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树脂高分子复合材料
先进树脂基复合材料纤维褶皱缺陷阵列超声全聚焦成像
周正干, 朱甜甜, 马腾飞, 李洋
2022, 39(9): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220707.001
摘要:
先进树脂基复合材料因其密度低、强度高等特点,广泛应用于航空航天领域。纤维褶皱是先进树脂基复合材料制造过程中产生的一种缺陷,常规超声检测效率低,而阵列超声全聚焦成像检测技术则依赖准确的声传播延时。针对先进树脂基复合材料中的各向异性和多层折射界面而导致声波延时计算困难的问题,提出了一种使用Viterbi搜索算法的声线示踪方法,用于计算阵列超声全聚焦成像检测的时间延迟。对5.92 mm厚的多向碳纤维复合材料层压板进行阵列超声全聚焦成像检测实验,结果表明,使用声线示踪法计算延时,可以使采集的全矩阵信号被准确地相干叠加,有效检测出多向碳纤维复合材料层压板中的纤维褶皱缺陷。
石墨烯/碳纳米管共改性碳纤维复合材料的结构、力学、导电和雷击性能
郭妙才, 黑艳伟, 李斌太, 邢丽英
2022, 39(9): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220803.003
摘要:
发展结构-防雷击功能一体化复合材料是未来的发展方向之一。本文制备了一种石墨烯和碳纳米管共改性的复合材料并研究了其结构、力学性能、导电性能和雷击性能。结构研究表明导电纳米粒子主要分布于复合材料层间和邻近层间的层内区域,而内部分布较少。复合材料的0°弯曲强度和0°层间剪切强度分别为(1538±86) MPa和(107.0±1.0) MPa。制备了2 mm、3 mm、4 mm三种厚度的复合材料板,其面内电导率为100 S/cm左右,其厚度向电导率分别为0.128 S/cm、0.094 S/cm和0.088 S/cm。雷击试验表明,三种厚度试样的总损伤面积类似,深层损伤面积随厚度向电导率降低而减少,但损伤深度则随厚度向电导率降低而增加,损伤模式主要为树脂的烧蚀气化和纤维的断裂损伤,但没有明显的层间分层发生。2 mm厚雷击试样板损伤区域的最低弯曲强度达到了782 MPa,保持率为75%,弯曲模量保持率为59.2%。2 mm板和3 mm板雷击损伤中心150 mm×100 mm区域平均弯曲强度保持率分别达到了87.4%和87.2%,损伤深度分别只有约0.3 mm和0.4 mm。
不同种类纤维增强复合材料湿热老化性能对比研究
吴瑞, 李岩, 于涛
2022, 39(9): 1-14. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220916.002
摘要:
为研究碳纤维、玻璃纤维和植物纤维增强复合材料在湿热环境下的耐久性能差异,本研究制备了纤维体积分数为60vol%的单向碳纤维/环氧树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)、玻璃纤维/环氧树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)和亚麻纤维/环氧树脂复合材料(Flax fiber reinforced polymer,FFRP),在23℃、37.8℃和60℃下进行了吸水试验,并测试了三种复合材料在厚度方向的膨胀率、拉伸性能和层间剪切性能,同时利用时温等效原理对它们的长期吸水性能及力学性能进行了预测。结果表明,三种复合材料的吸水行为在老化前期均符合Fickian扩散定律,而后期有所偏离。从吸水性能来看,FFRP具有最高的扩散系数、饱和吸水率和膨胀率。从力学性能来看,CFRP的拉伸性能随老化时间的增加几乎不变,而层间剪切强度小幅下降,烘干后其拉伸性能及层间剪切性能与未老化时相同, CFRP在老化过程中未发生不可逆变化。GFRP老化后的拉伸强度和层间剪切强度下降幅度较大,而拉伸模量下降幅度较小,烘干后拉伸性能得到部分恢复,而层间剪切强度则基本未有任何恢复,GFRP在老化过程中发生了玻璃纤维水解及界面脱粘等不可逆变化。由于吸水后亚麻纤维的塑化,FFRP的拉伸强度略微提高,而拉伸模量和层间剪切强度则急剧下降后保持稳定,烘干后,其拉伸强度反而大幅下降,拉伸模量及层间剪切强度则大幅上升,这与水分的塑化作用、纤维及基体的膨胀和降解等变化有关。由三种复合材料的长期性能预测结果可知,CFRP的长期力学性能保持率较好,GFRP的长期力学性能保持率较差,FFRP在拉伸强度保持率方面具有优势,研究结果为湿热环境下工程结构的选材和设计提供了一定的理论依据。
综述
热电复合材料的研究进展
邱玉婷, 鲁翰宸, 金阳, 王思宁, 赵立东
2022, 39(9): 1-14. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220526.003
摘要:
热电材料利用固体内部载流子运动特性可实现热能和电能的相互转换,该过程无噪音、无污染,因而热电材料具有广泛而重要的应用前景。热电转换效率依赖于材料本身,不断改善现有热电材料的性能和开发新型高性能的热电材料体系是热电材料领域的重要研究方向。通过复合策略,第二相的种类、含量及微结构调控是设计高性能热电复合材料的关键,如引入第二相所实现的声子散射效应可降低材料的晶格热导率,通过载流子选择性散射的能量过滤效应可提升材料的Seebeck系数,高导电第二相连网引起的渗流效应可提高材料的电导率。本文先介绍复合材料中常见的物理效应,再以几个典型热电材料体系为例介绍复合化实现的微结构调控对电、声输运性能的影响机制。
连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的研究进展
肇研, 孙铭辰, 张思益, 王凯
2022, 39(9): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220809.008
摘要:
连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料具有力学性能优异、低吸湿、耐化学药品及成型周期短、可二次成型等特点,在航空、航天等高技术领域的应用日益广泛。本文重点介绍了连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料研究中的界面问题、预浸料制备技术和复合材料成型加工技术等方面的研究进展,期望为该类复合材料在国内的应用研究提供参考。
MXene纤维的制备、性能及应用研究进展
梁程, 程群峰
2022, 39(9): 1-17. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220725.003
摘要:
二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)是一种新颖的二维纳米材料,具有优异的电学、力学性能及丰富的表面官能团,在功能材料领域受到了广泛关注,常被作为基元材料构筑宏观复合材料,其中MXene纤维有望成为继石墨烯纤维后另一种结构-功能一体化纤维材料,在多功能织物、传感、能源、电磁屏蔽等领域显示出巨大的应用前景。但目前MXene复合纤维的力学和电学性能与MXene纳米材料本征性能差距较大,主要原因是组装MXene纳米片过程中产生的褶皱、无序结构、界面作用力弱等问题,往往导致MXene纤维内部的孔隙、缺陷存在及纤维外形不规则等。针对MXene纤维研究过程中存在的问题及未来研究方向,本文做了详细综述,首先介绍MXene纤维的制备方法,然后详细阐述MXene复合纤维的力学和电学性能,并讨论提升其性能的策略。同时通过一些实例,综述了MXene复合纤维的应用。最后总结了MXene纤维存在的关键科学问题和挑战,并对MXene纤维的未来发展和前景进行了展望及对未来MXene纤维的研究和应用提供一些帮助。
超构材料波动功能调控研究进展
李岩, 金亚斌
2022, 39(9): 1-15. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220712.001
摘要:
超构材料是人工构造的复合结构材料,通过设计基元的结构参数,可以实现丰富的波动调控功能,并可突破传统材料的波动响应极限,在航空航天、轨道交通等民用和国防各领域都具有极大的应用潜力。首先简要介绍了超构材料的基本概念、性质和发展历史,然后从超构材料的禁带减振及其智能设计、低频宽带降噪和能量采集三个方面详细介绍超构材料的基本功能,再从实际应用的多需求出发介绍了轻质-承载-减振降噪和能量采集-减振降噪等类型的多功能一体化超构材料设计原理和性能。最后,总结上述研究进展,并展望超构材料与复合材料、人工智能和非厄米时变系统等的交叉研究,进一步提升超构材料性能和应用能力。
先进复合材料在航空装备发展中的地位与作用
邢丽英, 李亚锋, 陈祥宝
2022, 39(9): 1-8. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220525.001
摘要:
“一代材料,一代装备”阐明了材料技术在装备发展中的重要性。航空装备的发展历程表明,一代新材料的出现支撑了一代新装备的研发,一代新装备的研制牵引一代新材料的应用。不同航空装备应用不同的结构材料,和三代机相比,四代战斗机用结构材料的最大差别是先进复合材料的大量应用。本文介绍了国内先进复合材料技术的发展历程和现状、复合材料技术发展面临的机遇和挑战及今后国内先进复合材料技术的发展重点。
有机无机转化法制备超高温陶瓷基复合材料技术研究
裴雨辰, 孙同臣, 刘伟, 韩伟健, 赵彤
2022, 39(9): 1-8. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220922.006
摘要:
超高温陶瓷基复合材料是以连续碳纤维为增强体、超高温陶瓷为基体的一类复合材料,具有密度低、韧性好、耐高温、抗氧化及耐烧蚀等优异性能,在新型高速飞行器热结构应用方面有着不可替代的作用。碳纤维增强体和陶瓷基体是超高温陶瓷基复合材料的两个重要组成部分,对复合材料使役性能起着决定性作用,但是,碳纤维与陶瓷基体的理化性质差异大,如何将碳纤维与陶瓷基体进行有效复合,以便充分发挥碳纤维轻质、高强韧特性与陶瓷基体抗氧化、耐烧蚀特性,是超高温陶瓷基复合材料基础研究和工程应用需要解决的主要问题。本文论述了有机无机转化法制备超高温陶瓷基复合材料技术的发展思路,介绍了超高温有机陶瓷前驱体的设计与合成、C/ZrC-SiC和C/HfTaC-ZrC-SiC复合材料的研究结果,探讨了解决新型高速飞行器高温气动/燃气环境氧化烧蚀问题的材料技术方案,为连续纤维增强超高温陶瓷基复合材料的技术发展和工程应用提供借鉴。
3D打印纤维增强复合材料工艺和力学性能研究进展
龙昱, 李岩, 付昆昆
2022, 39(9): 1-17. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220530.003
摘要:
3D打印可实现纤维增强复合材料复杂结构的一体化成型,无需模具,可显著降低先进复合材料的制造时间和成本。本文综述了3D打印纤维增强复合材料工艺和力学性能的最新研究进展,对纤维增强复合材料3D打印工艺、打印设备、打印材料和力学性能等方面开展了详细的分析和阐述,重点介绍了熔融沉积工艺成型连续纤维增强复合材料的最新研究进展,并与传统工艺制备的复合材料力学性能进行了对比和分析。最后,针对纤维增强复合材料3D打印技术的未来发展进行了展望。
聚合物梯度材料的构筑及性能研究
张丽, 周杭生, 黄金, 刘明杰
2022, 39(9): 1-15. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220629.001
摘要:
聚合物梯度材料是成分或结构在某一维或多维方向上连续或准连续变化的具有复合功能的聚合物基材料。其梯度结构赋予了材料独特的优势,如:可调控成分的空间分布、可避免界面应力和兼容多种性能等。聚合物梯度材料连续变化的性能可满足多种使用需求,在航空航天、生物医药、电子信息、机械工程等领域都有广泛的应用。本文根据梯度的变化维度将其分为一维、二维和三维聚合物梯度材料,分别介绍了三种材料的制备方法、性能优势及应用领域。一维聚合物梯度纤维的梯度折射率提高了光纤传输的速度和距离,有助于光通信领域的发展。二维聚合物梯度材料主要分为涂层和薄膜材料,可通过表面修饰和场梯度的方法制备梯度结构,得到的梯度表面可提供一种高通量的平台来研究和优化材料与生物之间的相互作用。三维聚合物梯度材料包括聚合物梯度交联网络材料、聚合物梯度填充复合材料和聚合物梯度结晶材料,梯度结构可提高其力学性能、改善应力集中,拓展了聚合物在机械工程和生物医用领域的应用。最后,对聚合物梯度材料的制备、表征及应用等方面存在的挑战做出展望。
民用飞机复合材料机身壁板装配协调形性调控技术研究
李东升, 杨应科, 翟雨农, 隋毅
2022, 39(9): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220812.002
摘要:
为了更好地满足飞机安全性、经济性、舒适性和环保性的需求,以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的轻质高强先进材料在新一代大型客机机体结构中得到了大量应用。复合材料机身壁板具有不同于传统金属材料机身壁板的装配工艺特点,因此,其对装配协调提出了新的要求。首先,概述了飞机复合材料机身壁板的制造工艺,分析了复合材料机身壁板装配协调技术现状与面临的问题。其次,探讨了适用于复合材料壁板的装配协调方法,并提出了一种面向复合材料机身壁板装配力形协同控制的全主动驱动柔性装配协调方法。最后,通过仿真和物理实验验证了该方法的有效性,实现了复合材料机身壁板力形协同优化控制。
超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料的研究现状与分析
叶卓然, 罗靓, 潘海燕, 顾轶卓
2022, 39(9): 1-24. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220803.002
摘要:
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与碳纤维和芳纶纤维并称当今三大高性能纤维,具备低密度、高抗冲击性能、高断裂强度和模量的特性,同时拥有优异化学稳定性。本文综述了UHMWPE纤维及其复合材料的研究现状和最新进展,包括UHMWPE纤维和其他几种高性能纤维的性能对比,UHMWPE纤维的典型生产工艺及其对纤维性能的影响,与UHMWPE纤维匹配的树脂基体种类,提高纤维表面粘结性能、耐热性能和抗蠕变性能的改性方法,纤维织造与复合工艺及UHMWPE纤维及其复合材料的应用;最后分析了UHMWPE纤维及其复合材料当前存在的主要问题,探讨了未来可能的发展方向。
功能复合材料
上浆剂对国产T800级碳纤维增强热固性复合材料界面性能的影响
王新庆, 柳肇博, 刘寒松, 肇研, 关志东
2022, 39(9): 1-13. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220104.001
摘要:
碳纤维具有力学性能优、密度低、耐腐蚀、耐高温等一系列优异性能,近年来被广泛应用于航空、航天等重要领域。相较于国外的高强中模碳纤维,国内虽有T800级碳纤维与之对应,但是国内对高性能碳纤维的研究工作起步晚,研究尚不充分。上浆剂作为碳纤维表面的重要组成部分,对碳纤维的表面性能有着重要的影响,进而影响复合材料的界面性能。本文采用SEM、TGA、XPS等表征手段,研究分析了上浆剂对国产T800级碳纤维的影响,对碳纤维的表面物化特性及其不同先进树脂基复合材料的微观界面性能进行研究,为国产高性能碳纤维的产品发展提供借鉴意义。
BNmf-Si3N4w/Si3N4复合材料的制备与性能
崔雪峰, 赵凯, 王玉生, 叶昉, 成来飞
2022, 39(9): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220630.005
摘要:
为制备一种介电性能和力学性能优异的高温透波材料,采用凝胶注模(GC)结合先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备了BNmf-Si3N4w/Si3N4复合材料。研究了浸渍裂解次数及BNmf含量对复合材料的力学性能与介电性能的影响。结果表明:(1) 随着PIP循环次数增加,复合材料的密度增大,气孔率降低,氮化硅基体逐渐形成三维网络结构包裹在复相微米增强体周围,复合材料力学性能提升。(2) 当BNmf含量从4vol%增加到12vol%时,弯曲强度从175.5 MPa降低到139.3 MPa,断裂韧性从2.36 MPa·m1/2增加到2.73 MPa·m1/2,介电常数从3.62下降到3.25,介电损耗角正切从0.012下降到0.007。(3) BNmf-Si3N4w/Si3N4复合材料的强韧化机制主要为裂纹分叉、裂纹偏转及BNmf及Si3N4w的拔出,三种机制有效降低主裂纹对复合材料的损害。
自动铺丝用预浸窄带的质量分析及其影响因素
李敏, 王奇丹, 顾轶卓, 王绍凯, 崔影, 李庆辉, 张佐光
2022, 39(9): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220908.001
摘要:
近年来随着自动铺丝技术的快速发展和应用,对预浸窄带的需求量增加,但国内研究人员对有关预浸窄带质量的评价体系和分析方法尚未形成统一共识。本文采用多种方法对预浸窄带的质量进行了全面分析。通过图像法及称重法分析发现,国产窄带的宽度均匀性、接头处纤维平齐度、边缘断丝情况等分切质量均控制较好。研究了间歇式热压工艺和连续式辊压工艺对窄带接头质量的影响,通过拉剪强度和剥离强度分析发现,压接工艺温度和时间是影响其力学的关键因素,对比而言辊压工艺制得的接头性能较热压工艺具有更好的稳定性。同时,接头性能也受测试环境影响,其中环境湿度的作用大于温度。随着室温储存时间延长,窄带接头的力学性能先上升后下降,通过差热分析和红外光谱分析发现,这与界面处树脂的化学反应和固化程度增长密切相关。最后,对接头反复过辊后的疲劳损伤分析表明,接头处的拉剪强度随过辊温度、张力及圈数增加而下降。
芳纶纳米纤维强化浸渍处理芳纶纤维及其橡胶复合材料的界面黏合性能
翟振强, 李英哲, 黄伟, 杜德松, 宁南英, 张立群, 王文才, 田明
2022, 39(9): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220530.005
摘要:
为进一步提高芳纶纤维/橡胶复合材料的界面黏合性能,在传统“二浴”法浸渍间苯二酚-甲醛-胶乳(RFL)的基础上,分别在预处理液、RFL浸胶液中加入芳纶纳米纤维(ANF),研究ANF的添加工艺和用量对芳纶纤维/橡胶复合材料界面黏合性能的影响。结果表明,在预处理液中仅添加0.05wt%ANF, H抽出力为209.0 N,剥离力为19.8 N/根,动态黏合疲劳寿命9829次,比未增强体系分别提高18.1%、14.4%和41.0%;在RFL浸胶液中添加0.15wt%ANF,H抽出力为206.5 N,剥离力为20.1 N/根,动态黏合疲劳寿命8095次,比未增强体系分别提高15.9%、16.1%和16.1%。在预处理体系中添加ANF可更有效地提高动态黏合性能,原因在于ANF与芳纶纤维、预处理液中的异氰酸酯之间产生良好的化学作用,有利于界面处模量过渡,提高应力传递效率。
碳/碳复合材料的激光烧蚀行为与机制
耿莉, 成溯, 付前刚, 李贺军
2022, 39(9): 1-7. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220825.002
摘要:
碳/碳(C/C)复合材料作为性能优良的耐烧蚀材料得到了广泛的应用,其作为抗激光烧蚀材料的潜力待被发掘。本文制备了不同密度的C/C复合材料,在无氧环境下以CO2激光器为光源,探究了高能激光与C/C复合材料之间的作用机制,系统地分析了材料的特性和激光参数不同对烧蚀表现的影响。采用三维轮廓仪对线烧蚀率进行表征。结果表明,随着烧蚀时间或激光功率的变化,C/C复合材料的烧蚀表现均为非线性变化。C/C复合材料的本征特性决定了其热量载荷。密度越高的C/C复合材料,其热量载荷越高,烧蚀性能越好。热量载荷与激光热流密度之间的关系则决定了材料的烧蚀表现,当激光的热流密度大于材料的热流载荷时,烧蚀速率会呈阶跃式攀升。
CoFe2O4@C复合纳米纤维膜作为自支撑锂离子电池负极
赵婷婷, 李小强, 张亚梅, 丁旭丽, 向军
2022, 39(9): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220530.001
摘要:
为了提高CoFe2O4作为锂离子电池负极材料的综合电化学性能,将其与高导电性的碳纤维进行复合。通过静电纺丝及低温碳化制备了均匀镶嵌CoFe2O4纳米颗粒的碳纳米纤维(CoFe2O4@CNFs)柔性复合膜,使用XRD、TG、Raman、SEM、TEM、CV、GCD和EIS等对复合物进行表征,着重研究了CoFe2O4含量对其储锂性能的影响。该复合膜直接用作自支撑锂离子电池负极时表现出较好的电化学性能。CoFe2O4的引入显著提高了碳纳米纤维膜的电化学性能,随着CoFe2O4含量的增加,CoFe2O4@CNFs电极的比容量先增加后减小,CoFe2O4含量约为33.3%(w/w)的CoFe2O4@CNFs-3电极具有最高的比容量和更好的循环及倍率性能。在0.1 A·g−1的电流密度下,充放电循环100圈后比容量为611.4 mA·h·g−1,相对第二圈的容量保持率为94%; 当电流密度增大到2 A·g−1时,其比容量仍有353.6 mA·h·g−1。CoFe2O4@CNFs-3更好的电化学性能主要归因于高电化学活性CoFe2O4和高导电纳米碳纤维的恰当结合及更好的协同效应。
复合材料细观力学
三维针刺复合材料参数化建模及力学性能仿真
陈国耀, 黄丰, 杨振宇, 卢子兴, 王浩然
2022, 39(9): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220725.002
摘要:
提出了一套三维针刺复合材料建模方法,并应用于针刺碳/酚醛复合材料的力学性能仿真分析。首先基于虚拟纤维技术,采用商用有限元软件ABAQUS,实现了叠层材料针刺工艺过程的数值模拟,获得了针刺区域附近的纤维丝在针刺过程中的变形规律,据此建立了受针刺影响区域内的纤维取向、损伤百分比与针刺工艺参数之间的关系;将这一关系引入到针刺复合材料代表性体积单元(RVE)模型中,较准确地体现真实材料中针刺区结构特征。利用此模型对材料的弹性性能、强度进行预测,结果与实验值吻合良好,验证了模型的有效性;在此基础上,进一步讨论了针刺密度、针刺深度等参数对复合材料力学性能的影响规律。本文的研究结果对针刺复合材料的力学分析与优化设计具有一定的指导意义。
单向纤维增强SiCf/SiC复合材料单轴拉伸损伤失效机制
刘波, 刘翠云, 马朝利
2022, 39(9): 1-15.
摘要:
本文对纤维增强陶瓷基复合材料在单向载荷下的损伤失效机制进行了研究。根据常规的剪滞模型,引入库仑定律描述界面剪应力,根据能量平衡方法和断裂力学脱粘准则,计算了基体的稳态开裂应力和界面的脱粘长度。分析了不同剪滞模型下基体稳态开裂应力的区别和适用范围,讨论了界面剪应力、界面摩擦系数、界面脱粘能、纤维体积分数等对基体稳态开裂应力的影响。采用剪滞模型描述纤维增强陶瓷基复合材料在损伤后的细观结构应力场,根据基体裂纹随机演化方法确定基体裂纹的间距,根据断裂力学脱粘准则描述界面的脱粘行为,将剪滞模型和损伤模型结合预测了单向纤维增强陶瓷基复合材料在单向载荷下的应力-应变曲线,讨论了各因素对应力-应变曲线的影响。
混杂纤维网络失效机制
杨伟超, 马勇, 张峰, 益小苏, 赵丽滨, 陈玉丽
2022, 39(9): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220719.002
摘要:
纤维网络材料是一类广泛存在且具有重要应用前景的多功能轻质材料。目前研究主要集中于单一纤维网络材料,但实际应用中大部分纤维网络都是由不同性质纤维构成的混杂纤维网络,其性能和功能的设计空间更大,但失效机制也更复杂。为了进一步提升纤维网络材料的力学性能,深入研究混杂纤维网络的失效过程及失效机制非常重要。为此,本文建立了综合考虑纤维和纤维间连接力学性能的混杂纤维网络模型,系统地研究了混杂纤维网络的失效过程,并讨论分析了纤维混杂比例、纤维间连接强度及纤维总体积分数等因素的影响。结果表明,对于典型混杂纤维网络而言,随着纤维组分的变化,网络的失效存在连接损伤主导、连接与纤维损伤共同主导及纤维损伤主导三类不同的失效模式。其中,由连接和纤维损伤共同主导的失效,损伤分散于整个网络,连接和纤维会表现出协同作用,因此网络具有更好的韧性和强度。由此可见,混杂纤维网络力学性能的设计空间远大于单一纤维网络,具有更广阔的应用前景。
铺层角度对CFRP多向层板Ⅱ型分层扩展行为的影响
张寒松, 龚愉, 林文娟, 张建宇, 赵丽滨
2022, 39(9): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220329.001
摘要:
碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)因其良好的力学性能被逐渐应用于飞机主承力结构中。分层是复合材料层板最常见的损伤形式之一,也是飞机复合材料结构损伤容限设计与分析所关注的焦点问题。对于II型分层,现有研究主要针对单向层板展开,而工程实际中应用较多的是多向层板,对II型分层的铺层角度影响缺乏深入认识。为此,采用试验和数值方法开展了相关研究。首先设计了3种工程实际中常用界面(0°/5°、45°/−45°和90°/90°)的T700/QY9511碳纤维/双马来酰亚胺树脂基复合材料层板,所设计铺层可降低耦合作用并确保II型主导的分层扩展。采用端部开口弯曲装置开展了II型分层试验并测得了断裂韧性。结果表明:铺层角度对断裂韧性和分层失效行为影响显著。采用控制变量法建立了内聚力关键参数模型,在此基础上实现了多向层板II型分层扩展行为的模拟,预测的载荷-位移曲线响应与试验结果吻合很好,说明了有限元模型的有效性。有限元结果表明,基体损伤做功表现出随铺层角度增加而增加的趋势。为揭示基体损伤做功与分层前缘损伤区大小之间的关系,利用用户自定义子程序,模拟了不同界面试样的分层前缘损伤区域。
用于航空复合材料的自动铺丝干纤维层间粘结性能
耿奕, 宁博, 陈吉平, 宋清华, 刘卫平, 袁宇慧, 杨洋
2022, 39(9): 1-18. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220824.003
摘要:
为了保证干纤维预成型体的层间良好贴覆,分别对一种成熟应用于航空级主承力构件的干纤维自动铺放材料和一种研发级材料进行层间粘结性研究。采用热压工艺模拟自动铺丝过程,通过T型剥离和多种表征方法测试干纤维层间粘结力、表面性能和定型剂扩展,比较两种干纤维的层间粘结力,并研究其层间粘结机制。研究发现:成熟干纤维的层间粘结力在一定范围内远大于研发干纤维,二者均显著受到层压温度、层压时间及协同作用的影响,但最显著的影响因素不同;干纤维层间粘结机制与干纤维表面性能、定型剂性能及受热扩展过程有关,推测成熟干纤维的较高层间粘结力与定型剂的交联有关;此外,通过自动铺放工艺的验证,在一定层压时间范围内,采用热压工艺代替自动铺丝进行干纤维层间粘结性的评价具有良好可靠性;最后,干纤维表面涂覆热塑性增韧材料后,层间粘结力大幅下降。通过对材料和工艺的研究,本文为干纤维自动铺丝工艺的优化提供了数据及理论支持。
超厚壁变曲率复合材料扩张段固化过程力-热耦合分析
梁群, 冯喜平, 张坤, 闫航, 李建, 侯晓
2022, 39(9): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220621.002
摘要:
复合材料扩张段是固体发动机喷管的关键部件,为抵抗高温、高压、烧蚀、高速燃气和力学载荷的综合作用,其结构为超厚壁变曲率的复杂混合复合材料结构。由于扩张段的低导热性、超厚壁特征和固化工艺的不合理,成型过程容易出现剧烈的过热峰。为减小固化变形,提高扩张段成型质量,必须抑制固化过热,提高固化均匀性。本文首先采用高压差示扫描量热仪表征2 MPa压力下高硅氧玻璃纤维/酚醛和碳纤维/酚醛预浸料的动力学。然后考虑成型过程多场耦合特点及成型模具和固化工艺的影响,构建固化过程耦合模型,分析扩张段固化过热和非均匀固化现象。最后,提出在剧烈固化前插入降温段的方法优化固化工艺,抑制固化过热。结果表明,优化工艺可以有效抑制扩张段过热现象,优化后最大过热峰由54.2℃下降为23.5℃,最大固化度差值由0.6下降为0.34,下降幅度分别为56.64%和43.33%。
金属基和陶瓷基复合材料
原位SiC纳米线增韧SiC陶瓷的抗热震性能
肖元, 李露, 郑瑞晓, 马朝利
2022, 39(9): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220804.003
摘要:
SiC陶瓷的本征脆性及其在高低温交变环境中抗热震能力的不足已成为制约其广泛应用的关键问题之一。本文以聚碳硅烷为前驱体、二茂铁为催化剂,通过前驱体转化法在制备低密度SiC陶瓷的同时在陶瓷中原位合成SiC纳米线,并采用前驱体浸渍裂解工艺将低密度陶瓷进一步致密化制备原位SiC纳米线增韧SiC陶瓷。实验结果表明,引入原位SiC纳米线后,SiC陶瓷的抗热震性能显著提升,经历30次“室温↔1500℃”的热震循环氧化后其氧化增重率仅为2.53%,相较于纳米线改性前的SiC陶瓷氧化增重率下降了59%。相应的微结构分析表明,合成的SiC纳米线为β-SiC晶型,其中包含部分堆垛层错。纳米线沿<111>方向择优生长,其生长遵循典型的“气-液-固”生长机制。SiC纳米线主要通过纳米线桥连和拔出增韧机制缓解陶瓷制备及高低温交变过程中产生的应力集中,减少裂纹数量和尺寸,进而提升陶瓷断裂韧性和抗热震性能。引入SiC纳米线后,SiC陶瓷内部平均裂纹长度由27.7 μm下降至18.2 μm,断裂韧性由3.76 MPa·m1/2增加至7.83 MPa·m1/2