国产高模量碳纤维复合材料耐冷热冲击性能研究

低轨道航天器由于反复进出地球阴影区,会受到频繁的冷热冲击,因此研究冷热冲击对低轨航天器用高模量碳纤维CCM40J/氰酸酯复合材料力学性能与质量损失率的影响十分重要。对CCM40J/氰酸酯复合材料进行了冷热冲击试验,对不同冷热冲击次数后的CCM40J/氰酸酯复合材料进行了力学性能测试和质量损失测试,并采用SEM、FTIR、XPS等分析比较了冷热冲击前后复合材料样品的表面形貌、微观结构和化学组成等。结果表明,经过500次冷热冲击后,CCM40J/氰酸酯复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度分别降低0.90%、2.13%、3.72%、2.70%和6.49%,质量损失率远低于1%,且没有发生新的化学反应,满足航天器的应用需求。

基于模态缺陷的变刚度复合材料圆柱壳屈曲特性

研究了基于自动铺丝技术的变刚度复合材料圆柱壳的屈曲性能和缺陷敏感性。基于丝束剪切/重送技术,提出了可以精确模拟圆柱壳面内重叠/间隙区域的简便算法,使有限元模型更加贴近实际制造过程。开展了复合载荷作用下曲线纤维铺层方式对圆柱壳屈曲性能影响的研究,结合Kriging模型和遗传算法,对纤维角度沿环向和轴向线性变化的铺层设计方式进行了优化。最后,利用改进弧长法对不同模态缺陷条件下变刚度复合材料圆柱壳的缺陷敏感性进行了分析。结果表明:在轴压和均匀外压复合作用下,纤维角度沿轴向变化的铺层方式可以有效提高结构的屈曲性能。当带宽为25.4 mm、T_(0)=80、T_(1)=45时变刚度圆柱壳的屈曲性能最优,较基准构型和常刚度最优构型临界屈曲载荷分别提高了70.9%和34.5%。变刚度圆柱壳的抗缺陷敏感性较基准铺层方式和最优常刚度铺层方式得到了提升。因此,变刚度设计可以使复合载荷作用下的圆柱壳结构在提升结构抗屈曲性能的同时降低对几何缺陷的敏感性。

基于自动铺放技术的变刚度复合材料层合板固化变形特性

准确预测和控制变刚度结构的固化变形是合理进行变刚度设计的关键环节,复合材料结构的固化变形不仅会影响结构的刚度强度特性、同时会对结构的装配性能产生影响。基于自动铺放技术,提出面向过程的丝束-路径-面板多级三维变刚度有限元模型算法。结合Kamal自催化固化动力学模型和广义Maxwell黏弹性本构模型进行热-化学-力多场耦合分析,计算固化过程中结构内部温度场、固化度场和残余应力场的变化,最终得到变刚度层合板的固化变形特性。通过参数化分析,研究了自动铺放过程中轨迹控制参数T_(0)、T_(1)和覆盖法则对结构固化变形产生的影响。研究结果表明:T_(0)=45°时,当T_(1)<T_(0)变刚度结构的固化变形随着T_(1)的增大而增大,当T_(1)>T_(0),变刚度结构的固化变形随着的增大而减小。100%覆盖法则有效减小结构的固化变形,而0%覆盖法则使固化变形增大。本文提出的方法可以有效预测工艺参数对变刚度结构固化变形的影响。

基于自动铺放技术的高精度变刚度复合材料层合板屈曲性能

基于自动铺放技术制备的曲线变刚度复合材料层合板,通过定制面内刚度,可有效提高结构的抗屈曲性能。在铺放过程中,铺放轨迹的路径规划是实现变刚度设计的关键技术之一。鉴于此,本文分别以纤维角度线性变化曲线、等曲率曲线及二次Bezier曲线构成的纤维轨迹为研究对象,对其压缩屈曲性能进行参数化分析。并利用有限元模型研究了铺丝头上丝带宽度对层合板型面精度和抗屈曲力学性能的影响。结果表明:在压缩工况下,二次Bezier曲线路径的抗屈曲性能最佳,等曲率曲线路径受曲率约束的影响最小。铺丝头丝束宽度一定,丝带宽度与重叠区域面积和抗屈曲性能呈负相关。使用最大的丝带宽度可最大程度地减小重叠区域面积,提高结构的型面精度,同时保证结构屈曲性能提高37.3%。

高模量碳纤维增强树脂基复合材料的皮秒激光加工阈值特性

对聚丙烯腈基高模量碳纤维/改性氰酸酯树脂复合材料(M55/BS-4)和一种沥青基高导热碳纤维/树脂基复合材料(K600/5418)的皮秒激光加工阈值和形貌特性进行了研究。通过面积外延法测定并比较了这两种碳纤维复合材料的近红外皮秒激光加工阈值及其阈值孵化效应,并预测了两种复合材料的单脉冲阈值;分析了入射能量通量(0.7~25 J/cm^(2))及光束扫描速度(0.2~5 m/s)对切口质量的影响规律。结果表明,碳纤维热导率的巨大差异导致不同碳纤维复合材料的加工阈值及形貌存在明显定量差距。使用可获得的最高扫描速度(5 m/s)和3.2倍(~8 J/cm^(2))单脉冲阈值的加工参数,可使材料的碳纤维和树脂几乎协同去除,加工形貌上表现为切缝入口宽度均匀、切割边缘整齐。使用更高扫描速度并配以合适的加工能量有望进一步提高加工质量。

基于在位测量的复杂曲面复合材料结构精密磨抛工艺研究

针对复合材料构件型面的在位测量需求,开展基于激光跟踪测量系统和机器人集成的在位测量技术研究,搭建在位测量的硬件和软件系统,实现了系统间的信息交互。利用在位测量数据的分析反馈确定在位测量辅助精密加工方法。基于该跟踪测量系统开展了典型抛物面复合材料结构件的型面精度磨抛加工试验,结果表明通过两次加工迭代可以实现复合材料复杂曲面的精度快速收敛,大幅提升磨抛加工效率和精度。