 10-17.
摘要:
采用高压静电纺丝法制备了含多壁碳纳米管(MWCNTs)的聚醚酰亚胺(PEI)纳米纤维取向薄膜, 用SEM和TEM观察其微观形貌。将PEI纳米纤维薄膜铺放于环氧树脂中, 通过实验测试其冲击和拉伸性能。结果表明, 含MWCNTs的PEI纳米纤维膜对环氧树脂具有良好的增韧效果。Ⅰ型层间断裂韧性(GIC)测试表明, 用含质量分数3%活性碳纳米管(a-MWCNTs)的PEI纤维膜对T700碳纤维/环氧树脂复合材料进行层间增韧能够明显改善其层间断裂韧性。
SiO2-聚合物杂化微球改性聚丙烯的非等温结晶动力学
郑净植, 周兴平, 解孝林
2013, 30(2): 18-23.
摘要:
将原位乳液聚合制得的SiO2-聚合物杂化微球与聚丙烯熔融共混制备了SiO2/聚丙烯(SiO2/PP)复合材料, 利用差示扫描量热法(DSC)研究了SiO2/PP复合材料的非等温结晶动力学行为。结果表明, SiO2-聚合物杂化微球具有明显的异相成核效应, 提高了PP的结晶温度和结晶速率, 同时降低了PP的结晶度, 提高了PP的结晶活化能。运用Mo法处理纯PP和SiO2/PP复合材料的非等温结晶动力学, 结果显示SiO2-聚合物杂化粒子降低了聚丙烯在单位结晶时间内达到一定结晶度时所需的降温速率。
纤维层内树脂流动的空气耦合超声无损检测
王占吉, 刘玲, 晏冬秀, 何少刚
2013, 30(2): 24-30.
摘要:
采用空气耦合超声无损检测仪, 对部分浸润预浸料中树脂沿纤维层厚度方向的浸渍流动进行了实时检测研究。首先将部分浸润预浸料放置在真空袋中, 然后固定在扫描机构上, 抽真空, 考察在一个大气压作用下不同时刻树脂的浸润流动情况, 通过C扫描图片实时、 快速检测出树脂的浸润流动变化, 并应用达西定律计算了碳纤维网架的渗透率。同时, 将观察区域截取试样制备成金相分析试样, 通过显微分析验证了C扫描图像分析的准确性。结果表明, 空气耦合超声C扫描方法是检测预浸料中树脂沿纤维层厚度方向流动的一种快速和有效的方法。
空心微球/环氧树脂复合泡沫塑料的抗压性能与破坏机制
陈卓, 黄志雄, 秦岩, 梅启林, 石敏先, 张联盟
2013, 30(2): 31-36.
摘要:
以环氧树脂为基体, 不同粒径空心玻璃微球为填充体, 制备了轻质高强复合泡沫塑料。通过单轴准静态压缩试验研究了空心微球的粒径大小对复合泡沫塑料的抗压性能的影响, 并采用SEM对复合泡沫塑料的微观结构进行观测。通过随机空间分布法建立了空心玻璃微球/环氧树脂复合泡沫塑料的实体模型, 并且使用有限元分析软件对复合泡沫塑料在1 kPa载荷下的应力分布进行了分析。结果表明, 在相同体积含量下, 当空心微球的粒径从30 μm增大到120 μm时, 复合泡沫塑料的抗压强度无明显变化。有限元分析的结果表明, 在复合泡沫塑料中主要承载部分为空心微球, 空心微球上的应力大于树脂基体上的应力。最大应力分布在空心微球的内壁, 结合SEM图像可推测, 空心微球在破裂之前受到充分的挤压, 并且从内壁产生裂纹。
二烃基五硫化物-三聚氰胺-甲醛树脂微胶囊的制备及其摩擦性能
马国伟, 许雪峰, 金清波, 何荣军, 关集俱
2013, 30(2): 37-43.
摘要:
以硫化脂肪类添加剂二烃基五硫化物(RC2540)为芯材, 三聚氰胺-甲醛树脂(MF树脂)为壁材, 采用原位聚合法合成了RC2540-MF树脂微胶囊。使用红外光谱、 SEM及热重分析(TG)等对其性能进行表征。用四球摩擦副考察了RC2540-MF树脂微胶囊作为聚乙二醇基础液添加剂时的摩擦磨损性能。结果表明: 添加质量分 数3% RC2540-MF树脂微胶囊的聚乙二醇基础液在314 N下摩擦系数可低至0.04, 磨斑直径在314 N(RC2540-MF质量分数5%)下为0.54 mm, 实验载荷则可以提高至1000 N以上。这是由于摩擦力导致RC2540-MF 树脂微胶囊破损, 活性硫化物在摩擦表面的物理、 化学吸附作用和生成的摩擦化学反应膜起到减摩和极压抗磨作用。
化学镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料电磁屏蔽性能
闫丽丽, 乔妙杰, 雷忆三, 王富强, 王东红, 陈佳
2013, 30(2): 44-49.
摘要:
采用化学镀方法对碳纤维进行表面镀镍, 采用SEM、 EDX、 XRD分析了镀镍碳纤维的微观形貌、 镀层成分和镀层结构, 通过电阻测试研究了镀镍碳纤维的导电性。将体积分数为2.5%、 5%、 7.5%、 10%的镀镍碳纤维作为导电填料制备镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料, 并用屏蔽室法测试了不同频段复合材料的屏蔽效能。结果表明: 碳纤维化学镀镍后, 表面形成了一层均匀的复合镀层, 镀层中镍的质量分数高达94%, 镀镍碳纤维的电阻值仅为碳纤维原丝的1/54。镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料的电磁屏蔽能力较碳纤维原丝有所提高。复合材料的屏蔽效能随镀镍碳纤维添加量的增加而升高。在低频频段(kHz频段), 复合材料的屏蔽能力主要决定于材料的本征参数, 不同镀镍碳纤维含量的镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料的屏蔽能力相差不大; 在中高频频段(MHz、 GHz频段), 镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料屏蔽效能主要决定于材料的电阻率。
固化处理对木材液化物碳纤维原丝的微观构造及热稳定性影响
尹江苹, 赵广杰
2013, 30(2): 50-55.
摘要:
以木材液化物和六次甲基四胺为原料, 利用熔融纺丝法制备初始纤维。将初始纤维置于甲醛和盐酸混合液中进行固化处理制成木材液化物碳纤维原丝。考察了固化处理对木材液化物碳纤维原丝的孔隙结构、 晶态结构及热稳定性的影响。结果表明: 初始纤维和原丝的吸附等温曲线属于 Ⅱ 型吸附等温线, 初始纤维和原丝比表面积分别为0.517 m2·g-1和0.142 m2·g-1。杉木木粉中具有典型的纤维素 Ⅰ 晶体衍射峰; 初始纤维和原丝中纤维素 Ⅰ 特征峰消失, 且18.8°附近出现新的衍射峰, 说明形成了新的晶态物质; 原丝中18.8°附近的特征衍射峰增强, 结晶度提高。初始纤维失重率为88.3%, 原丝为60%, 初始纤维到原丝表观活化能由31.31 kJ·mol-1增大到39.18 kJ·mol-1, 原丝热稳定性提高。
反应注射成型纳米CuS/PDCPD复合材料的制备与性能
彭淑鸽, 刘晓飞, 樊昕洁, 张玉清
2013, 30(2): 56-62.
摘要:
以钨配合物为主催化剂, AlEt2Cl为助催化剂, 表面改性CuS纳米粉体为填料, 采用反应注射成型工艺, 原位聚合方法制备了纳米CuS/聚双环戊二烯(CuS/PDCPD)复合材料。利用红外光谱、 扫描电镜、 透射电镜、 三维轮廓测定仪、 高温气氛摩擦磨损试验机等多种手段对表面改性CuS纳米粉体及纳米CuS/PDCPD复合材料的结构、 填料分散性、 磨损形貌、 力学性能以及摩擦磨损性能进行了表征和测试。结果表明, 改性CuS在极低的添加范围内, 即可实现对PDCPD同时起到增强增韧和耐磨的作用; 在CuS添加质量分数为1% 时, 纳米CuS/PDCPD复合材料的综合性能达到最佳; 与PDCPD性能相比, 冲击强度、 拉伸强度和弯曲强度的最大提高量分别为13.2%、 22.0%、 13.8%; 磨损质量和摩擦因数最大降低了31%和36%。表面改性CuS纳米粉体在PDCPD基体中具有良好的界面相容性,是实现纳米CuS/PDCPD复合材料在低添加范围内具有较佳力学性能和耐磨性能的重要原因。
UVA紫外辐射对室内碳纤维增强环氧树脂基复合材料性能的影响
许燕杰, 肇研, 汤冰洁, 王旭, 段跃新
2013, 30(2): 63-69.
摘要:
研究了Ultraviolet A(UVA)紫外辐射对碳纤维增强环氧树脂基复合材料产生的影响。测量和分析了从窗户照射到室内太阳光和日光灯辐射的UVA紫外线辐照度, 研究了碳纤维增强环氧树脂基复合材料经辐照度为200 μW·cm-2的UVA紫外灯辐射处理后的力学性能变化, 并通过XPS、 接触角、 纳米压痕、 原子力显微镜(AFM)测试方法研究了其表面性能变化。结果表明: 春夏季节晴天室内太阳光紫外辐照度在14点时达到最大值, 距离窗户0 m处最大值为375 μW·cm-2, 1 m处最大值迅速降至30 μW·cm-2; 对功率40 W的日光灯, 距离日光灯0 m处, 紫外辐照度为87.3 μW·cm-2, 1 m处快速降至5.4 μW·cm-2; 经过45天的紫外辐射, 碳纤维增强环氧树脂基复合材料的层间剪切强度、 弯曲强度和拉伸强度无明显变化; 碳纤维增强环氧树脂基复合材料表面发生氧化反应, 表面硬度和粗糙度变大。
多层石墨/硅树脂导热复合材料的制备与性能
涂文英, 张海燕, 林锦, 李春辉
2013, 30(2): 70-74.
摘要:
以硅树脂为基体材料, 多层石墨为导热填料, 采用旋转搅拌球磨法制备了多层石墨/硅树脂导热复合材料, 研究了填料对多层石墨/硅树脂复合材料热导率、 热膨胀系数(CTE)和热稳定性的影响。结果表明, 多层石墨在硅树脂中分散性良好。多层石墨/硅树脂复合材料的热导率随多层石墨填充量的增加而增大, 填充质量分数为45%时, 热导率达到2.26 W·(m·K)-1, 超过此值之后热导率开始下降。随着填料的增加, 多层石墨/硅树脂复合材料热膨胀系数减小。与纯硅树脂相比, 多层石墨/硅树脂复合材料热稳定性高。相同填充量下多层石墨/硅树脂比SiC/硅树脂、 AlN/硅树脂的热导率高得多, 这说明径厚比大的片状填料更易形成有效接触和导热网链。
凹凸棒黏土对聚乳酸结晶性能和热稳定性能的影响
刘莉, 蒋玉梅
2013, 30(2): 75-82.
摘要:
采用熔融共混法分别制备了凹凸棒黏土质量分数为1%、 3%和5%的纳米凹凸棒黏土(ATT)/聚乳酸(PLA)复合材料, 研究了ATT对PLA结晶性能和热稳定性能的影响。结果表明, ATT与PLA基体具有较好的相容性, 当ATT含量低于3%时, 可以均匀的分散在PLA基体中, 而达到5%时则会发生团聚。FTIR结果表明, ATT与PLA基体之间存在较强的相互作用。ATT可明显促进PLA的结晶, 起到异相成核的作用。ATT纳米颗粒的添加引起了PLA冷结晶峰向低温方向移动, 使冷结晶温度从114.4 ℃降低至103 ℃左右。含ATT体系结晶速率比纯PLA快, 表明ATT的加入可以促进PLA的结晶, 说明ATT是PLA有效的成核剂之一。添加ATT可明显加快PLA的结晶速率并减小球晶尺寸。当添加3%ATT时, ATT/PLA复合材料的热分解温度比纯PLA提高了11 ℃, 这主要是由于ATT/PLA网络密度的提高, 使ATT在PLA的降解过程中能够起到较好的阻隔作用, 抑制了PLA的降解自加速过程。
Genipin交联丝素蛋白纳米纤维膜的制备与性能
边瑞琦, 王利君, 熊杰
2013, 30(2): 83-88.
摘要:
利用Genipin对再生丝素蛋白进行交联改性, 并通过静电纺丝法制备交联的丝素蛋白纳米纤维膜。利用场发射扫描电镜、 红外光谱仪、 X射线衍射仪、 热重分析仪以及拉力机等对其结构与性能进行表征与测试。结果表明, 随着交联剂Genipin质量比的增加, 交联度增加, 静电纺丝素蛋白纳米纤维平均直径增大, 标准偏差增大;Genipin交联对丝素蛋白纳米纤维结晶结构影响不大, 但热性能提高;常温条件下, 随着Genipin质量比从2%提高至15%, 丝素蛋白纳米纤维膜的力学性能逐渐增强, 质量比为10%时, 其力学性能较好, 拉伸强度和断裂应变分别为19.6 MPa和5.9%;随着试验温度从40 ℃升高到200 ℃, 丝素蛋白纳米纤维膜的拉伸强度和断裂应变先增大然后减小, 当试验温度为80 ℃时, 其力学性能较好, 拉伸强度和断裂应变分别为41.6 MPa和8.6%。
发泡废纸板纤维/LDPE复合材料的加工流变性及泡孔形态
曾广胜, 林瑞珍, 徐成, 郑良杰
2013, 30(2): 89-93.
摘要:
以废弃瓦楞纸板纤维和低密度聚乙烯(LDPE)为基体辅以相应的相容剂、 润滑剂和发泡剂, 利用挤出发泡法制备了发泡废纸板纤维/LDPE木塑复合材料。通过熔融指数仪研究了废纸板纤维含量、 相容剂马来酸酐接枝聚乙烯(MAH-g-PE)的用量、 润滑剂的种类与用量以及发泡剂偶氮二甲酰胺(AC)的用量对该复合材料加工流变特性的影响; 并利用SEM观察不同熔融指数的复合材料对泡孔形态的影响。结果表明: 随着废纸板纤维含量的增加, 复合材料的熔融指数(MFI)迅速下降; MAH-g-PE增加了纤维填料与树脂基体之间的相互作用, 复合材料的熔融指数随着相容剂用量的增加先降低后升高, 其含量的转变点为15%; PE蜡对复合材料的综合润滑作用最明显, 复合材料的熔融指数随着PE蜡的含量呈近线性变化; AC发泡剂的加入降低了复合材料的熔融指数, AC发泡剂的含量超过5%将使复合材料产生明显的壁滑移; 随着熔融指数的增加, 复合发泡材料的泡孔逐渐变大, 当熔融指数为1.5时, 泡孔大小适中且分布均匀。
石墨在固相剪切碾磨力场下的片层剥离及与PVC的纳米复合
李侃社, 张升炎, 牛红梅, 康洁, 陈创前
2013, 30(2): 94-98.
摘要:
采用固相剪切复合技术成功制备石墨-聚氯乙烯(PVC)复合粉体, 实现了石墨的片层剥离和在PVC基体中的纳米分散及对PVC的抗静电改性。通过XRD、 SEM、 TEM等表征了石墨-PVC/PVC复合材料的结构, 研究了其抗静电性能。结果表明, 石墨的片层厚度约20 nm, 径厚比超过10。固相剪切碾磨技术制备的石墨-PVC/PVC复合材料的导电性能有较大提高。在石墨质量分数为2%时, 表面电阻率为4.6×107 Ω·cm, 已达到了抗静电材料的要求, 实现了低填充。在石墨质量分数为10%时, 表面电阻率达到最低的4.1×104 Ω·cm。
CdS/TiO2纳米棒阵列复合材料的制备及其光电化学特性
张亚南, 付乌有, 李伊荇, 杨海滨
2013, 30(2): 99-104.
摘要:
以水热法在氟掺杂的氧化锡透明导电玻璃(FTO)上制备的TiO2纳米棒阵列为衬底, 通过连续化学水浴沉积(S-CBD)法将CdS量子点 (QDs)沉积在TiO2纳米棒上, 形成CdS/TiO2阵列复合材料。分别利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 场发射扫描电子显微镜(FESEM)、 X射线衍射(XRD)和紫外可见光谱(UV-vis)等对样品的形貌、 晶型以及光吸收性能进行了表征。结果表明, TiO2纳米棒阵列长度约为2.9 μm, CdS QDs的尺寸大约在5~9 nm。随着沉积层数的增加, CdS QDs的厚度增加, 同时伴随着光吸收边的红移。通过电流-电压特性曲线对其光电流-电压特性进行了分析, 发现光电流和光电转换效率均呈现出先增大后减小的规律。100 mW/cm2的光照下, 在S-CBD为7层时, 光电流和开路电压最大值分别达到2.49 mA·cm-2和1.10 V, 而电池的效率达到最大值1.91%。
纳米颗粒分布对镁基复合材料强化机制的影响
何广进, 李文珍
2013, 30(2): 105-110.
摘要:
Orowan强化、 热错配强化和Hall-Petch强化是纳米颗粒增强镁基复合材料的主要强化机制, 纳米颗粒在基体中的分布状态对起主导作用的强化机制具有重要影响。本文中对现有强化机制模型进行了适当修正, 以纳米SiC颗粒增强AZ91D复合材料为例, 通过理论计算分析了纳米颗粒完全分布于晶内、 完全分布于晶界、 在晶内晶界上均有分布的三种状态对镁基复合材料屈服强度的影响, 并与实验结果进行对比。结果表明: 颗粒完全分布于晶内时, 增强效果最好, 主要增强机制为Orowan强化; 颗粒完全分布于晶界上时, 增强效果最差, 主要增强机制为Hall-Petch强化。颗粒在晶内晶界上均有分布时, 多种强化机制共同发挥作用, 增强效果随着晶内与晶界上颗粒比例的减小而逐渐减弱。
热处理对热等静压SiP/Al-Cu复合材料显微组织和力学性能的影响
刘孝飞, 刘彦强, 魏少华, 马自力, 左涛, 樊建中
2013, 30(2): 111-117.
摘要:
采用元素粉作为原料, 通过热等静压技术(HIP)制备出50%SiP/Al-Cu和70%SiP/Al-Cu(体积分数)复合材料, 研究固溶处理和峰值时效处理对复合材料显微组织、 Al2Cu相溶解过程及力学性能的影响。结果表明: 热等静压技术制备的SiP/Al-Cu复合材料完全致密, 组织均匀细小, 材料由Si相、 Al相和Al2Cu组成, 白色Al2Cu相产生于原始的Cu粉与Al粉界面处。在516 ℃固溶处理2 h后, 70%SiP/Al-Cu复合材料中的Al2Cu相全部溶入Al基体中, 而50%SiP/Al-Cu复合材料中还残留少量Al2Cu相。经过峰值时效处理后, 50%SiP/Al-Cu和70%SiP/Al-Cu复合材料的抗弯强度为548 MPa和404 MPa, 相对于热等静压态分别提高了38.81%和13.51%, 复合材料的强度显著增强。
凹凸棒石/油菜秸秆木质陶瓷的制备及性能
吴文涛, 聂志芳, 徐良, 徐凤
2013, 30(2): 118-123.
摘要:
为了资源化利用油菜秸秆等废弃物, 以油菜秸秆和凹凸棒石为原料, 以酚醛树脂为黏结剂, 通过复合、 热压、 烧结等工艺过程制备了凹凸棒石/油菜秸秆木质陶瓷。对不同原料质量配比和烧结温度下制备的复合材料进行性能测试。结果表明, 采用该工艺制备凹凸棒石/油菜秸秆木质陶瓷是可行的, 原料的选择、 质量配比、 烧结温度等参数对材料制备过程及性能均有较大的影响。油菜秸秆与凹凸棒石质量配比为1∶2时复合材料的力学性能较好, 烧结温度在600~700 ℃时, 残炭率最高; 在600~800 ℃范围内, 抗弯强度的提高达到最佳; 在800 ℃时, 导电性能得到改善。
纳米铜/石蜡相变驱动复合材料制备及热物理性能
徐斌, 楼白杨, 麻琼彤, 李晓
2013, 30(2): 124-131.
摘要:
采用高能球磨法制备了纳米铜/石蜡复合材料。通过TEM、 SEM、 XRD和DSC对复合材料的微观形貌、 物相及相变温度和潜热进行了表征和分析, 并研究了铜含量对复合材料的热敏性、 热膨胀性和热稳定性的影响。结果表明: 石蜡包覆在铜粒表面, 能显著提高其抗氧化性, 铜/石蜡复合颗粒近似球形, 粒径约为100 nm, 多个复合颗粒易团聚形成微米级颗粒; 铜含量对相变温度没有明显影响, 但相变潜热随铜含量的增加近似线性减少; 复合材料的热敏性随着铜含量的增加而提高, 但其热膨胀性则降低; 铜质量分数为60%的复合材料具有较短的升温时间, 体膨胀率降低较小, 且多次加热后稳定性较好, 可作为此类热敏微驱动器的理想材料。
钨精矿粉掺杂Fe-Al合金激光引燃自蔓延合金组织及性能
李刚, 于君娜
2013, 30(2): 132-136.
摘要:
在钨精矿粉质量分数为1%前提下, 通过改变Al原子分数, 分别为50%、 60%、 70%、 80%, 对其粉末进行压制, 进而将压坯激光点火, 使其发生自蔓延合成反应生成Fe-Al合金, 利用XRD、 SEM、 EDX、 硬度测试、 磨损测试等表征手段, 分析研究了掺杂定量的钨精矿粉后, 不同Fe、 Al配比对烧结Fe-Al合金微观组织结构及宏观性能的影响。结果表明: 在烧结过程中, 压坯实现了自蔓延烧结。产物物相主要为AlFe、 AlFe3、 WO3、 AlCrFe2等, 且随着Al含量的增加, 形成了富Al相。烧结Fe-Al合金组织随着Al含量的增加, 伴随微小裂纹产生。当Al含量达到60%时, 烧结Fe-Al合金显微硬度最大, 达到HK1053; 磨损率最低, 为0.04 mg·mm-2
求解具有弱界面的复合材料有效性能的近似模型与边界元法
陈龙, 朱兴一
2013, 30(2): 137-143.
摘要:
基于中间层模型, 建立了用于描述具有弱界面的多夹杂复合材料的三层嵌入式模型。首先, 给出了计算多夹杂复合材料有效性能的公式, 随后将三层嵌入式模型分成两种体系得到了相应的细观力学近似方法。此外, 针对中间层模型进一步给出了快速多极边界元的基本列式。最后, 通过算例验证所提出的两种方法的正确性及有效性, 并进一步考察了界面性能对复合材料整体宏观性能的影响。比较结果发现, 细观力学近似模型形式简单, 易于编程计算, 适用于快速预测具有弱界面的复合材料有效弹性性能。而数值算法能够快速有效直观的考察复合材料内部受弱界面影响后的应力分布。算例分析结果表明, 当中间层厚度较大而弹性模量较低时, 会使得夹杂不再具有增强效果。并且, 随着中间层厚度的增加, 基体内承担的最大应力也随之增加, 从而容易导致复合材料在界面处产生破坏。
含半穿透损伤层合板挖补修理后的拉伸性能
关志东, 刘遂, 郭霞, 席国芬, 蔡婧
2013, 30(2): 144-151.
摘要:
对含半穿透损伤层板挖补修理后的拉伸性能进行了试验研究, 结果表明修理试件的拉伸强度和破坏模式随挖补斜度的变化出现显著差异。对修理试件的拉伸性能进行了有限元模拟, 计算得到的极限强度和破坏模式与试验结果吻合良好。数值模型计算结果表明, 挖补斜度是修理试件最重要的设计参数, 其对试件的极限强度、 破坏模式及修理/未修理子层间界面损伤均有显著影响。研究结论可以为含半穿透损伤层板的挖补修理设计提供理论指导。
复合材料跨尺度失效准则及其损伤演化
李星, 关志东, 刘璐, 黎增山
2013, 30(2): 152-158.
摘要:
提出了一种新的基于物理失效模式的复合材料跨尺度失效准则, 从细观层面分别对纤维和基体的失效模式进行了表征, 将纤维失效分为拉伸失效和压缩失效, 将基体失效分为膨胀失效和扭曲失效。建立了相应的失效准则及损伤演化方法。通过正方形和六边形的代表体积单元(RVE)模型, 计算了宏观应力到细观应力的机械应力放大系数和热应力放大系数。以IM7/5250-4复合材料拉伸试验作为算例对失效模型进行了验证。计算结果与试验结果吻合较好, 表明跨尺度失效准则能够准确预测复合材料层合板的破坏。
CFRP复合材料层合圆筒轴向压缩试验与数值模拟
田春雷, 皮爱国, 黄风雷
2013, 30(2): 159-164.
摘要:
制备了端部带有加强箍的三种不同高度的碳纤维增强复合材料(CFRP)厚壁圆筒和层合板试样; 对圆筒试样进行了准静态轴向压缩性能实验和速度在7.67~12.01 m·s-1范围内的轴向冲击压缩试验, 分别研究了长径比、 冲击速率、 端部加强等因素对轴向抗压强度、 失效模式的影响规律; 对CFRP层合板试样进行了不同应变率下的面内压缩试验。运用ANSYS/LS-DYNA软件对落锤加载下复合材料圆筒的响应过程进行了数值模拟。结果表明: 采用端部加强方式不仅可以避免CFRP圆筒出现端部"开花式"渐进破坏的失效模式, 而且能有效提高轴向抗压强度; 层合板和圆筒试样的抗压强度均具有明显的正应变率效应; 数值模拟结果与实验数据具有较好的一致性。
复合材料机翼格栅结构低速冲击损伤仿真研究
蓝友泽, 朱亮, 徐志伟
2013, 30(2): 165-172.
摘要:
针对采用格栅结构的某无人机机翼, 研究了机翼格栅结构在承受低速冲击下结构材料的损伤特性; 在ABAQUS软件中建立了冲击损伤过程有限元模型, 采用Hashin-Rotem应变失效准则和Camanho参数退化方式, 对无穿透破坏前提下的单侧带蒙皮格栅结构进行了冲击仿真实验。研究了针对不同格栅结构构型、 不同冲击位置、 不同冲击能量等情况下的损伤特性。结果表明: 对结构不同位置进行冲击时, 结构损伤类型、 面积、 扩展特性等都有极大的不同, 而且复合材料结构不同铺层的损伤特性也有很大差异; 验证了格栅结构对损伤扩散具有良好的限制能力, 表明格栅结构具有很好的抗损伤能力。
多孔材料辐射-传热耦合性能的统计二阶双尺度计算
杨志强, 崔俊芝, 张乔夫
2013, 30(2): 173-182.
摘要:
对多孔材料辐射-传热耦合计算的数学模型, 即Rosseland方程, 给出了一种统计的二阶双尺度分析方法, 并针对典型问题进行了数值模拟。建立了考虑辐射项的统计二阶双尺度计算公式, 给出了统计意义下热流密度极值的预测算法, 并通过与理论解的比较对算法进行了验证, 利用本文中方法研究了孔洞体分比和空间分布状态对陶瓷多孔材料热传导系数、 辐射传导系数和热流密度极值的影响。结果表明: 孔洞体积分数的增加将导致有效热传导系数下降; 热流密度极值随孔洞体积分数的增加而变大, 并且在高温时辐射的作用明显增大; 数值试验表明, 使用统计二阶双尺度方法及其有限元算法预测孔洞随机分布复合材料结构的热性能是有效的。
硅橡胶压磁复合材料力学性能纳米压痕实验研究
韦利明, 万强, 胡文军, 周振凯, 吴菊英, 牛伟
2013, 30(2): 183-188.
摘要:
通过纳米压痕测试技术对非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9/硅橡胶压磁复合材料薄膜的力学性能进行了研究, 讨论了加载速率、 保载时间、 峰值载荷等试验参数对模量和硬度测试结果的影响。进一步分析了纳米压痕实验表征非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9/硅橡胶压磁复合材料薄膜蠕变行为的可行性, 通过合理确定压痕蠕变实验参数, 获得该材料的蠕变应力指数。结果表明: 相对峰值载荷, 加载速率对测试结果影响更为显著, 而保载时间对硬度和模量测试结果几乎没有影响。
基于MUSIC算法的复合材料近场冲击源定位
钟永腾, 袁慎芳
2013, 30(2): 189-194.
摘要:
为了提高算法在近场冲击源的定位精度, 提出了基于多重信号分类 (MUSIC)算法的复合材料近场冲击源定位方法。首先通过Fresnel近似将一维远场模型扩展到二维近场模型; 接着应用Gabor小波变换从冲击的宽带信号中提取某一中心频率的窄带波; 最后应用二维近场MUSIC算法, 扫描整个监测区域, 可以同时得到冲击源的距离和方位角。复合材料层合板的冲击实验结果表明该方法能够精确有效地对冲击源进行定位, 距离的定位误差不超过0.94 cm, 方位角误差不超过1°。
织物形式对苎麻纤维渗透率及其复合材料力学性能的影响
张永励, 李岩, 孙震
2013, 30(2): 195-200.
摘要:
采用树脂传递模塑工艺(RTM)研究了三种典型苎麻纤维织物结构(平纹、 斜纹和缎纹)对树脂流动性的影响, 并研究了三种苎麻纤维织物结构对其增强酚醛树脂复合材料的拉伸性能和层间剪切性能的影响。结果表明, 苎麻纤维织物树脂渗透率主要受纤维屈曲和流道面积的影响。斜纹和缎纹苎麻织物的纤维屈曲较小且流道面积较大, 其织物的树脂渗透率较大, 同时, 较小的纤维屈曲使其增强的复合材料拉伸性能也较优。然而, 不同织物形式对苎麻纤维织物/树脂复合材料的层间性能影响不大。
自紧工艺对复合材料压力容器金属内衬断裂强度的影响
胡广辉, 任明法, 陈浩然, 马跃伟
2013, 30(2): 201-205.
摘要:
基于压力容器自紧前后金属内衬的应力分析, 利用子模型方法建立了含内衬表面圆裂纹的有限元模型, 使用区域积分法计算了其在工作压力下裂纹前缘的 J 积分值, 研究是否采用自紧工艺和不同自紧压力值情况下的裂纹尖端强度。结果表明: 经过自紧工艺处理后裂纹前缘的 J 积分值将明显提高, 且随自紧压力值的增大而增大; 随着裂纹尺寸的增大, 相应的 J 积分值也增大, 并且沿裂纹前缘的 J 积分曲线变陡。由此说明自紧工艺压力值的提高和裂纹尺寸的增加均增大了内衬开裂的风险, 因此复合材料缠绕压力容器自紧工艺压力值的确定需进行金属内衬的断裂分析。
压电材料切口奇性指数计算
程长征, 程香, 牛忠荣, 周焕林
2013, 30(2): 206-212.
摘要:
利用一种数值方法分析压电材料切口尖端包括奇异应力场和奇异电位移场在内的双重奇异性。基于切口尖端的位移场按幂级数渐近展开假设, 从应力平衡方程和Maxwell方程出发, 推导出关于压电材料切口奇性指数的特征方程组, 同时将切口的力学和电学边界条件转化为奇性指数和特征函数的组合表达, 从而将压电材料双重奇性分析问题转化为在相应边界条件下微分方程组的特征值求解问题, 采用插值矩阵法, 可以一次性地计算出压电材料切口的各阶奇性指数。裂纹作为切口的特例, 其尖端的电弹性奇性指数亦可以根据本法求出。
C/C复合材料的热化学烧蚀和温度场耦合分析
杨德军, 李旭东
2013, 30(2): 213-219.
摘要:
通过对热化学烧蚀机制的分析, 利用有限元方法分析了热化学烧蚀、 烧蚀表面退缩及温度场耦合作用下C/C复合材料的烧蚀性能变化规律。采用虚拟失效、 重新构建网格部件的方法实现烧蚀表面的退缩, 建立了烧蚀表面退缩下瞬态温度场的有限元模型。运用热化学烧蚀理论求解了进入材料内部的净热流和烧蚀率。烧蚀表面退缩后变得不规则, 通过编程校正了重新加载热流时不规则表面出现局部热流偏大的现象。结果表明, 随着烧蚀时间的增加, 进入材料内部的热流达到动态的平衡, 材料的烧蚀是多种因素综合作用的结果, 通过耦合计算可以真实反映材料的烧蚀特性。
加载速率对复合材料粘接修理金属结构力学性能的影响
黄旭仁, 胡芳友, 赵培仲
2013, 30(2): 220-225.
摘要:
基于复合材料补片基体和胶层树脂黏弹性的特点, 分别采用光固化和传统热固化方式制备了一系列不同树脂配方的试样, 实验研究了树脂配方对修理结构应变率效应的影响, 测定了复合材料粘接修理结构在不同加载速率下的力学性能。结果表明, 树脂体系的交联度较低时, 应变率效应更明显; 加载速率的提高通常会使补片更好地发挥分担载荷的作用, 但是也会导致变形协调能力的下降; 这两个因素共同影响复合材料粘接结构的最终修理效率。加载速率对于复合材料粘接修理结构的破坏模式也有影响。
含平行币状裂纹复合材料的强度准则
肖建强, 章青, 夏晓舟
2013, 30(2): 226-232.
摘要:
对于含平行币状裂纹材料表现出来的横观各向同性, 引入Walpole’s基来表示和计算。通过构造能量密度支函数来定义复合材料的宏观应力, 在非线性均质化方案中采用了基于能量原理的修正割线法, 考虑了静水压力对偏应变的影响。研究了含微裂纹材料弹性刚度张量的三种解法: 稀疏解法、 MT法和PCW法, 获得了含平行币状裂纹材料具有Drucker-Prager型式的宏观强度准则, 研究结果表明, 材料的弹性模量比和宏观摩擦系数随着裂纹的体积分数增加而减小, 并且裂纹外形比越小, 稀疏解法、 MT法和PCW法对材料的弹性模量比和宏观摩擦系数预测曲线差异越大。
双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料弯曲性能
徐艳华, 袁新林
2013, 30(2): 233-239.
摘要:
经纬纱和针织纱分别选用不同线密度的高模高强玄武岩纤维, 以不同衬纱方式编织出机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物, 并以其作为增强体, 采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料。对两种复合材料0°、 90°和45°方向的弯曲性能进行测试, 分析比较了弯曲应力-应变特征曲线及纱线强度。结果表明: 两种复合材料具有较好的弯曲性能, 0°和90°方向的弯曲性能均优于各自45°方向的, 弯曲应力-应变曲线均表现出一定的塑性破坏特征; MBWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能又分别高于CWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能; 复合材料中经纱和纬纱的屈曲程度不同, 致使MBWK织物增强复合材料的比模量和纱线强度均高于CWK织物增强复合材料, 两种复合材料的弯曲性能受不同衬纱方式的影响, 而两种复合材料试样的弯曲破坏形态相近。研究结果为双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料的应用提供了参考。
风电叶片复合材料拉伸损伤破坏声发射行为
周伟, 孙诗茹, 冯艳娜, 张亭, 韩江云, 戚海东
2013, 30(2): 240-246.
摘要:
通过风电叶片单向和多向复合材料拉伸力学性能实验, 结合声发射技术, 研究复合材料损伤演化特性及纤维预断缺陷对复合材料力学性能的影响。复合材料单向和加卸载拉伸实验时, 采用声发射实时监测整个损伤破坏过程, 获取复合材料试件的拉伸力学性能、 损伤破坏特征及相应的声发射响应特征。结果表明: 由于纤维预断缺陷的存在, 单向复合材料加载到约30%破坏载荷时, 缺陷位置及相邻区域的基体和界面开始出现明显损伤; 加载到约60%破坏载荷时, 含缺陷层和相邻的层出现明显的层间剪切破坏, 导致刚度的急剧缩减, 声发射撞击累积数明显高于无缺陷试件。含纤维预断多向复合材料加载到约60%破坏载荷时, 纤维预断处树脂基体出现明显损伤; 随相对应力水平的提高, 多向复合材料的Felicity比下降较为平缓。
软体防刺复合材料的设计与优化
晏义伍, 曹海琳, 赵金华
2013, 30(2): 247-253.
摘要:
采用模压成型工艺制备了个体防护装备用软体防刺复合材料, 研究了树脂基体种类、 纤维织物种类和树脂含量对复合材料防刺性能的影响。结果表明, Surlyn树脂体系具有优异的防刺性能; 芳纶织物作为增强材料的复合材料穿刺性能优于UHMWPE织物; 树脂含量对复合材料的防刺性能也有影响, 当树脂的质量分数为47%时, Kevlar/Surlyn复合材料的防刺性能最优。
木塑结构板材的可靠性预测
于贵文, 胡英成
2013, 30(2): 254-259.
摘要:
通过纵波传播、 纵向共振和弯曲振动三种方法对木塑结构板材的动态弹性模量(MOE)进行了无损检测。采用三点弯曲试验检测木塑结构板材的静态弹性模量和最大弯曲力(Fm)。运用最大弯曲力和动态弹性模量之间的回归方程, 预测相同木塑结构板材的最大弯曲力, 并采用一次二阶矩法评价木塑结构板材基于预测和检测的最大弯曲力的可靠性指标。结果表明: 动态弹性模量和最大弯曲力间存在较强的相关性; 基于预测最大弯曲力的可靠度大于基于检测最大弯曲力的可靠度, 其最大差值为0.66%。