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2014年  第31卷  第3期

高硅氧/酚醛复合材料热-力-化学多物理场耦合计算
陈海龙, 方国东, 李林杰, 时圣波, 梁军
2014, 31(3): 533-540.
摘要:
基于高硅氧/酚醛复合材料体积烧蚀条件下的三维多物理场耦合控制方程,通过有限元方法预报了高硅氧/酚醛复合材料在酚醛树脂热解反应过程中的温度场、位移场、孔隙压力以及树脂残留率等热力学响应。计算结果表明:数值计算模型预报的温度场和位移场与高硅氧/酚醛复合材料高温变形实验的测量值吻合。材料热解过程中固体材料孔隙压力的峰值点出现在材料热解反应刚开始发生的区域,而弹性应力的峰值点出现在靠近材料热解层的原始材料层。
纤维增强发泡保温复合材料的制备与性能
李小龙, 李国忠
2014, 31(3): 541-549.
摘要:
为了增强玻化微珠/水泥发泡保温复合材料的力学性能和保温性能,通过掺加改性物理泡沫降低发泡保温复合材料的密度和导热系数,采用改性纤维对发泡保温复合材料进行增强。研究了纤维增强发泡保温复合材料的力学性能和耐水性能,并利用扫描电镜对试样内部微观形貌进行观察,探讨了改性泡沫和改性纤维对发泡保温复合材料的增强机制。结果表明,掺加泡沫明显降低了发泡保温复合材料的密度和导热系数,当泡沫掺量为1.05 mL/g时,试样密度和导热系数分别为186 kg/m3和0.056 W/(m·K)。泡沫改性可有效改善发泡保温复合材料的强度和软化系数,掺加改性泡沫试样的抗折强度、抗压强度和软化系数较掺加乳胶粉试样的分别提高了21.05%、21.43%和13.56%。改性纤维可显著提高发泡保温复合材料的强度和软化系数,掺加改性纤维试样的抗折强度、抗压强度和软化系数较掺加未改性纤维试样的分别提高了25.93%、13.51%和8.33%。
高压熔渗金刚石/铜复合材料的低温导热特性
郭宏, 王光宗, 贾成厂, 张习敏
2014, 31(3): 550-555.
摘要:
为研究高压熔渗金刚石/铜复合材料导热率在低温区的变化规律,采用高压熔渗(HRF)的方法分别制备了不同粒度(100 μm,250 μm,400 μm)的金刚石/铜复合材料,利用扫描量热法分析评价了高压熔渗法制备的不同粒度金刚石/铜复合材料的低温导热特性,采用扫描电子显微镜(SEM)分析其显微组织。研究结果表明:由于高压熔渗制备的金刚石/铜复合材料中的部分金刚石发生聚晶反应,导致金刚石颗粒间晶界传热的热阻远小于界面传热热阻;高压熔渗条件下,金刚石颗粒内部变形破碎导致缺陷增多,且100~150 K低温下以声子为主要热载子的传热对裂纹和间隙等缺陷敏感,导致在较低温区内金刚石/铜复合材料的导热率低于普通压力熔渗(PF)所制备的金刚石/铜复合材料的导热率。
等离子加热反应合成TiB2-TiC-Fe2Ti复合材料
张珊珊, 崔洪芝, 赫庆坤, 白斌, 王晓彬
2014, 31(3): 556-562.
摘要:
以Ti、B4C和Fe粉为原料,采用等离子束加热反应合成TiB2-TiC-Fe2Ti复合材料,分析了其物相、组织结构、显微硬度和断口形貌等。结果表明:反应生成物中物相主要有TiB2、TiC和Fe2Ti,同时含有少量的Fe3C。各物相以不同的形态均匀分布,TiB2呈现六边形和长条形,TiC近似球形,Fe2Ti作为粘结相存在于TiB2和TiC相之间,促进了各相之间的结合。等离子束加热具有高加热及冷却速率,降低了晶粒生长时间,有利于获得细小的组织。随着电流增加,单位时间内输入坯体热量增多,TiB2和TiC充分长大,各相之间结合更加紧密。
石英纤维/KH308复合材料的介电性能
陈东, 居建国, 郝旭峰
2014, 31(3): 563-568.
摘要:
为研究石英纤维/聚酰亚胺(KH308)复合材料介电性能与纤维体积分数、频率、温度和吸水率之间的关系,通过热压成型法,制备了4种不同纤维体积含量的石英纤维/KH308复合材料,采用高Q谐腔法分别测试这4种复合材料在不同状态下的介电常数和介电损耗。结果表明:石英纤维/KH308复合材料的介电常数随着纤维体积分数增加而变大,介电损耗随纤维体积分数变化不大;7~18 GHz频率下,复合材料的介电常数和介电损耗基本不随频率变化;25~300℃下,复合材料的介电常数随温度增加变化比较平缓,而介电损耗随温度的增加而降低;复合材料吸水后,介电常数和介电损耗都会增加;复合材料介电常数ε<4,介电损耗tanδ<0.1,能满足导弹天线罩透波材料介电性能的要求。
改性纳米HA对PLA-PBAT共混体系结晶与流变性能的影响
梁多平, 智慧, 孙智慧, 张彪, 何宏, 刘晓华, 旺盛超
2014, 31(3): 569-577.
摘要:
采用熔融共混挤出法制备改性纳米羟基磷灰石(HA)/聚乳酸(PLA)-聚己二酸丁二酯-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)复合降解材料,利用差示扫描量热仪(DSC)、流变仪、电子拉伸机、扫描电镜(SEM)等,对其结晶、流变行为、力学性能、冲击性能、表面结构等进行了研究。DSC结果表明:随着改性纳米HA添加量的增多,HA/PLA-PBAT共混体系的玻璃化转变温度先升高后下降;冷结晶温度逐渐下降,降低了13℃,结晶能力有所提高;结晶度由24.33%增加到33.47%。流变行为显示共混体系黏度随剪切速率的增大而减小,属非牛顿流体。此外,随着改性纳米HA的增多,HA/PLA-PBAT共混体系储存模量和损耗模量逐渐减小;屈服强度、缺口冲击强度、拉伸强度先增大后减小,当共混体系中改性纳米HA添加量为2%(80/20/2)时,达到最大值。SEM观察发现,少量改性纳米HA可以均匀分散在PLA-PBAT基体中并能显著提高其韧性。
竹粉接枝改性及其对竹粉/PETG复合材料流变行为的影响
余方兵, 宋剑斌, 吴秋宁, 陈丽红, 杨文斌, 侯伦灯
2014, 31(3): 578-583.
摘要:
采用电子活化再生原子转移自由基聚合(AGET ATRP)法将甲基丙烯酸甲酯(MMA)接枝到竹粉(BF)表面,并采用哈克微量混合流变仪及旋转流变仪考察了竹粉接枝改性前后对竹粉/聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)复合材料流变行为的影响。毛细管流变结果表明,竹粉/PETG复合材料属于假塑性流体,呈现剪切变稀的现象;应变扫描结果表明,与未改性竹粉/PETG复合材料体系相比,竹粉经接枝改性后其复合材料体系在更大的应变范围内属于线性弹性行为;频率扫描结果表明,竹粉的接枝改性处理有助于促进竹粉在PETG基体中的均匀分散。
基于宏观各向异性碳纤维增强树脂基复合材料的切削仿真
路冬, 李志凯, 融亦鸣, 舒嵘
2014, 31(3): 584-590.
摘要:
为了对碳纤维增强树脂基复合材料切削加工过程中的基体破坏及亚表层损伤机制进行研究,借助数值仿真方法建立了基于宏观各向异性的复合材料正交切削有限元模型。采用Hashin-Damage失效准则,通过定义纤维拉伸断裂、压缩屈曲极限应力及基体横向拉伸断裂、剪切断裂极限应力等数值,建立了复合材料切削加工动态物理仿真模型。通过切削力仿真值与实验值的比较,验证了仿真模型的有效性。通过对0°和90°纤维方向复合材料基体开裂和压溃的分析发现,当进入稳定切削后,基体开裂方向与纤维方向平行,而基体的压溃主要发生在刀尖周围。分析了纤维方向对复合材料亚表面损伤深度的影响,随着纤维方向角度的增加,工件亚表面裂纹损伤深度呈增长趋势。
MAHSBS和纳米CaCO3复合改性PCABS共混材料
张宁, 郭强
2014, 31(3): 591-596.
摘要:
研究苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、马来酸酐接枝苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(MAH-SBS)、纳米CaCO3单独填加与复配填加对聚碳酸酯与丙烯腈-丁二烯-苯二烯三元共聚物(ABS)共混物(PC-ABS)性能的影响,采用电子扫描电镜观察其微观结构。结果发现,质量比PC:ABS=1:1时,共混材料综合性能最好;单独添加4wt%的纳米CaCO3,PC-ABS的拉伸强度明显上升,冲击强度略有上升;单独添加SBS无法起到改良效果;单独添加MAH-SBS,MAH-SBS/PC-ABS的冲击强度上升,但拉伸强度严重下降;MAH-SBS与纳米CaCO3复配时,可以起到协同作用,PC-ABS的冲击强度由80 kJ/m2上升至约108 kJ/m2,拉伸强度由57.0 MPa上升至约61.5 MPa。
剥离型纳米蒙脱土/聚酰亚胺复合材料的制备与表征
赖登旺, 陈静, 张起, 李笃信, 蔡淑容, 杨军
2014, 31(3): 597-603.
摘要:
利用二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯(MDI)与酸化的蒙脱土(MMT)表面的羟基进行反应制得了MMT-MDI;进一步利用己内酰胺(CPL)对MMT-MDI进行插层并对多余的异氰酸酯端基进行封端,制得了MMT-MDI-CPL。采用预聚体溶液插层法,利用聚酰胺酸(PAA)在二甲基乙酰胺(DMAC)溶剂中分别对MMT-MDI和MMT-MDI-CPL进行预聚体插层,制得了剥离型纳米MMT/聚酰亚胺(PI)复合材料。通过电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、FTIR、TG、XRD和SEM对改性MMT和纳米MMT/PI复合材料进行了表征。结果表明:MDI与MMT表面羟基反应而被成功接枝于MMT上;MDI对MMT的改性、CPL对MMT-MDI的插层和封端使MMT层间距得到逐步扩大;MMT/PI复合材料的XRD和断面SEM表明,MMT在PI基体中得到了充分剥离。
超临界CO2方法制备纳米蒙脱土/氢化丁腈橡胶复合材料
孟晓宇, 刘旭, 丛川波, 周琼
2014, 31(3): 604-609.
摘要:
比较了超临界CO2方法与机械共混法制备的纳米蒙脱土/氢化丁腈橡胶复合材料的结构与性能,以验证超临界CO2方法在氢化丁腈橡胶复合材料制备中的有效性。并研究了超临界CO2处理条件对蒙脱土分散情况的影响。XRD及TEM研究表明,与机械共混法相比,超临界CO2处理有效提高了氢化丁腈分子向蒙脱土层间扩散的能力,使层间距进一步增大,最大达3.93 nm。同时,蒙脱土片层能够均匀无规地分散于氢化丁腈橡胶基体中,且具有较高的剥离程度。而超临界处理时,温度和压力的变化对蒙脱土的分散情况影响不大。蒙脱土加入后,蒙脱土/氢化丁腈橡胶复合材料的拉伸强度显著提高,从14.4 MPa分别增加到16.3 MPa(机械共混法)和19.6 MPa(超临界CO2方法),断裂伸长率也略有增加。超临界CO2方法比机械共混法所制备复合材料的力学性能要高,且在介质浸泡前后,仍能够保持较好的力学性能。
鳞片石墨取向对鳞片石墨/聚丙烯、鳞片石墨/尼龙66复合材料导热性能的影响
刘科, 刘颖, 吴大鸣, 庄俭, 许红, 唐胜德
2014, 31(3): 610-616.
摘要:
为了研究鳞片石墨在基体中的取向对复合材料导热性能特别是不同方向导热性能的影响,通过双螺杆挤出混合及注射成型制备了鳞片石墨/聚丙烯(PP)、鳞片石墨/尼龙66(PA66)导热复合材料,并利用扫描电子显微镜和超声波测试对制备的样品进行了分析。结果表明:鳞片石墨的粒径越小,平面取向度越高,平面与垂直方向的热导率差值越大。加工中双螺杆挤出机的过度剪切会破坏鳞片石墨的片层结构,影响鳞片石墨导热网络的形成,降低复合材料的热导率,但提高了材料导热的各向均匀性。适度的剪切可以打开鳞片石墨的片层结构,提高复合材料的热导率,注射成型更多影响到制品导热的各向异性。
纳米Al2O3及酚酞聚芳醚酮改性环氧复合材料性能
沈志军, 张晖, 刘刚, 张忠, 张晨
2014, 31(3): 617-627.
摘要:
通过机械分散技术制备了纳米Al2O3 /环氧、酚酞聚芳醚酮/环氧和纳米Al2O3/ 酚酞聚芳醚酮/环氧复合材料,并对比研究了其拉伸模量、拉伸强度、断裂性能和热性能。结果表明:纳米Al2O3及酚酞聚芳醚酮在环氧树脂中呈均匀的分散状态;纳米Al2O3使环氧树脂拉伸模量增加,使拉伸强度先增后降;酚酞聚芳醚酮使环氧树脂拉伸模量略微下降,对拉伸强度影响不明显;纳米Al2O3/酚酞聚芳醚酮/环氧三元复配体系的拉伸模量和拉伸强度呈非单调变化的趋势;纳米Al2O3和酚酞聚芳醚酮对环氧树脂均有增韧作用,三元复配体系增韧效果更明显,表现出协同增韧效果;高含量纳米Al2O3降低了环氧树脂的初始分解温度,而其余填料对环氧树脂热稳定性具有改善作用,填料均使环氧树脂玻璃化转变温度有所降低。
聚噻吩/纳米MnO2复合材料的制备表征及电化学性能
杨光, 时宇, 康萌萌, 冯孝中, 张治红
2014, 31(3): 628-634.
摘要:
纳米二氧化锰(MnO2)作为超级电容材料已被广泛研究。为了改善其充放电性能,采用原位化学氧化聚合法制备聚噻吩/纳米MnO2 (PTh/MnO2)复合材料,对纳米MnO2进行性能改性。通过改变聚噻吩在PTh/MnO2复合材料中的掺杂量,制备出一系列的复合材料。采用傅里叶转换红外光谱(FIIR)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)对PTh/MnO2复合材料的化学性能、晶体结构以及表面形貌等进行了详细考察。接着采用CT001A型电池测试系统对以PTh/MnO2复合材料做负极所制得的密封扣式电池进行了充放电性能测试。结果表明,MnO2和聚噻吩在不同的PTh/MnO2复合材料中形貌各异。当聚噻吩含量为8wt%~10wt%时,MnO2在PTh/MnO2复合材料中分布最为均匀;当聚噻吩含量较高时,MnO2的形貌受到严重影响,其原来的管状结构接近消失。聚噻吩含量的不同,同样也影响了电池的充放电性能。当聚噻吩的含量为20wt%时,在循环20次后,电池的平衡容量为最高,可达700 mAh/g。这明显高于以纳米MnO2为负极时的电池容量。由此可见,聚噻吩对纳米MnO2的充放电性能具有明显的增强作用。该研究为PTh/MnO2复合材料作为电池负极材料的使用提供了实验基础。
陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶复合材料力学性能试验
米春虎, 姜勇刚, 石多奇, 韩世伟, 孙燕涛, 杨晓光, 冯坚
2014, 31(3): 635-643.
摘要:
氧化硅气凝胶具有极低的热导率和密度,可作为很好的隔热材料,而脆弱的力学性能限制了其在隔热领域的应用。在不影响隔热效果的前提下,通过复合陶瓷纤维可增加氧化硅气凝胶的强度及韧性。试验探索了陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶在室温下的拉伸、压缩和剪切等基本力学性能,分别研究了300℃、600℃和900℃下复合材料纤维铺层面方向的压缩性能,并采用扫描电子显微镜对高温试样微观结构进行了观察分析。结果表明:陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶的性能表现出方向性,弹性模量在铺层面内方向与厚度方向的数值最大相差约28倍,强度极限亦然;在室温条件下,复合材料的拉伸和压缩弹性模量不同,X 、Y 和 Z 方向拉伸模量与对应的压缩模量之比分别为1.60、1.83和0.56;高温下复合材料沿厚度方向收缩,收缩量随温度升高而增大,900℃下的最大收缩量可达10.8%;高温下复合材料铺层面内方向压缩性能随温度升高而增强。
氧化石墨烯纳米片层对水泥基复合材料的增韧效果及作用机制
吕生华, 孙婷, 刘晶晶, 马宇娟, 邱超超
2014, 31(3): 644-652.
摘要:
通过氧化和超声波分散制备了氧化石墨烯(GO)纳米片层分散体系,研究了GO纳米片层对水泥基复合材料的增韧效果及作用机制。用EDS、FTIR、XRD、SEM和AFM对GO纳米片层的结构进行了表征。研究结果表明:所得GO含氧量为32.3wt%,GO纳米片层的厚度为6 nm左右,在GO片层表面含有羟基、羧基和磺酸基等活性基团。水泥基复合材料的SEM形貌及力学性能测定结果表明:当GO掺量为0.03wt%时,GO能够使水泥水化产物形成花朵状晶体,并使水泥基复合材料的拉伸强度、抗折强度和压缩强度比对照样品分别提高了65.5%、60.7%和38.9%。提出了GO纳米片层对水泥水化产物的模板调控机制,揭示了花状晶体的形成过程。
C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的振动响应特性及防松性能
郝秉磊, 殷小玮, 刘小瀛, 张立同, 成来飞, 李权
2014, 31(3): 653-660.
摘要:
通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的模态进行计算和试验分析,确定了其模态参数和振动响应特性;然后通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行正弦扫频振动试验,研究了拧紧力矩对螺栓连接件振动性能的影响规律;最后研究了液态聚硼硅氮烷(L-PBSZ)对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件防松性能的影响。研究结果表明:一阶和三阶固有计算模态频率与试验模态频率一致,因此可以采用有限元分析方法对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行振动响应特性分析;采用正弦扫频振动频谱信号差值曲线分析方法可以检测螺栓连接件是否松动;SEM观察表明,L-PBSZ改性的C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的螺纹副间形成陶瓷填充体,使得螺纹与螺母间有效摩擦系数和有效摩擦面积增加,因此螺母松脱退出的力矩增大,提高了C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的防松可靠性能。
多尺度纤维增强水泥基复合材料力学性能试验
张聪, 曹明莉
2014, 31(3): 661-668.
摘要:
基于水泥基材料多尺度的结构特征及破坏过程,设计了一种由钢纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维以及碳酸钙晶须构成的多尺度纤维增强水泥基复合材料(MSFRCC),研究了其抗压强度、抗弯强度、弯曲韧性、多缝开裂形态以及断裂过程等基本力学性能。结果表明:基体材料的强度和韧性均得到了显著提高;MSFRCC在弯曲荷载作用下表现出了硬化行为和多缝开裂模式。扫描电子显微镜和断裂试验结果证实了多尺度纤维在水泥基复合材料破坏过程中发挥了多尺度阻裂作用。研究认为:通过对纤维进行多尺度组合设计,可以显著改善水泥基复合材料的韧性,廉价的碳酸钙晶须可以适量取代钢纤维和PVA纤维。
基于扩展有限元的陶瓷复合材料多重增韧机制
李彬, 李方方, 杨海军, 王传彬
2014, 31(3): 669-675.
摘要:
为了提高陶瓷材料的断裂韧性和可靠度,改善材料抵御破坏的能力,将优化的多重增韧机制应用到氧化铝基陶瓷材料的开发中。相变增韧机制可以耗散部分能量,降低裂纹尖端处的应力集中程度,阻止或延缓裂纹扩展速率。当增强相分布较为合理、材料的致密度较高时,裂纹偏转与桥接增韧机制可以有效地削弱裂纹扩展动力,提高材料的断裂韧性。利用扩展有限元(X-FEM)手段讨论了裂纹扩展问题,为分析陶瓷复合材料的多重增韧机制提供了新思路。
2D-SiC/SiC复合材料拉伸加卸载行为
李潘, 王波, 甄文强, 矫桂琼
2014, 31(3): 676-682.
摘要:
为了研究国产2D-SiC/SiC复合材料的拉伸损伤行为以及低周循环载荷作用下的力学性能,通过试验和建立加卸载细观力学模型,对其拉伸加卸载行为进行了探讨。建立了单向连续纤维增强陶瓷基复合材料加卸载细观力学模型,得到了初始加载、卸载和重新加载时的应力-应变关系;利用断裂统计方法得到了基体裂纹数随应力变化的关系和复合材料失效判断条件。经过应力转化,将该模型应用于国产二维编织SiC/SiC复合材料。对单向加载试件,采用正交试验方法和最小二乘法得到基体Weibull模量和界面剪切阻力,通过控制材料失效强度与试验结果一致,得到纤维Weibull模量。由上述参数确定的2D-SiC/SiC复合材料拉伸循环加卸载应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。通过Matlab编程得到2D-SiC/SiC复合材料单向加载时基体开裂过程图。结果表明,2D-SiC/SiC复合材料失效时,基体裂纹分布相对比较均匀;基体裂纹数随应力单调增加,未出现持平段,表明材料失效时,基体裂纹还没有达到饱和。
三维网络结构Al2O3陶瓷/高铬铸铁复合材料干摩擦磨损性能
杨少锋, 张炎, 蔡云杰, 沈成相, 陈维平
2014, 31(3): 683-691.
摘要:
采用往复式滑动摩擦磨损(SRV)试验机研究了高铬铸铁及三维网络结构Al2O3陶瓷增强高铬铸铁复合材料的干摩擦磨损性能,测量了高铬铸铁和Al2O3陶瓷/高铬铸铁复合材料在不同摩擦频率及载荷下的摩擦系数和磨损率;用扫描电镜观察磨损表面形貌,并分析了三维网络Al2O3陶瓷对复合材料磨损机制的影响。结果表明:陶瓷Al2O3与高铬铸铁基体之间具有良好的界面结合,复合材料的摩擦系数随摩擦频率和载荷的变化保持稳定,耐磨性远优于高铬铸铁,而且随着摩擦频率和载荷的增加,Al2O3陶瓷/高铬铸铁复合材料的抗磨损性能明显提高,这是由于复合材料中Al2O3与高铬铸铁相之间三维空间结构和良好的界面结合有利于摩擦载荷的传递;三维Al2O3陶瓷骨架在磨损表面形成硬的网络突体并起承载作用,能有效保护金属基体;磨损机制为氧化磨损及磨粒磨损共同作用。
基于数值计算方法的CFRP层板二维细观形貌多孔隙超声散射衰减
丁珊珊, 罗忠兵, 陈军, 刘欢, 林莉
2014, 31(3): 692-698.
摘要:
针对超声波在含有多孔隙的复合材料中传播时,邻近孔隙超声散射波之间相互作用和散射衰减机制尚未澄清的问题,对孔隙率为7.47%的碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)采用时域有限差分方法进行数值计算,对比研究了CFRP层板中不同尺寸范围二维真实形貌孔隙及圆形孔隙对应的超声散射衰减系数。结果表明,对于横向尺寸m≤λ/8、λ/8s普遍小于真实形貌孔隙的αs。对于孔隙横向尺寸满足m<2λ/3的情况,大尺寸孔隙以及长条形孔隙的存在,整体上会使超声波散射衰减加重。
不确定条件下复合材料结构的全局灵敏度分析
阮文斌, 吕震宙, 安军, 彭湃
2014, 31(3): 699-706.
摘要:
基于不确定条件下结构的全局灵敏度分析理论,研究了输入变量的不确定性对复合材料结构输出响应量方差和失效概率的影响。考虑材料力学性能、铺设角、铺层厚度及加载载荷的不确定性,利用基于方差和基于失效概率的全局灵敏度分析方法,对复合材料结构输出位移和强度比的不确定性来源进行分析,得到输入变量的全局灵敏度排序结果。对复合材料工字梁结构进行算例分析,验证了所得排序结果的有效性,为工程实际中复合材料结构稳定性优化设计提供了一定的指导。
复合材料调制热像检测的数值模拟
郭兴旺, 吴军, 王育红, 杨京
2014, 31(3): 707-714.
摘要:
为了给复合材料结构的调制热波成像检测提供基础理论依据和操作参数窗口,用基于有限单元法的计算机数值模拟研究了复合材料层压板分层、脱粘的调制热像检测规律。分析了相位差与调制频率及缺陷深度的关系,提出了最佳检测频率、半高频带和盲频的预测方法,验证了利用盲频来估计缺陷深度的方法,提出利用最佳检测频率来估计缺陷深度的新方法。研究结果表明:最佳调制频率和盲频近似与缺陷深度的平方成反比;最大相位差及半高频带宽随缺陷深度的增大而减小;利用盲频和最佳调制频率都可以对缺陷深度进行定量估计,在缺陷深度为1~4 mm的范围内,两种方法的估计误差分别在约9%和11%以内。
缝合复合材料层板低速冲击损伤数值模拟
王裕龙, 许希武, 毛春见
2014, 31(3): 715-724.
摘要:
建立了缝合复合材料层板在低速冲击载荷下的渐进损伤分析模型。模型中采用空间杆单元模拟缝线的作用;采用三维实体单元模拟缝合层板,通过基于应变描述的Hashin准则,结合相应的材料性能退化方案模拟层板的损伤和演化;采用界面单元模拟层间界面,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的应变能释放率准则判断分层的起始和扩展规律。通过对碳800环氧树脂复合材料(T800/5228)层板的数值仿真结果和试验结果相比较,验证了模型的正确性,同时讨论了不同冲击能量下缝合层板的损伤规律。研究结果表明:缝线能够有效地抑制层板的分层损伤扩展;相同冲击能量下缝合与未缝合层板的基体损伤和纤维损伤在厚度分布上相似,缝合层板的损伤都要小于未缝合层板。
基于多相流的LCM工艺气泡生成仿真
金天国, 杨波, 李建广, 毕凤阳
2014, 31(3): 725-732.
摘要:
分析了液体模塑成型工艺(LCM)下织物预成型体中双尺度流动以及由此造成的空气裹入,进而产生细观及微观气泡的现象。基于多相流(VOF)方法建立了树脂空气两相流体在单胞内部流动的数学模型,并确定了该模型中多孔介质阻力源项和毛细力源项的具体形式。基于Fluent软件的UDF功能实现了上述两相流模型的数值求解,研究了平纹织物单胞中的两相流动以及2种气泡的生成过程。对Rovcloth 2454织物的气泡生成仿真结果显示,毛细数 Ca 对气泡的产生有决定性作用:当毛细数接近临界毛细数 Cac时,气泡产生量最低,而当Ca小于Cac时,容易产生细观气泡,反之容易产生微观气泡。通过与文献中的理论预测和实验数据对比,验证了本文算法的正确性。
纤维金属层板低速冲击试验和数值仿真
陈勇, 庞宝君, 郑伟, 张志远
2014, 31(3): 733-740.
摘要:
为开展纤维金属层板(FML)低速冲击有限元数值仿真研究,改进了传统的连续损伤力学(CDM)模型,然后对FML落锤低速冲击试验进行数值仿真,并与实验结果进行对比验证。分别采用5.11 J 和10.33 J冲击能量对FML进行落锤低速冲击试验,得到冲击载荷、位移和能量时程曲线,分析FML的动态响应和失效模式。建立了考虑塑性应变、压缩刚度衰减特征和纤维拉伸断裂损伤的新CDM模型,描述S2-玻璃纤维/环氧树脂(S2-galss/epoxy)复合材料的损伤本构,并编写VUMAT子程序,通过ABAQUS/Explicit求解器对FML落锤冲击试验进行数值仿真。研究结果表明:低能量冲击条件下,FML背面主要为鼓包和裂纹等失效模式,位移峰值随冲击能量的提高而增加,冲击载荷峰值在穿透前也随冲击能量的提高而增加;采用改进的CDM模型描述FML中S2-galss/epoxy复合材料铺层后,有限元数值计算可以较好地预测FML低速冲击载荷下的动态响应;有限元数值仿真结果表明,FML中第2层复合材料铺层发生的纤维断裂损伤比第1层的更严重。
侧边边界条件对复合材料加筋板轴压载荷下屈曲和后屈曲性能的影响
邵青, 何宇廷, 张腾, 冯宇
2014, 31(3): 741-748.
摘要:
为研究侧边边界条件对复合材料加筋板压缩稳定性能的影响,首先采用有限元软件对压缩载荷作用下的复合材料加筋板进行建模数值计算,得到加筋板在侧边简支和自由2种边界条件下的屈曲载荷和形式,然后采用工程计算方法对加筋板轴压承载能力进行了估算,参考计算结果,分别对侧边有支持和侧边自由2组加筋板进行轴向压缩试验,分析侧边边界条件对试验件的屈曲形式、屈曲载荷以及后屈曲破坏过程的影响。试验结果表明:侧边支持条件会影响加筋板的屈曲形式和破坏形式。对于侧边有支持的试验件,屈曲后整体变形较小,筋条的压缩断裂是主要的破坏形式;而侧边自由的试验件屈曲后会逐渐出现整体弯曲变形,变形引起的筋条脱粘和弯曲断裂则是主要的破坏形式,且筋条脱粘会显著降低结构的承载能力。有限元计算结果与试验结果较吻合,验证了有限元模型的合理性。采用工程计算方法对侧边有支持的加筋板承载能力进行估算具有较好的精度。
脱胶缺陷尺寸对复合材料加筋板屈曲及后屈曲特性的影响
刘璐, 关志东, 徐荣章, 冯翎
2014, 31(3): 749-758.
摘要:
为确定脱胶缺陷对复合材料加筋板屈曲及后屈曲特性的影响,对含不同脱胶缺陷工型筋条的复合材料加筋板进行了压缩试验研究。结果表明,30 mm和50 mm的缺陷对试验件承载能力影响很小,当缺陷尺寸增至80 mm时,试验件后屈曲承载能力明显下降。借助超声检测技术对缺陷的扩展行为进行了监测,结果表明,当压缩载荷达到破坏载荷的85.3%时,预制缺陷的对角位置处出现扩展迹象。通过影像云纹法获得两半波和三半波失稳模态的形成过程。对失稳模态的监测结果还表明,随缺陷长度增加,该型加筋板的失稳模态从三半波向两半波转换。在试验基础上,利用ABAQUS软件建立有限元(FE)模型,依次进行了屈曲及后屈曲过程的数值模拟。屈曲分析用于获得试验件的失稳载荷及模态,在后屈曲分析中将失稳波形以几何扰动的形式引入FE模型,最终计算结果与试验结果基本吻合,表明该模型可以用于复合材料加筋板屈曲及后屈曲性能的预测。
中间热处理对薄壁C/CSiC构件制备及力学性能的影响
王玲玲, 嵇阿琳, 崔红, 闫联生, 白杨
2014, 31(3): 759-764.
摘要:
采用“化学气相渗透法+先驱体浸渍裂解法”(CVI+PIP)混合工艺制备了薄壁C/C-SiC复合材料构件,研究了C/C多孔体的热处理对C/C-SiC构件密度、变形量及力学性能的影响。研究结果表明:中间热处理可提高C/C的开孔率,有利于SiC的渗入,制备出密度较高的C/C-SiC复合材料构件;中间热处理对构件的层间剪切性能影响不大,但影响构件面内拉伸强度和整体承压性能;中间热处理会导致薄壁C/C-SiC构件在内外径和高度方向发生变形;合适的热处理温度(1600~1800℃)使C/C-SiC构件界面结合强度适中,面内拉伸强度及整体承压性能有了极大的提高;而较高的热处理温度(2100~2300℃)使碳纤维强度下降,使构件拉伸强度及整体承压性能大幅下降。
复合材料整体加筋板轴压后屈曲失效评估方法
孔斌, 陈普会, 陈炎
2014, 31(3): 765-771.
摘要:
在飞机结构设计中,为高效完成复合材料加筋板结构设计,亟需一种快速有效的复合材料整体加筋板后屈曲失效评估方法。采用商业有限元软件ABAQUS建立了加筋板有限元模型,研究了复合材料整体加筋板的轴压后屈曲失效评估方法,即“整体-局部”法。通过对单筋条壁板后屈曲的失效分析发现,“整体-局部”法可得到初始脱胶时的位移和载荷值以及较准确的破坏载荷值,是一种能有效确定加筋板后屈曲失效情况的快速评估方法,对提高结构设计效率和减轻飞机结构质量具有重要的工程意义。
金属裂纹板复合材料单面胶接修补结构应力分析
苏维国, 穆志韬, 朱做涛, 孔光明
2014, 31(3): 772-780.
摘要:
考虑金属裂纹板复合材料单面胶接修补结构的几何非线性和边界条件,建立了考虑弯曲变形单面修补结构力学分析模型,计算出承受面内载荷时修补结构的弯矩和挠度,将补片自由端和金属板裂纹处的弯矩作为胶层应力控制微分方程的边界条件,推导出剪应力和剥离应力的解析解,及裂纹张开位移的表达式,并与有限元数值结果进行对比。分析结果表明,胶接修补结构应力分析理论模型和相关简化假设合理、正确。利用所建立的解析模型研究了金属裂纹复合材料单面胶接修补结构的应力分布特点及胶层主导破坏模式的失效机制,为胶接修补结构的承载能力分析以及结构改进设计提供了一定的理论依据。
复合材料圆柱壳轴压屈曲性能分析
闫光, 韩小进, 阎楚良, 左春柽, 程小全
2014, 31(3): 781-787.
摘要:
对完整复合材料圆柱壳轴向压缩性能进行了试验研究,得到了圆柱壳结构的破坏载荷和各测量点的载荷-应变曲线,通过分析得出结构的破坏形式为屈曲破坏。利用ANSYS有限元软件建立了模型,对复合材料圆柱壳进行屈曲分析,将有限元计算的结构变形和屈曲载荷与试验结果进行对比,计算结果与试验结果一致,验证了模型的有效性。利用建立的有限元模型,分析了开口尺寸和铺层角度对含矩形开口的复合材料圆柱壳屈曲载荷的影响。在开口处加装复合材料口盖对结构进行补强,补强后的柱壳结构满足强度设计要求。
基于细观结构的2.5维机织复合材料强度预测模型
邱睿, 温卫东, 崔海涛
2014, 31(3): 788-796.
摘要:
采用经纱矩形截面及纬纱六边形截面假设,将经纱的屈曲轨迹简化为折线形式,建立了2.5维机织复合材料单胞几何模型。以单胞为研究对象,引入改进的三维Hashin失效准则和Mises准则作为组分材料的失效判据,采用不同的刚度退化方式来表征不同的失效模式,建立了基于逐渐损伤理论的强度预测模型。利用有限元分析(FEA)技术,开发了相应的参数化2.5维机织复合材料逐渐损伤分析程序,预测了浅交弯联结构不同机织参数2.5维机织复合材料的拉伸强度,并模拟了经向拉伸和纬向拉伸的损伤扩展过程。与静拉伸试验结果相比,拉伸强度的预测误差在10%以内;模拟的失效模式与试验结果吻合较好。
三维正交机织复合材料低周弯曲疲劳力学性能有限元模拟
汪金花, 方芳, 杨格, 吴利伟, 孙宝忠
2014, 31(3): 797-802.
摘要:
为了深入理解三维正交机织复合材料(3DOWC)疲劳性能,改进材料抗疲劳设计,结合三维正交机织复合材料试样经纱方向准静态三点弯曲及60%应力水平下的三点弯曲疲劳实验与ABAQUS有限元软件,构建了全尺寸三维实体模型,研究了三维正交机织复合材料在低周循环载荷下的弯曲疲劳性能,经分析得到循环加载下模型应力分布情况和疲劳损伤形态。结果表明:经纱为材料最重要的承载部件,中间加载区域为材料应力集中区,损伤主要位于应力集中区的Z纱通道处的经纱上,随着循环增加,逐渐在中心加载区域的上部和下部形成三角形损伤区域,该研究在复合材料设计与优化中具有指导意义。
剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板试验及有限元分析
蓝元沛, 徐吉峰, 杜奎
2014, 31(3): 803-808.
摘要:
为了确定剪切载荷作用下含非穿透损伤复合材料挖补修理层合板的破坏模式和抗剪切能力,进行了复合材料挖补修理层合板的剪切试验,并与未损伤复合材料层合板进行对比。试验结果表明,复合材料挖补修理后的层合板具有较高的强度恢复率,且不影响层合板的后屈曲承载能力。同时,建立了剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的有限元分析(FEA)模型,复合材料母板和补片采用了三维Hashin准则来判定材料失效,母板层与层之间采用零厚度界面单元以有效模拟剪切载荷作用下复合材料母板上、下子板之间的分层。该模型得到的破坏模式与试验结果基本相符。由于挖补修理的设计与工艺复杂性,理论模拟的破坏载荷与试验结果虽不能完全吻合,但其最大15%左右的差异能够满足修理设计的需要。以上结果说明,该模型对剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的破坏模式和破坏载荷能够进行工程适用的预测。
复合材料拉挤方管型材螺栓节点承载力试验
方海, 徐超, 孙慧明, 刘伟庆
2014, 31(3): 809-817.
摘要:
复合材料型材是采用工业化拉挤工艺生产的截面形状一致、性能稳定的连续构件(如:方形、工字形、槽形等),其节点连接技术是难点。重点开展了复合材料型材节点螺栓机械连接的试验研究与理论分析,研究了螺栓节点孔径、端距、壁厚等参数对复合材料型材节点极限承载力的影响规律,提出了拉挤复合材料型材螺栓孔的金属垫圈孔壁增强技术,进而拟合了拉挤型材螺栓节点连接的设计公式。研究结果表明:复合材料方管拉挤型材在螺栓连接局部挤压的破坏模式下,其极限承载力与孔径和板厚的乘积(d·t)呈线性关系,接头处的破坏形式和连接接头端距与孔径的比值相关。在挤压破坏模式下,当接头板件壁厚一定时,极限承载力的增量随着孔径的增大而减小。螺栓孔采用金属垫圈增强技术,可以大幅度提高节点承载能力(提高63%)。
基于Lamb波和Hilbert变换的复合材料T型加筋损伤监测
刘国强, 孙侠生, 肖迎春, 李明, 白生宝
2014, 31(3): 818-823.
摘要:
为了监测整体成型复合材料结构的损伤,提出了一种基于Lamb波和Hilbert变换的能量损伤指数。首先,通过应用Hilbert变换提取Lamb波信号的波形包络;然后选取具有最大峰值的波包,将此波包在结构出现损伤后的能量变化值与损伤前的能量之比作为损伤指示;该方法不需要选择特定的Lamb波模式,克服了Lamb波在复合材料结构中存在的频散、多模式及模式转换给信号分析带来的困难;最后在复合材料T型加筋的损伤演化试验中,对该能量损伤指数进行了应用验证研究。研究结果表明:该能量损伤指数可以用于复合材料T型加筋的损伤监测,当能量损伤指数(EDI)值达到0.62时,所研究的复合材料T型加筋确定有损伤产生。
正二十烷与膨胀石墨共改性三水合醋酸钠相变材料储热性能
王崇云, 王维, 冯利利, 李国玲, 田文怀, 李星国
2014, 31(3): 824-829.
摘要:
为了克服三水合醋酸钠(CH3COONa·3H2O)作为相变储热材料在相变过程中存在的相分离现象,提高其热循环性能,采用简单的共混法将正二十烷(n-Eicosane)、多孔材料膨胀石墨(EG)与CH3COONa·3H2O复合制备了三元相变体系(n-Eicosane-EG/ CH3COONa·3H2O),利用XRD、SEM、DSC等方法研究了复合相变体系的结构和储热性能。结果表明,利用正二十烷的包覆作用和EG的孔限域作用,可使n-Eicosane-EG/ CH3COONa·3H2O的热循环性能显著提高。
以钛酸四正丁酯为钛源制备超细Ti粉体
徐卓, 吴一, 顾强, 邹正光, 龙飞, 沈天宇
2014, 31(3): 830-834.
摘要:
以有机钛源钛酸四正丁酯(Ti(OC4H94)与纳米碳黑(C)为反应原料制备超细Ti(C1-xNx)粉体。经过计算可知两者理论质量比约为9.4:1,以m(Ti(OC4H94):m(C)=9:1混料,通过溶胶凝胶法制备烧结前驱体。利用高温碳热还原法,在N2气氛中,分别在不同温度下恒温烧结1 h,直接反应合成超细Ti(C1-xNx)粉体。结果发现,随温度升高,x 值逐渐降低,数值区间为0.19~0.72;产物组分中的总碳含量(Ct)逐渐增大,从14.23wt%增大到18.66wt%,游离碳含量(Cf)与氧含量(Co)均低于0.5wt%;产物平均粒度也呈增大趋势,平均粒度分布区间为220~275 nm。
基于多维阵列和空间滤波器的损伤无波速成像定位方法
刘彬, 邱雷, 袁慎芳, 王长春
2014, 31(3): 835-844.
摘要:
随着复合材料在航空结构中的广泛应用,基于压电传感器(PZTs)阵列和Lamb波的结构健康监测成像方法已经成为复合材料结构健康监测技术的研究热点,但是复合材料的各向异性特点导致依赖于信号传播速度的延迟-累加、相控阵等成像方法难以实现其损伤的准确监测。鉴于此,研究了一种与信号传播速度无关的空间滤波器损伤成像定位方法,该方法利用Lamb波在结构中传播时的空间-波数域特征,通过设置空间权重函数使压电传感器阵列形成波数带宽为[kminkmax]的空间-波数域滤波器对特定空间方位的Lamb波进行滤波,得到损伤的角度图像; 然后,利用多维线性压电传感器阵列各自针对损伤得到的角度图像进行融合,得到损伤的坐标图像,从而实现了在不依赖传播速度的情况下对损伤的成像定位。在碳纤维层合板上对该方法进行了实验验证。实验结果表明:基于多维线性压电传感器阵列和空间-波数域滤波算法的无波速成像定位方法可以对复合材料结构损伤进行不依赖信号传播速度的成像定位,定位误差在1 cm以内。
聚乙二醇聚合度对介孔η-Al2O3纤维形貌及吸附能力的影响
陈华军, 王锐, 丁梧秀, 李冬
2014, 31(3): 845-850.
摘要:
分别以2种不同聚合度的聚乙二醇(PEG)PEG600和PEG2000为模板导向剂,采用水热法合成η-Al2O3(PEG600)和η-Al2O3(PEG2000)介孔纤维,借助XRD、TEM和N2吸附测试对材料进行表征,研究了PEG聚合度对介孔η-Al2O3纤维性质的影响。通过静态吸附平衡实验考察了介孔η-Al2O3纤维对亚甲基蓝的吸附特性。结果表明:2种模板导向剂均可用于合成介孔η-Al2O3纤维。PEG聚合度对介孔结构、比表面积、孔体积和孔径有较大影响。η-Al2O3(PEG600)的比表面积和孔体积分别为189.899 m2·g-1和0.329 cm3·g-1,分别是η-Al2O3(PEG2000)的1.4倍和1.2倍,平均孔径也比η-Al2O3(PEG2000)的大。2种介孔η-Al2O3纤维对亚甲基蓝的吸附机制均为多分子层吸附。根据BET多层分子吸附方程计算得η-Al2O3(PEG600)和η-Al2O3(PEG2000)对亚甲基蓝的平衡吸附量分别为256.391 3 mg·g-1和204.045 9 mg·g-1
桐马环氧玻璃丝粉云母绝缘材料的耐盐雾湿热老化特性
付强, 孔繁荣, 陈庆国
2014, 31(3): 851-858.
摘要:
为了研究海洋能电机主绝缘材料耐盐雾湿热老化能力,对电机多胶模压(Resin-Rich Molding,RRM)桐马环氧玻璃丝粉云母(Tong-ma Epoxy Glass Fiber Power Mica,TEGM)绝缘材料进行模拟海洋气候的盐雾湿热老化试验,测试了不同老化周期下材料的吸水率变化,并结合扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)的观测结果分析了材料老化前后微观形貌的变化。利用宽频介电阻抗谱仪测试不同老化周期和不同测试温度下的TEGM绝缘材料的频域介电参数变化,并运用电介质极化理论分析老化前后的微观结构形态变化和宏观介电性能之间的关系。研究结果表明,TEGM绝缘试样老化过程中的吸水性呈现快速吸湿、缓慢吸湿和饱和吸湿3个阶段;随着老化时间的延长,材料相对介电常数和介质损耗因数呈上升趋势,利用频域介电谱(Frequency Domain Spectroscopy,FDS)曲线可较好反映绝缘材料的老化状态;通过对测试数据的拟合,得到老化绝缘材料的介电参数与材料吸水率在低频下存在的二次方程关系。