典型复合材料结构固化变形仿真预测与控制验证

针对典型复合材料结构固化成型过程中变形难以控制的问题,本文对典型复合材料结构的固化变形进行仿真预测,从固化工艺和模具补偿两方面对固化变形加以控制和验证。固化工艺方面以各设计点变形数据为基础确定了最优固化工艺曲线,模具补偿方面提出了一种构件有限元模型自适应调整的方法,综合考虑固化工艺参数与模具型面补偿采用了一种基于全局补偿量的协同控制方法。结果表明,通过仿真模拟L形构件的固化变形误差为12.4%,借助响应面优化算法得到的L形构件最优固化工艺曲线其固化变形预测值与各试验设计点最大变形的最小值偏差不超过3.3%;T形加筋壁板有限元模型经自适应调整后,对于下表面与目标型面之间的偏差距离,数值模拟值与试验测量值的最大相对误差为17.20%。通过全局补偿量的协同控制方法对半筒形壁板的模具进行补偿,其固化变形最大值相比于传统单一模具型面补偿控制方法降低了接近90%。

含磷POSS阻燃乙烯基酯树脂性能研究

将含磷POSS(DMPOSS)以5wt%、10wt%和15wt%的添加量添加到乙烯基酯树脂中,通过差示扫描量热仪(DSC)、热重分析(TG)、极限氧指数(LOI)、锥形量热仪和扫描电镜(SEM)测试研究了DMPOSS对乙烯基酯树脂玻璃化转变温度、热稳定性和燃烧性能的影响。DSC测试结果表明:DMPOSS的加入能够明显提升乙烯基酯树脂的玻璃化转变温度。LOI测试结果表明:添加DMPOSS改性的乙烯基酯树脂的氧指数随DMPOSS含量的增加而逐渐升高。当添加15wt%DMPOSS时,乙烯基酯树脂的氧指数达到23.8%。锥形量热仪测试结果表明:DMPOSS的加入能够有效降低乙烯基酯树脂的热释放。当添加15wt%DMPOSS时,乙烯基酯树脂的热释放速率峰值降低了44.9%,总的热释放降低了30.4%。

高强中模碳纤维增强高耐热双马树脂复合材料性能

研究了一种耐高温改性双马来酰亚胺树脂(805)的工艺特性、流变特性和耐热性能,在此基础上制备了TG800/805国产高强中模碳纤维复合材料,并对高温及室温的力学性能和断裂微观形貌进行了表征。结果表明:805树脂的最低黏度为1.6 Pa·s,具有良好的工艺性;TG800/805复合材料具有优异的力学性能,经280℃热处理后,其弯曲强度和层间剪切强度在280℃的保持率分别为68%和52%,其玻璃化转变温度(Tg)为356℃,说明研制的TG800/805材料体系可以在280℃高温下较长时间使用。

橡胶辅助增压在非热压罐成型工艺中的应用研究

目的针对蒙皮带筋典型构件,在容易产生孔隙的加强筋底部放入橡胶增压,以优化应力场、减小孔隙缺陷。方法针对CFRP固化成型制度,进行红/蓝2种橡胶模量、热膨胀系数测试及双马树脂流变测试。基于材料测试数据及预浸料固化特征建立了固化前中后3类数值仿真模型,以对比不同橡胶在不同固化时期的增压效果。结果在固化前期,红、蓝橡胶均有增压作用,可使加强筋底部应力提高约5倍;在固化中期,红橡胶有显著增压作用,可使加强筋底部应力提高约9倍并改善应力梯度;在固化后期,橡胶难以发挥增压作用。结论红橡胶可显著发挥增压作用,有效解决加强筋固化成型前中期底部应力不足的问题;在CFRP固化前期,热膨胀系数是影响热应力的主要因素,在固化后期,模量为主要因素。通过对比多组仿真数据,明确了最优增压材料及最主要的材料属性,为解决OOA成型局部压力不足的问题提供了指导方向。

航空发动机复合材料声衬声学模型构建及吸声性能仿真

声衬是降低发动机噪声的重要组件。本工作计算不同流场状态下管道模态声源特征,并以此作为Actran软件背景流场计算及声传播计算的输入边界,建立声传播模型,研究单自由度声衬与双自由度声衬消音板孔直径、孔间距、蜂窝高度和消音板厚度4种结构参数对吸声效果的影响规律。仿真结果表明:两种自由度声衬都表现出在一定孔直径范围内穿孔直径越小,吸声性能越好的现象;孔间距、蜂窝高度和消音板厚度对吸声性能的影响随频率变化;在2500 Hz以上双自由度声衬耗散功率较大,吸声效果好。通过在流管实验对比验证,比较不同结构声衬在不同激励源下的传递损失,得到合理可信的仿真方法。

复合材料成型模具补偿及构件自适应调整方法研究

复合材料构件固化变形后进行模具补偿需要对构件有限元模型进行重新建模,效率低,工作量大且缺乏验证,针对复合材料成型模具型面补偿后需要调整对应的复合材料构件有限元模型的问题,提出了一种复合材料成型模具型面补偿及构件自适应调整的方法,采用虚拟材料模型实现了构件网格与补偿后模具网格相互贴合。使用典型件验证了方法的正确性,并依据T形加筋壁板构件实例讨论了在此方法下的试验结果。结果表明:(1)通过模具型面补偿,能够使T形加筋壁板和复杂筒形壁板构件固化变形量明显降低;(2)使用本文提出的方法进行T形加筋壁板固化试验,可得试验偏差测量值与数值模拟偏差值的最大相对误差为17.20%,满足工程验收标准;(3)使用本文复合材料固化成型模具型面补偿及构件有限元自适应调整方法能够避免模具补偿后构件有限元模型重构操作,提升模具补偿效率,提高结果准确性。

RTM成型用聚酰亚胺树脂及其复合材料研究进展

聚酰亚胺复合材料因其优异的耐高温性能和机械性能,在航空航天领域获得了广泛应用,但复杂、高成本的热压罐成型工艺难以满足聚酰亚胺树脂基复合材料快速加工成型,限制了其进一步的应用。本文综述了适用于树脂传递模塑成型(RTM)技术的聚酰亚胺树脂及其复合材料的研究现状与发展趋势,重点论述了苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂及其复合材料的国内外研究情况,提高RTM技术成型聚酰亚胺树脂及其复合材料耐温等级的同时保持低充模黏度和高韧性将会是重要的发展方向。

新型碳/聚硅乙炔基防热复合材料的制备与性能

以聚硅乙炔树脂(PMR)为基体制备出了一种新型的碳/聚硅乙炔基防热复合材料(C/PMR),并全面评价了树脂基体的固化性能、耐热性能、以及复合材料的界面性能、力学性能与烧蚀性能。结果表明:PMR固化物具有比酚醛更高的耐热稳定性,其在N2下的5%热失重温度(T5)为608℃,900℃下的残重高达89.7%(酚醛约65%)。复合后,C/PMR单向板的剪切强度为22MPa,织物增强型C/PMR的拉伸强度、弯曲强度和线烧蚀速率分别为187MPa、96MPa和0.46mm/s。

低烟低毒型阻燃酚醛复合材料的制备与性能表征

从分子水平上研究了固化工艺对酚醛/玻纤复合材料(GRPC-1)基体结构和抗冲击性能的影响,探讨了酚醛基体和阻燃添加剂在燃烧过程中的成分结构演变与阻燃机制。在此基础上通过酚醛结构与配方设计及制备工艺优化,制备出一种兼具低烟低毒性能和良好抗冲击性能的GRPC-1,燃烧4 min时的烟密度Ds值为5,CO的释放浓度为2.75×10-4,无HCN、HF、HCl、SO2、NOx等有毒有害气体释放,抗冲击强度达到25.6 m˙N。结果表明,GRPC-1的烟密度和毒性气体释放性能达到进口材料(Cycom2290/7781)实测水平。

阻燃增韧环氧树脂及其复合材料性能研究

采用溶液预浸渍技术制备了一种玻璃纤维布增强改性环氧树脂预浸料。通过对预浸料经热压罐成型制备的复合材料层压板进行相关性能测试。结果表明,复合材料具有良好的力学性能以及阻燃性能。证明了增韧和阻燃剂的引入大大地提高了该树脂基体以及复合材料的力学、耐热性和阻燃性能,并且表明了改性环氧/玻璃纤维预浸料具有良好的物理和工艺性能,促进了树脂基体与纤维间的界面结合,从而进一步提高了复合材料的力学和阻燃性能。此外,该复合材料还表现出良好的介电性能。

一种玻纤/环氧-Nomex蜂窝夹层复合材料制备工艺与性能研究

以玻纤增强环氧预浸料、阻燃环氧结构胶膜和高密度Nomex蜂窝芯通过共固化工艺制备了夹层结构复合材料板,并对其进行了相关性能研究。通过分析预浸料蒙皮和胶膜中环氧树脂基体流变特性,以及研究共固化过程中的固化压力和升温制度对所制备夹层板力学性能的影响关系,制定出了适宜的复合材料成型工艺制度。结合上述研究成果,进一步对采用不同面重胶膜和铺层结构制备出的夹层板进行了性能测试,考核结果表明:胶膜用量的增加可以明显提高Nomex蜂窝夹层板的滚筒剥离强度和长梁弯曲性能,而对平面压缩性能影响较小,但会明显降低复合材料的整体阻燃和烟毒性能;此外,对称铺层结构的材料整体结构稳定性明显优于非对称铺层结构。

航天复合材料研究进展

航天复合材料的性能与应用水平是衡量航天型号先进性与可靠性的重要标志,是支撑航天型号发展的关键材料,决定型号性能与成败。本文总结了近年来在热结构、防热、热透波、隔热以及结构复合材料领域的重要研究进展,提出极端环境服役新材料、可重复使用防隔热材料、第三代结构复合材料以及复合材料构件低成本快速制造等是航天复合材料未来发展的重要方向。

航天器热防护材料的发展概述

文章简要介绍新型航天器的热防护材料的发展概况,重点介绍国内外碳/碳复合材料、超高温陶瓷材料、陶瓷基复合材料及新型隔热材料等热防护材料研究工作及其在飞行器上的应用,并对防隔热材料的发展趋势作简要评述。

促进剂对中温固化EP及其预浸料室温贮存稳定性的影响

通过差热扫描量热、傅里叶变换红外光谱、黏度、凝胶时间、树脂流动度和力学性能测试等方法研究了苯基–二甲脲(Urea-2)和1,1-二甲基-3-苯基脲(PDU)两种商品化促进剂对采用双氰胺作为固化剂的环氧树脂(EP)固化体系及其预浸料在室温环境贮存过程中的稳定性的影响。结果表明,采用Urea-2作促进剂的EP固化体系室温反应活性较高,随贮存期的延长明显发生固化反应,其预浸料在室温下贮存10 d后的物理性能不稳定,由其所制备的层压板力学性能出现了较大幅度的下降,不能满足标准BMS 8–79的使用要求。采用PDU作促进剂的EP固化体系在室温下贮存30 d后其各项性能均无明显变化,相应的预浸料在室温贮存10 d后物理性能较为稳定、工艺使用性能保持较好,由其制备的层压板力学性能仅略有下降,完全满足BMS 8–79的使用要求,表明促进剂PDU的潜伏性好,更适合用于所研究的中温固化EP体系。

阻燃环氧树脂复合材料烟密度影响因素

采用阻燃改性环氧树脂为基体、玻璃纤维布为增强体的预浸料,制备层压板复合材料,研究环氧复合材料烟密度的影响因素。结果表明,复合材料烟密度与树脂含量、溴锑协效阻燃体系以及基体环氧树脂的固化剂和环氧值相关。

Nomex蜂窝夹层结构面内剪切性能试验研究

采用改进设计的像框试验对Nomex蜂窝夹层结构的面内剪切性能进行了表征测试与研究。试验结果表明,在像框的持续性剪切载荷作用下,夹层结构首先发生了板-芯界面脱粘,继而蒙皮在竖直方向上形成了巨大的鼓包和皱褶。随着剪切载荷的增加,夹层结构最终发生了横向的断裂。多次试验结果所得的低于3%的离散率也预示出面内剪切像框试验的有效性和准确性。此外,试样和夹具之间的固定程度是影响面内剪切像框试验的关键因素。仅采用螺钉进行固定的试样测试时,螺钉受拉力的移动直接导致了夹层结构边缘破坏,然而样件本身所受像框的面内剪切载荷有限,试验无效。

610B无卤阻燃环氧树脂及碳纤维复合材料性能

设计了一种新型磷-硅协同高效无卤阻燃环氧树脂610B,并制备了碳纤维增强热熔预浸料T700/610B。通过DSC、凝胶时间、动态黏度、热重、红外和SEM,对树脂体系的反应及流变特性、室温储存期和阻燃机理进行研究;通过真空袋成型工艺制备了碳纤维增强复合材料并对其力学性能和阻燃性能进行了评价。结果表明:树脂在中温条件下有效固化,室温下储存期大于30 d,预浸料铺覆性好,适合低成本真空压力成型,制备的复合材料力学性能优异、低烟低毒、阻燃性能突出。

含醚结构双苯并环丁烯树脂的合成与性能

以4-溴苯并环丁烯为封端剂,在氯化亚铜催化下,与双酚A和双酚N发生亲核取代反应,合成了两种双苯并环丁烯封端的含醚单体BCB-1和BCB-2。两种单体的熔融温度低于100℃,在100-200℃熔体黏度低于1 Pa.s,表现出宽的加工窗口和良好的成型工艺性能。BCB-1和BCB-2两种树脂固化物的Tg分别为269和232℃,T5d5%分别为450和433℃,介电常数分别为2.88和2.58,损耗因子分别为8.4×10-3和2.7×10-3,表现出良好的耐热稳定性和优异的介电性能。其中BCB-2树脂由于在分子结构中引入了具有低摩尔极化度的大体积侧基—CF3,因此表现出更低的介电常数和损耗因子。

先进树脂基轻质烧蚀防热复合材料

基于新型多孔杂化树脂基体,制备出一种先进树脂基轻质烧蚀防热复合材料。通过化学反应控制和杂化树脂组分的调节,实现了对多孔杂化树脂基体微观结构和宏观性能的控制,制备出密度0.18~0.75 g/cm^3,平均孔径0.01~10μm之间可灵活调节的多孔杂化树脂基体,孔隙率最高可达95%。以此杂化树脂为基体,可构建出密度0.30~1.2 g/cm^3之间可调的轻质烧蚀防热复合材料。以自制高孔隙率碳纤维骨架和商品化石英纤维针刺毡为增强体,制备出密度分别为0.35 g/cm^3和0.65 g/cm^3的2种轻质烧蚀防热复合材料,热导率<0.1 W/(m·K)。等离子体电弧风洞考核结果表明,新型复合材料表现出优异的烧蚀性能和高效隔热性能。C⁃1复合材料在6 MW/m^2热流条件下,33 s烧蚀时间后,表面最高温度达到2850℃,而30 mm处背面温升为186℃,50 mm处背面温升仅有55℃。S⁃2复合材料总加热量270 MJ/m^2的热环境下,270 s加热后最高背面(15 mm处)温升仅为95℃。

化学镀镍中黄铜脱锌的研究

通过对黄铜结构、杂质的影响及电子分布规律的理论分析认为:黄铜中存在明显的"电子均分"趋势,结果一方面合金中的铜锌与单质铜锌相比,有一些性能的改变;同时保证了整个黄铜的稳定性,也限制了黄铜中的锌在镀液中的渗出。