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2015年  第32卷  第2期

碳纤维增强树脂基复合材料制孔技术研究现状与展望
陈燕, 葛恩德, 傅玉灿, 苏宏华, 徐九华
2015, 32(2): 301-316. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150211.002
摘要:
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有优越的物理和力学性能, 已在航空制造工业中得到大量应用。在主承力结构中, CFRP与金属材料的连接通常为机械连接。然而, CFRP的各向异性严重影响了其制孔质量。由于CFRP和金属具有截然不同的材料属性, CFRP/金属叠层结构制孔技术成为飞机装配过程中的一大难题。本文首先阐述了CFRP及其叠层结构在切削过程中的切屑形成机制、 钻削力和钻削热的研究现状; 其次, 剖析了钻削过程中典型加工损伤, 如毛刺与撕裂、 分层缺陷及孔壁表面损伤的产生原因和影响因素; 然后, 介绍了CFRP制孔刀具材料和几何结构的优化设计研究进展, 并综述了螺旋铣孔、 变工艺参数钻削、 "以磨代钻"和振动辅助制孔等多种CFRP及其叠层结构加工新技术及钻削过程的仿真研究。最后, 借鉴钎焊工具和超声振动技术的独特优势, 提出了磨粒有序排布钎焊金刚石工具的超声振动加工构想, 以达到CFRP及其叠层结构的精密高效制孔加工这一目的。
复合材料在新一代大型民用飞机中的应用
马立敏, 张嘉振, 岳广全, 刘建光, 薛佳
2015, 32(2): 317-322. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150122.001
摘要:
新一代大型民用飞机机体结构的突出特点是广泛采用复合材料。总结了复合材料在大型民用飞机中的发展, 其用量已经从1980年整机质量的4%上升到目前的50%, 并广泛应用于主承力结构和复杂曲面结构。以波音787和空客A350飞机为例, 分析了波音和空客公司复合材料的应用情况, 发现复合材料不仅减轻了飞机的结构质量, 提高了飞机结构的使用寿命, 降低了飞机的维护费用, 而且可以增加舱内压力和空气湿度, 提高民用飞机的经济性、 舒适性、 环保性。复合材料取代金属和非金属等常规材料制造结构件已经成为世界民机制造业的主流趋势, 这对中国自主研制的大型民用飞机的市场竞争力提出了严峻的考验, 为此提出了中国在研制大型民用飞机时应用复合材料应注意的一些问题。
高超声速飞行器复合材料翼面结构1100℃高温环境下的热模态试验
吴大方, 王岳武, 蒲颖, 商兰, 赵寿根, 高镇同
2015, 32(2): 323-331. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150105.003
摘要:
为了在热模态试验中获得难于测量的超过1 000℃的高温环境下复合材料翼面结构的振动特性参数, 将高温瞬态热试验系统与振动试验系统相结合, 建立了可对高超声速飞行器耐高温复合材料翼面结构进行1 100 ℃高温环境下热模态研究的热/振联合试验系统。通过自行研制的耐高温陶瓷导杆引伸装置将复合材料翼面结构上的振动信号传递至非高温区域, 使用常温加速度传感器对高温环境下高超声速飞行器翼面结构上的振动信号进行数据识别;并运用时-频联合分析技术对试验数据进行分析处理, 实现了在1 100 ℃热/振复合环境下对复合材料翼面结构的模态频率、 模态振型等关键振动特性参数的试验测试。研究结果为高超声速飞行器复合材料翼面结构在高温环境下的动特性分析及安全可靠性设计提供了重要依据。
碳纳米管加入方式对碳纤维/环氧树脂复合材料层间性能的影响
范雨娇, 顾轶卓, 邓火英, 蒋文革, 李敏, 张佐光
2015, 32(2): 332-340. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140722.001
摘要:
针对碳纤维/环氧树脂预浸料, 对比了直接在树脂中加入碳纳米管(CNTs)后制备预浸料以及将CNTs喷涂在预浸料表面2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料层合板I型与II型层间断裂韧性及层间剪切强度的影响。通过对树脂黏度、 固化反应以及玻璃化转变温度的考察, 分析了CNTs含量对树脂性能的影响, 考察了添加方法对CNTs长度与形态的影响。分析了2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板断裂韧性及层间剪切强度的改善效果与作用规律。结果表明: CNTs的加入使树脂的黏度提高, 固化反应程度下降;2种分散方法对CNTs的长度与形态无明显影响;直接在树脂中加入CNTs对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料I型与II型层间断裂韧性的提高效果低于在碳纤维/环氧树脂预浸料表面喷涂CNTs的方式, 后者的CNTs利用率较高;由于CNTs团聚及对树脂固化反应的影响, CNTs含量过高会使得其对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板的增韧效果下降。
化学沉淀法制备S-FeS/介孔碳复合材料及其电化学性能
施再发, 杨少彬, 刘景东, 张少铜, 张诗群, 吴丽坤
2015, 32(2): 341-346. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140617.002
摘要:
为提高锂硫电池的循环性能, 采用化学沉淀法制备了负载有FeS的介孔碳(MC)复合材料FeS/MC, 通过热复合获得了负载S的MC复合材料S/MC和负载S、FeS的MC复合材料S-FeS/MC。FeS/MC的SEM照片表明, FeS可充填MC表面的孔洞。N2吸脱附等温线表明, 负载FeS后, MC的比表面积大幅下降, 但平均孔径增大。XRD谱图表明, 当负载FeS的含量达到20wt%时, 出现了Fe3S4晶相。电化学性能测试结果表明:负载于MC中的FeS本身没有电化学活性, 但它对多硫离子的氧化还原过程有催化作用, 提高了电极的可逆性; S-FeS/MC的二次放电比容量保持率高于S/MC的比容量保持率, 表现出较轻的"飞梭效应"; S-FeS/MC的二次放电比容量为1 108.8 mA·h/g, 50次循环容量保持率为43.7%, 高于S/MC的容量保持率, 表现出较好的循环性能。
木粉含量对木粉-淀粉/聚乳酸复合材料性能的影响
吕闪闪, 曹军, 谭海彦, 顾继友, 张彦华
2015, 32(2): 347-354. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140509.001
摘要:
以杨木粉、 玉米淀粉和聚乳酸(PLA)为原料, 甘油为相容剂, 利用熔融挤出法制备了木粉-淀粉/PLA复合材料。研究了木粉含量对复合材料界面相容性、 热性能、 力学性能、 流变性能以及吸水率的影响。结果表明: 随着木粉含量的增加, PLA与木粉之间的界面相容性下降, 木粉-淀粉/PLA复合材料的热稳定性下降, 储能模量、 损耗模量和复数黏度逐渐增加;随着木粉含量的增加, 木粉-淀粉/PLA复合材料的拉伸强度和弯曲强度呈现先增大后减小的趋势, 当木粉含量为18wt%时, 复合材料的拉伸强度和弯曲强度均达到最大值, 最大值分别为40.65 MPa和60.91 MPa;随木粉含量的增加, 复合材料的断裂伸长率由9.64%减小到5.97%, 而吸水率由5.38%增大到13.43%。
基于模具预先补偿法的大幅面CFRP制件形状精度控制方法
毕凤阳, 杨波, 金天国, 刘文剑
2015, 32(2): 355-364. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140605.002
摘要:
针对控制大幅面CFRP制件成型后的形状精度这一关键技术问题, 在剪切层法预测变形的基础上提出了一种改进的剪切层变形模拟方法。改进的方法只需少量制件实验数据, 通过计算应变曲线曲率确定剪切层厚度, 进而较准确地预测了CFRP制件的翘曲变形。基于变形模拟方法建立了一种大幅面CFRP制件形状精度控制方法, 这一方法通过将模拟获得的变形不断补偿于初始模具型面来降低最终制件的变形。通过与实验数据的对比, 证明了采用控制方法可以有效提高成型制件的精度, 降低变形。
纳米氧化锑锡增强聚碳酸酯的阻红外隔热性能
张成, 张群朝, 蒋涛
2015, 32(2): 365-369. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140624.001
摘要:
为在提高聚碳酸酯(PC)隔热性能的同时保持较高的透明度, 以纳米氧化锑锡(ATO)为红外阻隔剂, 采用溶胶-凝胶法制备了一系列硅烷偶联剂KH-570改性纳米ATO/PC复合材料。通过激光粒度分布仪和SEM研究了纳米ATO的粒径分布及其在PC基体中的分散情况, 采用拉力试验机、 分光光度计以及隔热效果模拟装置测定了复合材料的力学性能、 透射性能和隔热效果。结果表明: 硅烷改性纳米ATO在PC基体中分散均匀;复合材料的拉伸强度和冲击强度分别保持在60.0 MPa和16.0 kJ·m-2以上;随着纳米ATO质量分数的增加, 纳米ATO/PC复合材料的阻红外隔热性能改善;当纳米ATO含量为0.5wt%时, 纳米ATO/PC复合材料的可见光透过率高于80%, 隔热效果模拟装置内外温差达3.9 ℃。
进给速度对不同纤维方向CFRP铣削表面形貌的影响
周井文, 陈燕, 傅玉灿, 徐九华, 胡安东, 刘思齐
2015, 32(2): 370-377. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140603.002
摘要:
采用金刚石涂层硬质合金铣刀对0°、 45°、 90°、 135° 4种纤维方向的碳纤维增强复合材料(CFRP)进行了顺铣加工试验。通过对铣削力和加工表面形貌的对比, 分析了纤维方向和每转进给量对加工表面质量的影响。结果表明: 主切削力随着每转进给量的增大而增大, 0°方向纤维受到的主切削力最大, 90°方向纤维受到的主切削力最小;0°方向纤维表面破碎树脂与纤维的残留随着每转进给量的增大而增多, 135°方向纤维表面树脂粘附逐渐减小;90°方向纤维表面会有大小不同的微坑, 同时在样件上、 下表面易产生分层缺陷, 45°方向纤维表面多呈现沟槽或波浪形形貌。
利用静电纺丝技术制备纳米黏土/聚乳酸复合纳米纤维与其表征
王春红, 贺文婷, 王瑞
2015, 32(2): 378-384. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140505.001
摘要:
利用静电纺丝技术制备了纳米黏土/聚乳酸(PLA)复合纳米纤维, 并将该复合纳米纤维收集成无纺布薄膜, 采用SEM和TEM观察了复合纳米纤维的微观形貌和结构, 分别利用XRD和TGA测试了复合纳米纤维的结晶行为及热学行为, 并分析了复合纳米纤维薄膜的拉伸力学性能随纳米黏土含量的变化关系。结果表明: 当PLA含量为10wt%、 纳米黏土含量为1wt%、 CHCl3与DMF体积比为3:1溶剂条件下, 所制备的纳米黏土/PLA复合纳米纤维的细度和均匀性均得到改善;XRD测试结果表明, 纳米黏土成功附着在PLA中。TGA和力学测试结果表明, 纳米黏土/PLA复合纳米纤维的热稳定性和力学性能相对于纯PLA纤维有较大幅度提高, 当纳米黏土含量为1wt%时, 其初始分解温度提高了60 ℃, 拉伸强度、 断裂伸长率和弹性模量分别提高了111.3%、 74.9%和20.0%。
木质纤维素/纳米蒙脱土复合材料对废水中Cu(II)的吸附及解吸
张晓涛, 王喜明
2015, 32(2): 385-394. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141021.006
摘要:
采用木质纤维素(LNC)与纳米蒙脱土(nano-MMT)插层复合制备出的LNC/nano-MMT复合材料作为吸附剂, 进行了模拟含铜废水中Cu (II)的吸附和解吸实验。通过静态吸附实验, 研究了含Cu (II)溶液的初始浓度、 pH值、 吸附温度和吸附时间对溶液中Cu (II)吸附效果的影响。结果表明: 最佳的吸附条件是Cu (II) 溶液初始浓度0.03 mol·L-1, pH值4.9, 吸附温度50 ℃, 吸附时间60 min 时, 吸附容量达到最大值322.56 mg·g-1。准二级动力学模型能很好地描述其吸附过程, 吸附等温线符合Langmuir模型。使用HNO3对LNC/nano-MMT复合材料进行解吸再生实验。结果表明: 以0.1 mol·L-1 的HNO3作为解吸剂, 解吸温度 40 ℃, 超声波解吸时间30 min时最大解吸量可达到 283.15 mg·g-1。结合XRD、 SEM和FTIR分析LNC/nano-MMT复合材料的吸附机制。吸附/解吸循环实验研究表明:LNC/nano-MMT复合材料重复使用4次时吸附量仍较高, 是一种优良的可循环利用的高效吸附剂。
三维编织玄武岩/环氧树脂复合材料在温度场下的高应变率压缩试验
潘忠祥, 孙宝忠
2015, 32(2): 395-402. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140627.002
摘要:
研究了三维编织玄武岩长丝纤维束增强环氧树脂复合材料在23、 60、 90、 120、 150、 210 ℃温度场下和不同应变率范围(1 300~1 600、 1 600~2 000、 2 000~2 300 s-1)内的面外/面内冲击压缩响应特征。结果表明: 试验温度高于或低于树脂玻璃化温度决定面外/面内冲击压缩的应力-应变曲线走势特征, 即使试验条件(温度和气压)一致, 面外冲击压缩与面内冲击压缩应力-应变曲线也存在较大差异。温度和应变率对压缩模量、 峰值应力、 破坏应变、 比能量吸收均有不同程度影响。面外和面内压缩的破坏模式存在较大差异, 受温度效应和应变率效应影响。
反应挤出纳米类水滑石/尼龙6复合材料的结构与性能
李宏林, 杨桂生, 吴玉程
2015, 32(2): 403-408. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140521.002
摘要:
采用自制的双甲氧基苯甲酸根离子柱撑镁铝类水滑石(MgAl-HTlcs)和己内酰胺(CL)为主要原料, 利用反应挤出工艺制备了纳米MgAl-HTlcs/尼龙 6复合材料, 研究了MgAl-HTlcs含量对复合材料结构与性能的影响。TEM照片显示: MgAl-HTlcs在复合材料中呈纳米级均匀分散, 当MgAl-HTlcs含量为1.0wt%(占MgAl-HTlcs与CL总质量的质量分数)时出现了部分片层剥离的类水滑石。紫外光谱结果表明: 与纯尼龙6相比, 少量均匀分散的MgAl-HTlcs使复合材料对近紫外波长为320~380 nm的紫外线吸收效果明显。XRD和DSC结果表明: 少量均匀分散的MgAl-HTlcs对尼龙 6起到了很好的异相成核剂的作用, 不仅提高了其结晶温度, 也增加了其结晶度。热重分析显示: 部分片层剥离MgAl-HTlcs的存在明显提高了复合材料的热稳定性。
超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性及其橡胶基复合材料的力学性能
李春阳, 李微微, 李瑞培, 徐文静, 陈忠仁
2015, 32(2): 409-419. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140611.003
摘要:
针对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与基体之间界面结合强度低的问题, 采用超声波结合铬酸溶液氧化的复合工艺对UHMWPE纤维进行表面处理, 并将处理后的纤维加入到天然橡胶(NR)中制备短切UHMWPE纤维/NR复合材料。结果表明: 复合改性工艺可有效增加纤维表面粗糙度及表面含氧官能团含量, 最佳改性工艺条件为: 按照重铬酸钾、 水及浓硫酸的质量比7:12:150配置铬酸溶液, 将含有一定质量UHMWPE纤维的铬酸溶液放入35 ℃的超声波清洗仪中氧化5 min, 其中超声波频率为100 kHz。与纯NR样品相比, 在UHMWPE纤维与NR的质量比为0~6:100范围内, 随着处理后短纤维含量的增加, 复合材料的拉伸强度逐渐减小, 最大损失量达到50%;复合材料的硬度不断增大, 最大增加量达到96%;复合材料的撕裂强度先增大后减小, 在UHMWPE纤维与NR的质量比为5:100时达到最大值, 最大增加量达到49%。
磺化聚醚砜上浆剂对碳纤维/聚醚砜复合材料界面性能的影响
刘杰, 周秀燕, 梁节英
2015, 32(2): 420-426. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140617.001
摘要:
为了提高碳纤维(CFs)增强热塑性树脂聚醚砜(PES)复合材料的界面结合力, 对PES进行磺化改性, 得到磺酸基聚醚砜(SPES)制备的CFs上浆剂, 研究了SPES上浆剂对CFs/PES复合材料界面性能的影响和上浆剂质量分数对CFs/PES复合材料的作用效果。结果表明: 经过SPES上浆的纤维毛丝量降低、 耐磨性提高。同时FTIR和XPS分析表明: SPES中的—SO3H基团与CFs表面微量的活性官能团发生了化学反应, 提高了增强体CFs与基体树脂PES间的黏连。当上浆剂含量为1wt%时, CFs/PES复合材料的层间剪切强度(ILSS)提高最显著, 比未上浆改性的CFs/PES复合材料的提高了24%。SEM照片证实在此浓度下CFs与PES结合更加紧密。动态力学热分析(DMTA)结果亦证明1wt%的SPES上浆剂提高了CFs/PES复合材料的玻璃化转变温度。
纳米铜修饰多壁碳纳米管/石蜡相变驱动复合材料的制备及热性能
徐斌, 楼白杨, 曹小海, 李晓
2015, 32(2): 427-434. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140723.001
摘要:
以油胺为分散稳定剂, 在石蜡中热分解甲酸铜-碳纳米管复合物前驱体, 单步制备了纳米铜修饰多壁碳纳米管(Cu-MWCNTs)/石蜡复合材料。通过XRD、 TEM和DSC对Cu-MWCNTs/石蜡复合材料的物相、 微观形貌及相变行为进行了表征和分析, 并对其热敏性、 热膨胀性和热稳定性及影响因素进行了分析研究。结果表明: 纳米Cu原位沉积在MWCNTs外壁上, 粒径为2~35 nm。与纯石蜡相比, Cu-MWCNTs/石蜡复合材料的相变温度和相变潜热均明显降低。Cu-MWCNTs含量为0.2wt%的Cu-MWCNTs/石蜡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。
玻璃纤维-碳纤维混杂增强PCBT复合材料层合板的制备及低速冲击性能
杨斌, 章继峰, 周利民
2015, 32(2): 435-443. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201502.004
摘要:
采用环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)预浸料, 利用真空袋辅助热压工艺制备了玻璃纤维机织布-碳纤维机织布/聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(GF-CF/PCBT)混杂复合材料层合板。利用双悬臂梁(DCB)和三点端部开口弯曲(3ENF)试验对连续纤维增强PCBT复合材料层合板的层间强度做出评估。同时, 利用低速冲击试验结合Abaqus/Explicit有限元仿真重点考察了混杂纤维增强PCBT复合材料层合板的低速冲击性能。试验结果表明: 尽管CF/PCBT复合材料层合板具有优异的层间性能, 当冲击能量为114.3 J时, 由于CF自身的脆性, CF/PCBT复合材料层合板被完全穿透, 而GF-CF/PCBT混杂复合材料层合板只在表面形成凹痕。与纯CF增强PCBT复合材料层合板相比, 铺层形式为[CF/GF/CF]25的GF-CF/PCBT混杂复合材料层合板的抗冲击损伤能力提高2倍。仿真得到的云图显示, 冲击引起的应力在CF中的分布区域要明显大于在GF中的分布区域。
苎麻织物表面改性对其增强热固性聚乳酸复合材料力学及阻燃性能的影响
王春红, 任子龙, 李姗, 王瑞
2015, 32(2): 444-450. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201502.003
摘要:
采用碱处理、 硅烷偶联剂处理、 碱+硅烷偶联剂复合处理、 碱+阻燃剂+硅烷偶联剂复合处理对苎麻织物进行表面改性, 采用模压工艺制备了苎麻织物增强热固性聚乳酸(PLA)复合材料。研究了4种表面改性方法对苎麻织物/PLA复合材料弯曲性能的影响, 采用SEM研究了苎麻纤维与PLA基体之间的界面结合状况。结果表明: 经过4种表面改性处理后苎麻织物/PLA复合材料的弯曲性能均有所提高, 其中碱+硅烷偶联剂复合处理后提高幅度最大, 苎麻织物/PLA复合材料的弯曲强度、 模量分别提高了59.5%、 51.9%。碱+阻燃剂+硅烷偶联剂复合处理后苎麻织物/PLA复合材料的弯曲强度、 模量较未处理时分别提高了38.0%、 66.8%; 且苎麻织物/PLA复合材料60 s点火时间的损毁长度为8.25 cm, 达到了美国DOT/FAA/AR-00/12要求的标准。SEM结果表明: 改性处理后苎麻织物/PLA复合材料中纤维与树脂之间的界面结合更好。
Al2O3颗粒镀铜对铜基粉末冶金摩擦材料Al2O3-Fe-Sn-C/Cu摩擦磨损性能的影响
赵翔, 郝俊杰, 于潇, 彭坤
2015, 32(2): 451-457. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201502.001
摘要:
通过对陶瓷摩擦组元的表面进行化学镀铜来改善铜基粉末冶金摩擦材料中陶瓷相与基体间的结合效果, 从而提高材料摩擦磨损性能。分别采用镀铜Al2O3颗粒和未镀铜Al2O3颗粒与铜粉和铁粉等经混合、 压制、 加压烧结制备Al2O3-Fe-Sn-C/Cu摩擦磨损试样。测试并分析了摩擦材料的微观结构、 力学性能及摩擦磨损性能。结果表明: 摩擦组元镀铜可使硬质颗粒与铜基体结合紧密;摩擦材料的布氏硬度增加了12%, 弹性模量提高了约7%, 摩擦系数提高了5%~10%, 线磨损量降低了20%~50%;表面镀铜后的Al2O3颗粒不易脱落, 摩擦系数稳定性提高了13%~23%。研究结果表明, 摩擦组元表面镀铜可提高材料的综合性能。
Si3N4原位增强Cu基复合材料的制备
徐玉松, 李鹏, 靳翠平
2015, 32(2): 458-464. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140418.001
摘要:
采用感应炉熔炼及水雾化工艺制得了Cu-Si合金粉末, 经N2、 H2混合气体选择氮化和真空放电等离子烧结(SPS)成型, 制备得到了Si3N4原位增强Cu基复合材料(Si3N4/Cu), 利用萃取法研究了选择性氮化产物及其晶体结构。结果表明: 复合粉末中N含量随氮化温度的升高和氮化时间的延长而增大。在1 000 ℃下氮化, 持续时间大于60 h时, 粉末中的N含量明显提高;Cu的衍射峰出现整体向大角度方向的明显偏移, 同时晶格常数变小, 表明Si从Cu基体中脱溶, 与N反应生成Si3N4; Si3N4/Cu复合材料的增强体以β-Si3N4为主;随着氮化温度的升高和氮化时间的延长, Si3N4/Cu复合材料的电导率和硬度逐步提高。
复配偶联剂对SiO2/聚四氟乙烯复合材料性能的影响
游媛媛, 袁颖
2015, 32(2): 465-470. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140509.002
摘要:
制备了不同组分配比的氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)-苯基三甲氧基硅烷(Z6124)复配偶联剂(KH550-Z6124)改性SiO2/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料, 系统地研究了KH550-Z6124组分配比对复合材料介电性能、 吸水率和导热性能的影响。采用Lichtenecker模型计算了SiO2/PTFE复合材料的介电常数和介电损耗理论值, 并与实验值进行对比。结果表明: 当KH550、 Z6124的含量(以SiO2的质量为基准)分别为0.3wt%和1.7wt%时, KH550-Z6124改性SiO2/PTFE复合材料的介电损耗由Z6124改性SiO2/PTFE复合材料的1.7×10-3降低至1.0×10-3, 吸水率由0.082 6wt%降低至0.020 3wt%, 导热率提高66%; SEM形貌分析发现KH550-Z6124改性SiO2颗粒在PTFE基体中均匀分散, 界面连接更紧密;KH550-Z6124改性SiO2/PTFE复合材料的介电常数和介电损耗实验值更接近其理论值。
不同物相电沉积CNTs对C/SiC复合材料力学性能的影响
梅辉, 王扈炜, 丁辉, 张楠, 王月瑭, 白强来
2015, 32(2): 471-476. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140616.002
摘要:
采用电沉积法与化学气相渗透(CVI)法将碳纳米管(CNTs)分别引入到碳纤维表面和SiC基体中, 制得了不同物相电沉积CNTs的C/SiC复合材料(CNTs-C)/SiC和C/(CNTs-SiC)。研究了CNTs沉积物相对C/SiC复合材料力学性能的影响, 分析了不同CNTs沉积物相的C/SiC复合材料的拉伸强度及断裂机制。结果表明: 相较于未加CNTs的C/SiC复合材料, CNTs沉积到碳纤维表面的(CNTs-C)/SiC复合材料的拉伸强度提高了67.3%, 断裂功提高了107.2%; 而将CNTs引入到SiC基体中的C/(CNTs-SiC)复合材料的断裂功有所降低, 拉伸强度也仅提高了6.9%, CNTs没有表现出明显的增强增韧效果; C/(CNTs-SiC)复合材料与传统的C/SiC复合材料有相似的断裂形貌特征, 断裂拔出机制类似, 主要为纤维增强增韧, CNTs的作用不明显。
SiBNCf/SiBNC陶瓷复合材料抗氧化性能
柯盛包, 刘勇, 张晨宇, 王会峰, 韩克清, 滕翠青, 余木火
2015, 32(2): 477-483. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140704.001
摘要:
以聚硼硅氮烷(PBSZ)为前驱体, SiBNC纤维(SiBNCf)为增强纤维, 采用前驱体聚合物裂解转化与热压烧结技术相结合的方法制备了SiBNCf /SiBNC陶瓷复合材料。在800~1 500 ℃空气气氛下非等温氧化1~3 h, 研究了SiBNCf/SiBNC的氧化演变机制及氧化动力学行为。采用SEM、 XRD研究了SiBNCf/SiBNC陶瓷复合材料氧化实验前后的微观形貌、 物相, 采用阿基米德体积排水法和三点弯曲测试法分析了复合材料的密度、 孔隙率及力学性能。结果表明: SiBNCf/SiBNC陶瓷复合材料具有优异的抗氧化性能和高温稳定性, 生成的氧化膜能有效阻隔氧气的进入, 并且有效填补了SiBNCf/SiBNC复合材料的裂纹及孔洞缺陷, 具有高温自愈合行为。SiBNCf/SiBNC复合材料氧化后密度提高, 这能大幅度提高其三点弯曲强度, 当密度从1.67 g/cm3提高到1.86 g/cm3时, 气孔率下降41%, 弯曲强度从7.51 MPa提高到26.54 MPa。
先驱体浸渍-裂解法制备SiBN纤维增强SiBN陶瓷基复合材料
余娟丽, 李森, 吕毅, 张天翔, 赵英民
2015, 32(2): 484-490. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140704.002
摘要:
连续纤维增强氮化物陶瓷基复合材料是耐高温透波材料的主要发展方向,纤维是目前制约耐高温透波复合材料发展的关键,而SiBN陶瓷纤维是一种兼具耐高温、透波、承载的新型陶瓷纤维。以聚硅氮烷为陶瓷先驱体,以SiBN连续陶瓷纤维为增强体,采用先驱体浸渍-裂解法制备了SiBN陶瓷纤维增强SiBN陶瓷基复合材料,研究了复合材料的热膨胀特性、力学性能、断裂模式以及微观结构。结果表明:SiBN陶瓷纤维增强SiBN陶瓷基复合材料呈现明显的脆性断裂特征,复合材料的弯曲强度和拉伸强度分别为88.52 MPa和6.6 MPa,纤维的力学性能仍有待于提高。
长桁-翼肋连接对复合材料单加筋板压缩性能的影响
周睿, 关志东, 黎增山, 卓越, 张洪峰, 薛斌
2015, 32(2): 491-500. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140616.004
摘要:
采用试验和有限元方法研究了复合材料含翼肋单加筋板试验件的压缩性能, 试验件包括带有长桁-翼肋连接和不含长桁-翼肋连接2种类型。试验和数值计算研究结果表明: 与不含长桁-翼肋连接的试验件相比, 带有长桁-翼肋连接的试验件具有较高的刚度和较高的临界屈曲失稳载荷, 在后屈曲承载过程中具有较小的形变和较小的最终破坏载荷。试验件的最终破坏模式总是长桁与蒙皮间的界面脱粘, 这表明长桁-翼肋连接对加筋板试验件的最终破坏模式无影响。在复合材料翼面结构设计中, 需要综合考虑长桁-翼肋连接对加筋板初始临界失稳载荷、 后屈曲变形和结构承载能力等方面的影响。
全复合材料桁架扭转刚度分析
熊波, 罗锡林, 谭惠丰
2015, 32(2): 501-507. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140627.003
摘要:
为了解决全复合材料桁架扭转刚度缺少实验外有效表征手段的问题, 首先, 基于均匀化思想, 依据单胞剪切刚度相等原则, 将全复合材料桁架等效为闭口薄壁梁, 推导其等效扭转刚度;然后提出位移转换法并测量桁架转角, 对全复合材料桁架扭转刚度进行了实验研究;最后, 在梁单元桁架模型中嵌入精细化接头模型, 对全复合材料桁架扭转刚度进行了仿真分析。结果表明: 等效及仿真结果与实验值基本吻合, 等效分析方法能够有效预测全复合材料桁架的扭转刚度, 桁架仿真模型具有一定的工程实用性;实验方案可靠, 所提出的位移转换法能够解决小转角测量相对误差较大的问题。
含初始裂纹的平流层飞艇用蒙皮薄膜撕裂行为
刘龙斌, 吕明云, 肖厚地
2015, 32(2): 508-514. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140603.001
摘要:
为了研究含初始裂纹蒙皮薄膜的抗撕裂行为, 选用Kevlar纤维增强的具有预制初始裂纹切口(PIC)的平流层飞艇用蒙皮薄膜, 采用弹塑性断裂力学平面应力分析方法, 考虑经纬向纱束之间的滑移摩擦效应, 分析了薄膜裂纹尖端的撕裂强度与变形形式, 建立了裂纹尖端撕裂物理模型和基于摩擦效应修正的等差法拉伸变形计算模型, 获得了裂纹尖端应力集中区的应力分布。为验证计算模型的合理性, 分别对PIC长度为10、 20、 30及40 mm的试样进行了撕裂强度试验。结果表明: 当PIC宽度比率不超过0.50时, 模型计算值与试验值的误差小于4.12%;与改进的应力强度因子法相比, 所建计算模型具有更高的计算精度, 为平流层飞艇蒙皮撕裂强度的设计提供了一种有效的方法。
三维六向编织复合材料单剪搭接连接结构在拉伸载荷下的力学性能
唐玉玲, 周振功, 泮世东, 田爽
2015, 32(2): 515-525. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140627.005
摘要:
通过试验测试与数值模拟相结合的方法对三维六向编织复合材料的螺栓连接性能进行了研究。首先, 通过拉伸试验对不同侧向约束螺接方式连接件的连接强度进行了测试。测试结果表明: 单搭连接结构的二次弯曲现象明显, 连接强度与侧向约束有一定的关系, 使用垫片可有效提高连接强度, 螺栓拧紧力矩增加对连接强度影响不大;连接结构的破坏模式包括挤压破坏和拉伸破坏, 在孔径较小时其主导破坏模式是挤压破坏。随后, 基于测试中发现的破坏模式, 建立了基于点应力准则的分析模型, 并使用升温法实现螺栓拧紧力矩的施加。通过数值结果与试验结果的比较验证了分析模型的可靠性。最后, 利用得到验证的分析模型, 分析了单搭连接的二次弯曲现象, 获得了侧向约束面积、 螺栓拧紧力矩及连接平板厚度对单搭单螺栓连接结构力学性能的影响规律。分析结果表明: 当侧向约束应力增加时, 连接强度表现为先增加后降低的规律。
改进的复合材料斜接结构胶层应力半解析法
刘斌, 徐绯, 季哲, 王毅, 谢伟
2015, 32(2): 526-533. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140718.002
摘要:
引入微分概念和复合材料铺层刚度分配原则, 形成一种改进的求解复合材料斜面对接结构胶层应力的半解析方法MAM(Modified semi-Analytical Method)。首先, 针对铺层角度及铺层数不一致的情况, 采用有限元法(FEM)平面应变模型对MAM进行验证; 然后, 分别用平均剪应力法、 FEM及MAM预测了复合材料斜接结构的承载能力并与试验值进行对比; 最后, 利用MAM分析工程应用问题, 考虑了被粘结体刚度不匹配及胶层厚度的变化。研究结果表明: MAM适于设计复合材料斜接结构; 采用MAM能得到胶层应力的尖峰值, 且应力分布与FEM计算一致。
新型负泊松比多孔吸能盒平台区力学性能
张伟, 侯文彬, 胡平
2015, 32(2): 534-541. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140616.003
摘要:
提出了一种具有负泊松比效应的汽车前纵梁吸能盒(NPRC)结构, 通过对元胞平台区的失效模式和平台应力的分析, 研究了此结构在失效时的力学性能, 即等效弹性模量和平台应力在面内加载过程中均能得到一定程度的增强, 表现出较好的能量吸收能力。根据NPRC元胞在平台区的力学模型, 分别建立了发生弹性屈曲和塑性塌陷时的临界应力公式, 得出塑性塌陷是该结构的主要失效模式。通过Matlab程序建立了NPRC元胞的参数化有限元模型, 研究了元胞几何参数与平台应力的关系, 即元胞的平台应力与长度系数和元胞夹角呈反比, 与厚度系数呈正比。通过NPRC结构3×3样件的面内轴向准静态压缩实验验证了有限元分析结果, 实验结果表明: NPRC样件等效负泊松比为-11.97, 产生密实化现象, 平台应力的峰值随着应变的增加逐渐增大, 这对提高能量吸收性能具有重要的研究意义。
螺栓夹持填充孔复合材料层压板层间应力分析
曹勇, 冯蕴雯, 姚雄华
2015, 32(2): 542-548. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140718.003
摘要:
为了研究含螺栓复合材料层压板连接接头的层间应力分布规律, 提出了采用填充孔形式和虚拟界面层方法求解层间应力, 并建立了三维有限元模型对受面内压缩载荷的螺栓夹持填充孔层压板进行分析。结果表明: 层压板层间应力集中不仅发生在孔边, 还会在螺栓头边缘附近出现, 且夹持力越大螺栓头边缘附近的层间应力集中越严重;合理的螺栓夹持力能改善孔边应力状态, 提高孔边抵抗分层的能力, 但无法改善螺栓头边缘附近的层间剪切应力集中状态。因此, 在进行含螺栓夹持的层压板机械连接结构孔边层间强度设计时, 也要考虑螺栓头边缘的层间剪切应力集中问题, 以提高复合材料结构的安全性。
传感器测试FRP约束混凝土轴压短柱的核心区应力
彭亚萍, 张颖, 黄世峰
2015, 32(2): 549-556. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140725.005
摘要:
提出了一种使用水泥基压电陶瓷传感器测试混凝土轴压短柱应力的新方法。将压电传感器埋入混凝土矩形短柱核心区, 测试了纤维增强复合材料约束前后混凝土短柱的轴向动态疲劳载荷, 建立了传感器输出信号与混凝土短柱核心区应力之间的数值模型, 并将理论计算应力值与由模型推导出的应力值进行对比。结果表明: 模型推导应力值与理论计算应力值基本吻合, 验证了使用压电传感器测试动态载荷作用下混凝土短柱应力这一新方法的可行性。
不同层数的超高分子量聚乙烯纬平针织复合材料冲击损伤
李翠玉, 杨雪, 冯亚男, 罗岳文
2015, 32(2): 557-564. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140722.003
摘要:
研究了不同层数超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维/环氧树脂纬平针织复合材料的冲击性能, 并讨论了其冲击损伤模式。复合材料板分别为4、 6、 8层纬平针织结构, 采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺层合而成, 以不同的冲击能量(10~55 J)冲击复合材料板直至层合板被穿透, 得到冲击能量与吸收能量关系图以及接触力-挠度曲线。分析了不同冲击能量下, 复合材料中织物的损伤形式和破坏过程。研究结果表明: 在3种针织结构复合材料中, 8层纬平针织结构承受载荷的能力最强, 6层纬平针织结构次之, 4层纬平针织结构最差;随着冲击能量的增加, 3种试样的冲击挠度均增大;基体开裂、 纤维断裂是试样被渗透时有效的损伤模式, 基体和纤维断裂是试样被穿孔时有效的损伤模式。
典型损伤对复合材料机翼振动特性的影响
段静波, 江涛, 马航, 施生峰, 路平
2015, 32(2): 565-570. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140722.002
摘要:
利用大型商用软件MSC.Patran建立了某型无人机复合材料机翼的有限元模型。在机翼中分别模拟了蒙皮分层、 蒙皮与翼梁翼肋脱粘以及翼梁裂纹这3种典型损伤, 通过与无损伤复合材料机翼固有振动频率进行比较, 分析了损伤位置和大小对机翼振动特性的影响。结果表明: 3种典型损伤一般不会引起机翼各阶振动模态的改变, 但会使各阶振动频率发生变化; 对各阶振动频率的影响既与损伤位置有关, 也与主承力结构的损伤程度有关;蒙皮分层和翼梁裂纹出现在机翼根部时对机翼振动频率的影响最明显。
Z-pin参数对复合材料T型接头拉脱承载能力的影响
李梦佳, 陈普会, 孔斌, 彭涛, 姚正兰, 邱学仕
2015, 32(2): 571-578. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201502.002
摘要:
利用二维平面应变模型对Z-pin增强T型接头试样进行失效分析, 采用内聚力模型模拟界面的破坏情况, 通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元模拟Z-pin的增强作用, 非线性弹簧元的力学性能(桥联律)由细观力学方法获得, 数值结果与试验值吻合较好。在已验证有限元方法的基础上, 研究了Z-pin直径、 密度及植入角度等对T型接头拉脱承载能力的影响。结果表明: Z-pin增强可显著提高T型接头的拉脱承载能力, 与未Z-pin增强的T型接头相比, Z-pin增强明显延缓了掉载;T型接头的拉脱承载能力随Z-pin直径和密度的增加而增大, 随植入角度的增大而减小;在所研究的角度范围内, 当植入角度为60°时, T型接头的拉脱承载能力最好;Z-pin直径和密度对拉脱承载能力的影响远比植入角度的影响显著。
湿热环境对旋转复合材料梁摆振特性的影响
蒋宝坤, 张渲铃, 李映辉
2015, 32(2): 579-585. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140702.004
摘要:
首先, 基于复合材料在湿热环境下的本构关系推导了旋转复合材料梁轴力和弯矩的表达式, 分析了温度和湿度对轴力和弯矩的影响, 然后, 基于d'Alembert原理建立了旋转复合材料梁摆振控制方程, 并应用Galerkin法进行求解, 分析了温度和湿度对旋转复合材料梁刚度的影响, 最后, 通过数值模拟讨论了湿热环境对旋转复合材料梁摆振动力学特性的影响。结果表明: 湿热环境对旋转复合材料梁的摆振频率和模态影响显著, 摆振频率随湿热环境加剧而降低, 热膨胀效应对摆振频率的影响大于材料性能变化对其的影响, 湿热环境与旋转的联合作用使模态的节点位置发生明显偏移。
结构化增韧层增韧RTM复合材料预成型体的渗透特性
刘刚, 张朋, 李伟东, 胡晓兰, 包建文, 益小苏
2015, 32(2): 586-593. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140604.004
摘要:
选用尼龙无纺布(Polyamide Nonwoven Fabric, PNF)作为结构化增韧层, 研究了增韧层的引入对纤维预成型体在树脂传递模塑成型(RTM)工艺过程中渗透特性的影响。结果表明:在径向非饱和流动模式下, 层间增韧预成型体沿纤维方向的渗透率为5.2×10-12 m2, 略低于非增韧预成型体的7.1×10-12 m2, 而沿垂直于纤维方向的渗透率为2.3×10-12 m2, 略高于非增韧预成型体的1.6×10-12m2。此外, 层间增韧预成型体的单向饱和流动渗透率为2.6×10-12 m2, 较非增韧预成型体的1.9×10-11 m2下降了约1个数量级, z 向饱和流动渗透率较非增韧预成型体的1.3×10-13 m2下降至2.5×10-14m2, 同样下降了约1个数量级。对复合材料层间微观形貌的分析结果表明:造成预成型体渗透率下降的主要原因首先是PNF引入至层间之后将阻碍层间树脂的快速流动, 同时增韧层将使层内纤维含量明显升高, 由55.3vol%上升到63.7vol%。
天然钙镁矿物质粉填充竹木复合材料热裂解性能
陈卫民, 李新功, 吴义强, 袁光明, 符彬
2015, 32(2): 594-600. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140529.001
摘要:
制备了不同天然钙镁矿物质粉填充量的竹木复合材料, 采用热重(TG)分析、 裂解-气相色谱-质谱联用(PY-GC/MS)、 Li Chung-Hsiung积分法与Malek法研究了天然钙镁矿物质粉填充竹木复合材料的热裂解性能及热裂解动力学, 并建立了天然钙镁矿物质粉填充竹木复合材料的热裂解模型。结果表明: 天然钙镁矿物质粉热裂解时能够吸收周围的热量, 产生的自由基抑制剂和难热裂解的CaO与MgO都能够抑制竹木复合材料的热裂解;裂解产物中, CO、 CO2及单苯环类芳香族化合物的含量与未填充竹木复合材料的相比均有所降低, 脂肪族化合物含量有所增加。未填充竹木复合材料的热裂解反应模式为随机核化, 每个粒子有1个核;天然钙镁矿物质粉填充竹木复合材料的热裂解反应模式为相界反应、 球形对称。
压电弹性体中光滑顶点的正三角形孔边裂纹的反平面问题分析
王玮华, 郭俊宏, 邢永明
2015, 32(2): 601-607. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140616.001
摘要:
通过构造新的保角映射, 利用复变函数的方法, 研究了含光滑顶点的正三角形孔边裂纹的横观各向同性的压电弹性体的反平面问题。在电可穿透和电不可穿透裂纹、 孔周及裂纹面为自由表面的假设下, 充分利用Cauchy积分公式和复变函数方法, 得到了裂纹尖端的场强度因子和能量释放率的表达式。数值算例显示了在不同边界条件下裂纹的几何尺寸、 机电载荷对能量释放率和机械应变能释放率的影响规律。 结果表明: 在电可通和电不可通边界条件下, 裂纹长度和三角形边长的增加会导致能量释放率增加, 机械载荷则总是促进裂纹的扩展。在电不可通边界条件下电位移可以促进或抑制裂纹的扩展, 而在电可通边界条件下电位移对裂纹扩展没有影响。
嵌入式共固化复合材料阻尼结构吸湿处理后的层间结合性能
雒磊, 梁森, 张乾, 梁天锡
2015, 32(2): 608-615. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140627.001
摘要:
采用压片工艺和刷涂工艺制备了碳纤维/双马来酰亚胺(T300/QY8911)嵌入式共固化复合材料阻尼结构(ECCDS)试件。对T300/QY8911复合材料阻尼结构试件的吸湿特性进行了研究, 获得了吸湿率与阻尼层厚度的关系;对两种工艺制备的复合材料吸湿处理后的层间结合性能进行了研究, 分析了阻尼层厚度与层间最大剪切应力的关系。结果表明: 含穿孔黏弹性阻尼层的ECCDS能明显提高吸湿处理后的层间结合性能, 为ECCDS的理论设计和应用研究奠定了基础。