面向2035年复合材料构件精确制造发展战略研究

先进复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性好等优点,广泛应用于航空航天、轨道交通等领域的装备制造,是工业发达国家战略必争资源;保障和提升先进复合材料的供给能力,突破大型复杂复合材料构件的设计成形、加工装配、检测修复等精确制造技术,对支撑制造强国建设具有重要价值。本文总结了国内外复合材料构件精确制造技术的发展现状及趋势,从高精密数控缠绕、复合材料自动铺放、复合材料预制体成形、纤维复合材料增材制造、高性能碳纤维生产等方面梳理了复合材料构件精确制造的关键技术与装备;结合基本态势研判了制约复合材料制造技术水平提升的“卡脖子”环节,提出了我国复合材料构件制造技术与装备的发展思路与分阶段发展目标。研究建议,组织建设国家级创新机构,设立国家重大专项支持,加强学科建设和人才培养,加强国际技术交流与合作,着力推动重大科学创新和关键技术突破,为国家重大工程和装备应用提供高质量科技支撑。

一种基于惰性气体循环法的新型测氢装置研制

氢含量是衡量铝合金质量的重要指标,为准确在线测得铝合金熔体中氢含量,国内外科学工作者提出多种测氢方法,其中惰性气体循环法应用最为广泛。文中以惰性气体循环法为原理,应用微型计算机和ADAM模块实现气体循环控制和数据采集,设计和研制了一种测量精度高、测试成本低和耐用性好的测氢装置,经对比实测表明,研制的测氢仪与两种国产和日本产典型测氢仪检测结果对比偏差小于0.04 mL/100gAl。介绍了仪器工作原理、硬件组成、软件设计和实测结果。

3D打印连续纤维复合材料丝材的成形规律

针对3D打印连续纤维增强热塑性树脂复合材料,研究了热塑性树脂在螺杆挤出过程中的流动机理和在纤维界面的浸渍行为,揭示了螺杆转速和牵引速度对复合丝材成形直径和纤维含量的影响规律。提出使用实际浸渍时间和理论完全浸渍时间来共同表征树脂对纤维的浸渍程度,观察复合丝材断面的形貌可知,高浸渍程度的丝材内部空隙较少,树脂和纤维结合更紧密。进行3D打印成形测试,当丝材的浸渍程度从17.25%提高到40.02%,样件的拉伸强度可从132 MPa提高到160 MPa,提高约21%。对样件进行动态力学性能分析(DMA)测试,试验结果表明浸渍程度高的复合材料成形件具有高的存储模量和损耗模量,表明其纤维和基体间的界面结合程度得到了提高和改善。

复合材料预制体成形制造工艺与装备研究

从制造工艺和装备研制的角度总结了复合材料预制体成形技术发展历程,分析了复合材料预制体成形制造工艺的技术特点,列举了国内外复合材料预制体成形制造典型的工艺与装备现状以及存在的问题及差距,并分析展望了复合材料预制体成形技术的未来发展方向及趋势。发展高性能复合材料构件数字化精确成形制造技术及装备,能更好推动我国复合材料技术进步,并实现更加广泛的推广应用。

研究生基层集体建设与学生个体成长的协同发展研究

研究生集体是研究生学习、生活和科研的基本载体,是发挥研究生思想教育主体作用的重要阵地,是落实学校人才培养的根本单元。随着研究生规模不断扩大和我校人事制度改革,研究生集体建设的重要性与研究生个体科研任务的协同发展等问题日益突出。该文从集体建设的同步性与个体成长的个性化,集体思想教育的统筹性与个体思想的多样性,集体建设空间聚集性与个体发展的离散性等研究生集体建设和学生个体成长的3个突出矛盾着手,以清华大学机械系某典型研究生基层集体为样本集体,通过剖析集体的发展规律,提出了构建研究生集体协同发展的基层建设方案。该方案具有较大的普适性,适合在高校研究生集体推广。

纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究

在综述纤维增强树脂基复合材料增材制造技术的国内外研究现状基础上,分析了短纤维、长纤维、连续纤维增强树脂基复合材料的成形方法、工艺及性能。针对高性能的连续纤维增强树脂基复合材料的增材制造成形,研究了连续纤维增材制造成形机理及工艺,揭示了其成形性能的影响规律。指出了纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备的未来发展趋势:亟需开展纤维增强复合材料的增材制造成形机理、成形工艺及装备研究,更好地推进纤维增强树脂基复合材料的广泛应用。

增材制造用PLA/连续碳纤复合材料力学性能

为提高连续纤维复合材料增材制造后的力学性能,通过连续纤维丝材成型机制备连续碳纤维增强聚乳酸(PLA)复合丝材,采用3D打印的方式成型测试样件,研究了打印间距、打印温度、层厚三个工艺参数对复合材料拉伸和弯曲强度的影响。试验表明,打印间距和层厚对样件的拉伸、弯曲强度影响较大,而打印温度对样件的拉伸、弯曲强度影响较小。在打印温度230℃、层厚0.9 mm时,样件的拉伸和弯曲强度随着打印间距(0.50~1.10 mm)的增大先增加后降低;在打印温度220℃、打印间距0.65 mm时,样件的拉伸和弯曲强度随着层厚(0.8~1.2 mm)的增大而逐渐降低;在打印间距0.65 mm,层厚0.9 mm时,样件的拉伸强度随着打印温度(200~240℃)增大而增大,弯曲强度随着打印温度(200~240℃)的增大先增加后降低。

3D打印复合材料开孔板力学性能影响规律

为了改善3D打印技术制备的连续碳纤维增强复合材料样件的拉伸力学性能,研究了不同填充路径对复合材料开孔板拉伸性能的影响。采用主应力轨迹路径的规划方法制备了主应力轨迹路径填充开孔板测试样件,并将其与栅格路径填充开孔板和机械加工开孔板进行了拉伸性能对比。结果表明:主应力轨迹路径填充开孔板与机械加工开孔板相比,拉伸强度高9.73%,弹性模量高25.58%;主应力轨迹路径填充开孔板在断裂前圆孔周围的应变分布更均匀,应变更小。

短纤维层间增强碳纤维复合材料层板的力学研究

以斜纹3k T300碳纤维布、环氧树脂和0.3~0.5 mm短切碳纤维为主要实验原料,使用短切纤维铺放装置将短切碳纤维定量铺放在碳纤维布表面,并铺层得到5块层间短切纤维增强的预制体,每块预制体含8层碳纤维布且每块预制体层间短切碳纤维铺放面密度分别为5,10,20,30,40 g/m2,并增设一块层数为8层、层间不含短切纤维增强的预制体作为对照组。采用真空辅助树脂灌注成型方式浸渍预制体后高温固化,得到层间含不同面密度短切纤维的碳纤维复合材料层合板,研究了不同面密度短切纤维含量对碳纤维复合材料层合板拉伸、弯曲以及层间剪切强度的影响。研究结果表明,当短切碳纤维铺放面密度为5 g/m2时,复合材料层板的拉伸、弯曲强度最好,在5~40 g/m2范围内,复合材料层板的层间剪切强度随短切碳纤维铺放面密度的增大而增大。

基于激光原位预热的连续纤维增材制造层间强化机理研究

连续纤维复合材料增材制造具有成形自由度高、材料利用率高、模具依赖度低等优点,能够实现复合材料的快速低成本一体化制造,满足航空航天等领域复材构件短周期高性能的成形需求。但基于层层堆积成形原理的连续纤维复合材料制件层间性能较差,在长期使役过程中极易出现分层失效,严重限制其广泛应用。本研究提出了基于激光原位预热的连续纤维增材制造成形方法,通过建立基于“生死单元”技术的有限元仿真模型,揭示了激光预热对增材制造成形温度分布及其演变规律,并通过实验验证了其对改善成形制件层间性能的有效性,最终获得了激光预热的层间强化机理。结果表明,激光预热能够快速加热样件表面温度,促进层间树脂的熔合粘接,并进一步促进成形丝材的重熔浸渍,相较于未经预热样件,激光预热后层间剪切强度最大提升115%。