CFRP在汽车轻量化与安全中的应用进展

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有比强度高、吸能性好等优点,在汽车结构安全及轻量化中的应用优势明显,前景广阔。本文综述了CFRP在汽车轻量化及安全性中应用的研究进展,从汽车车身、底盘以及配件等方面阐述了CFRP在汽车轻量化的应用,从安全性的角度分析了CFRP在汽车安全部件的优势,指出了制约CFRP应用的结构设计理论及异质连接工艺等难点,并展望了未来CFRP在汽车领域的应用前景。旨在拓展CFRP在汽车轻量化与安全中的应用范围,为其在汽车工业发展及轻量化中的广泛应用提供参考。

基于CLD的风电叶片挥舞疲劳试验寿命预测方法

随着风电叶片长度的不断增加,挥舞疲劳测试时叶片自重和夹具重量对叶片产生的影响已无法忽略。本文以株洲时代新材料科技股份有限公司某90 m级叶片挥舞疲劳试验主梁失效为研究对象,测试了主梁拉挤板在不同应力比情况下的疲劳S-N曲线,基于Goodman等寿命图提出一种新的复合材料疲劳寿命预测方法。通过考虑平均应力对主梁疲劳寿命的影响,文章对比分析理论试验预测损伤及疲劳试验实际损伤,得出两个重要结论:(1)现有不考虑叶片自重的挥舞疲劳试验载荷等效方法已不能反映叶片的实际受载情况;(2)本文提出的考虑均值的Goodman疲劳寿命计算方法能够较准确地预测叶片的疲劳试验寿命。

环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯复合材料的电磁吸波性能

为了制备具有一定电磁吸波性能的结构型吸波材料,采用喷涂法制备了负载石墨烯微粒的玻璃纤维预浸料,并通过热压罐成型工艺进行固化,制备了环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯吸波复合材料。研究了石墨烯含量对吸波复合材料电磁性能、吸波性能和力学性能的影响。通过三点弯曲测试结果可知,随着石墨烯含量的增加,环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯吸波复合材料的弯曲强度先增大后减小,弯曲弹性模量增大,但总体变化幅度较小。矢量网络分析仪测试结果表明,随着石墨烯含量的增加,环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯复合材料的介电常数逐渐增大,磁导率几乎不变,介电损耗正切角值逐渐增大。分析反射损耗计算结果可知,环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯吸波复合材料的吸波性能主要由复合材料的厚度和石墨烯含量决定,随着复合材料厚度的增大,反射损耗峰值逐渐朝低频移动;随着石墨烯含量的增加,复合材料的吸波性能逐渐增大。当石墨烯质量分数为2.5%、复合材料厚度为1.7mm时,环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯复合材料具有最佳的吸波效果,此时反射损耗峰值为-11.8dB,有效带宽为1.45GHz。

APP/ZB协效阻燃发泡木塑复合材料性能研究

为了拓宽发泡木塑复合材料(FWPC)的功能性,以沙柳木粉、高密度聚乙烯(PE-HD)为主要原料,纳米炭黑(Nano-CB)为导电填料,聚磷酸铵(APP)和硼酸锌(ZB)作为阻燃剂和抑烟成分进行复配,采用发泡工艺和模压法制备阻燃抗静电型发泡木塑复合材料。研究APP/ZB协效阻燃剂质量比对FWPC力学性能、阻燃抑烟性能及热稳定性能的影响。结果表明:当APP/ZB总加入量为20%,质量比为4∶1时,FWPC的各项性能相对较优,静曲强度、弹性模量、拉伸强度和冲击强度分别为30.11MPa、2636MPa、14.65MPa和3.72kJ/m^(2),氧指数达27.3%,属难燃级别;与单独加APP时相比,力学性能降低,烟释放速总量降低11.93%,CO产率峰值和平均CO产率分别降低80.6%和49.3%,总失重率从63.53%降至61.42%,热稳定性能提高;FWPC燃烧后炭层表面凹凸不平,复合材料的阻燃和抑烟性能得到提升。

挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度的可靠性及灵敏度分析

以挖补修理复合材料蜂窝夹芯结构为研究对象,考虑胶层性能的不确定性,通过ABAQUS-MATLAB-Python联合仿真,建立挖补修理蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进损伤分析模型,得到随机变量与其所对应的输出响应。基于蒙特卡罗法进行可靠性分析,采用基于方差和失效概率的全局灵敏度分析方法进行参数灵敏度分析。结果表明:外载荷在不同数值区间下结构失效概率具有较大差异,在接近极限破坏载荷时失效概率显著增加;胶层厚度方向的弹性模量和面内两个相互垂直方向上的剪切模量对挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度方差和失效概率的影响较大。

道路沥青紫外老化及抗老化材料研究综述

道路沥青材料在使用过程中由于长期受到太阳光紫外辐射作用会产生紫外老化现象,并且这种现象在紫外辐射强度高的地区更明显。紫外老化会使沥青的物理特性和化学组成发生改变,从而导致沥青黏塑性上升、低温和疲劳性能下降、使用裂缝增加,进而劣化路面的耐久性、影响沥青路面的运营品质和服役寿命。为了防止和延缓紫外老化的产生和发展,可在道路沥青中添加抗老化材料以增强其抵御紫外老化能力,同时延长沥青路面的使用寿命并降低其性能的衰变速率。本文阐述了基于自由基和胶体理论的紫外老化机理;从处理方式、光源与辐射强度选择等方面介绍了室内模拟老化试验条件;总结了紫外老化对沥青物理和流变性能、组分构成、微观形貌、特征峰和官能团等宏微观特性的影响;归纳了现行抗老化材料的优缺点和使用情况。分析表明后期可在老化机理深度、试验方法标准化、室外老化监测、微观数值模拟、抗紫外老化剂针对性和抑制紫外老化措施等方面开展进一步研究。

膨胀石墨基相变储能材料的制备及性能研究

以膨胀石墨作为主导热材料,石蜡作为相变储热材料,通过真空浸渍法制备了膨胀石墨-石蜡复合相变储能材料,研究了石蜡质量分数对复合相变储能材料微观形貌、物相结构及热性能的影响。结果表明,膨胀石墨和石蜡反应后生成的复合相变储能材料主要依靠物理吸附结合,石蜡均匀覆盖在膨胀石墨的表面以及孔隙中,当石蜡质量分数为91%时,复合相变储能材料的密封性和结构致密性最佳,几乎不发生泄露。随着石蜡质量分数的增加,复合相变储能材料的熔点逐渐增大,热分解温度逐渐提高,石蜡质量分数91%的复合相变储能材料相比石蜡质量分数85%的相变材料热分解温度提高了约15℃。随着石蜡质量分数的增大,复合相变储能材料的导热系数和热扩散系数持续降低,密度先降低后增加,比热持续增大。当石蜡质量分数为94%时,复合相变储能材料的导热系数和热扩散系数均为最低值,分别为2.492 W/(m·K)和0.605 mm^(2)/s;当石蜡质量分数为91%时,复合相变储能材料的密度为最小值0.794 g/cm^(3),对应比热为5.462 J/(g·K)。分析可得,石蜡质量分数为91%的复合相变储能材料的综合性能最佳。

桥梁工程中的纤维增强树脂基复合材料应用进展

为满足恶劣环境条件下现代化桥梁工程高质量建造所需材料的力学性能、耐腐蚀性及耐疲劳性等要求,基于纤维增强树脂基复合材料的优异性能,从公路桥、观赏桥、梁式桥以及超大跨度悬索桥等不同工况要求下的桥梁建设出发,总结了纤维增强树脂基复合材料的发展与应用现状。指出纤维增强树脂基复合材料在桥梁工程应用中仍存在应力损失、受风力影响大及回收处理难等弊端,并提出了主要的解决思路。

纳米SiO_(2)复合粒子/有机硅低聚物透明超疏水复合涂层的制备及其性能

将Stöber法制备的胶体SiO_(2)粒子溶液与粉体SiO_(2)粒子进行物理共混得到SiO_(2)复合粒子溶液,以三乙氧基甲基硅烷(MTES)与正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体制备的酸性有机硅低聚物为黏结剂,使用3-氨丙基三甲氧基硅(KH540)与全氟癸基三甲基氧硅(PFDT)对其进行改性,通过喷涂法在玻璃基底上制备出SiO_(2)复合粒子/酸性有机硅低聚物复合透明超疏水涂层。考察了SiO_(2)复合粒子、酸性有机硅低聚物、KH540及PFDT对复合涂层的影响。结果表明,当SiO_(2)复合粒子溶液由粒径为110 nm的胶体SiO_(2)粒子溶液与粒径为50 nm的粉体SiO_(2)粒子(其用量为胶体SiO_(2)粒子溶液质量的1%)组成、SiO_(2)复合粒子溶液与酸性有机硅稀释液质量比为4∶1、KH540与PFDT的添加量(以混合液总质量计,下同)均为1%时,制备的复合涂层在可见光波长范围内透光率可达88%,静态接触角达155°,在800目砂纸上磨损60 cm后仍能保持超疏水性能,具有良好的自清洁性。

高韧性炭/炭复合材料的制备及研究

C/C复合材料是一种高性能新型复合材料,但是脆性大、韧性差的缺点限制了其广泛应用。因此,本研究利用化学气相渗透(CVI)法,设计并制备了三种C/C复合材料,基体炭分别为粗糙层、光滑层以及粗糙层/各向同性层带状结构热解炭,研究了C/C复合材料的微观结构、沉积机理、断裂行为和增韧机制。结果表明,三种C/C复合材料的抗弯强度分别为189.1、191.5、233.5 MPa。粗糙层和带状结构炭基体的C/C复合材料为假塑性断裂,而光滑层炭基体的C/C复合材料则是明显的脆性断裂。与粗糙层炭基体的C/C复合材料相比,带状结构炭基体的C/C复合材料通过不同结构热解炭之间的界面滑动,使得应变量增加了约70%,韧性得到了提升。因此,通过控制CVI工艺参数,实现带状结构热解炭制备,可以有效优化C/C复合材料的韧性。

微细金属Z-pin对复合材料开孔板压缩性能的影响

通过开孔板压缩试验和建立的参数化多尺度有限元模型,获得微细(φ0.11 mm)金属Z-pin植入体积分数和排布方式对开孔板压缩力学性能和失效行为的影响规律.采用离散实体单元代表Z-pin,选用3D Hashin失效准则判断面内起始损伤,可以有效地模拟结构失效过程中扭结现象的不稳定扩展.结果表明,所有加Z-pin开孔板的压缩强度均低于无Z-pin试样.随着Z-pin植入体积分数的增加,Z-pin与层合板之间的桥联作用增强,加Z-pin开孔层合板压缩强度增加,开孔周围分层损伤区域受到抑制,损伤区域面积最高减小了67%.在相同的体积分数下,Z-pin排布变化对开孔板压缩强度没有显著影响.加Z-pin开孔板有限元模型的模拟结果与试验结果之间的最大相对误差为8.6%.

水热反应温度对ZnIn_(2)S_(4)/Bi_(2)WO_(6)复合催化剂的影响研究

为解决传统半导体光催化剂可见光响应能力弱、光生电子空穴复合快、能带结构导致载流子氧化还原能力弱等问题,采用水热法制备ZnIn_(2)S_(4)/Bi_(2)WO_(6)(ZlS@BW)复合催化剂并系统研究水热反应温度对其结构性能的影响。当水热温度从80℃升高到160℃,ZlS@BW复合光催化剂结晶度提高,形貌转变为致密核壳结构,比表面积和光电性能先降低再升高,氟伐他汀去除率逐步上升。而当温度升高到200℃时,核壳结构遭到了破坏,比表面积和光电性能变差,氟伐他汀的降解效果降低,光催化性能下降。结果表明,水热温度为160℃时,制备的ZlS@BW复合光催化剂晶型结晶程度较高,且形貌致密,比表面积最大,产生的瞬态光电流最大,阻抗半径最小,具有最优光催化性能。对污染物氟伐他汀降的降解效率最高,可达到75.47%。

导热绝缘高密度聚乙烯复合材料的制备与性能

文中采用片层状绝缘导热六方氮化硼(h-BN)和高导热导电铜粉(Cu)复配填充来提升高密度聚乙烯(HDPE)的导热性能。控制导热填料总体积分数为30%,通过改变h-BN和Cu在HDPE中的复配比例,实现复合材料中导热网络通路的构建。扫描电镜结果表明,h-BN进入Cu粉无法占据的HDPE基体,起到桥梁作用。h-BN通过连接其周围的Cu粒子,促进了HDPE内部导热网络的形成与构筑。Hot Disk测试结果表明,随着h-BN/Cu比值增加,HDPE复合材料导热系数增大。当V(h-BN):V(Cu)≤1时,大片径h-BN_(30)/Cu体系的热导率高于小片径h-BN_(05)/Cu改性体系;与之相反,当V(h-BN):V(Cu)>1时,相对于大片径h-BN_(30),小片径h-BN_(05)对复合体系热导率的贡献更明显。通过调控h-BN与Cu的含量,实现了在抑制导电网络形成的前提下大幅改善复合材料的导热性能。其研究工作为导热绝缘复合材料的设计制备提供参考。

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%。

含开孔与含裂缝的复合材料层压板拉伸剩余强度评估

为研究含开孔和裂缝的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层压板在拉伸载荷作用下的剩余强度,针对四种典型铺层、两类损伤形式、四种损伤尺寸的约200件试验件进行了试验研究。结果表明:对于具有相同铺层、相同宽度的复合材料层压板,开孔直径与裂缝长度相等时,两类层压板有相同的剩余强度;加载过程中,裂缝根部较早出现裂缝、分层,应力重新分配,降低了裂缝根部的应力集中。基于损伤区纤维断裂判据、经典层压板理论及复变函数理论的强度计算方法能较准确地计算出含开孔的复合材料层压板剩余强度;计算含裂缝复合材料层压板剩余强度时可将裂缝损伤等效为开孔损伤,计算结果与试验结果吻合较好。

含镍铬合金丝纬编电热层复合材料的拉伸性能

为开发一种航空飞行器防冰用电热复合材料,选取3种细度的镍铬合金丝,基于平针、罗纹和双罗纹3种纬编结构,优选了6种镍铬合金丝纬编电加热织物,以镍铬合金丝纬编织物为电热层,制备玻璃/环氧电热复合材料,并采用实验方法研究了镍铬合金丝细度和纬编结构对电加热织物及其复合材料的电热性能和对复合材料拉伸性能的影响。结果表明:同种纬编结构,镍铬合金丝细度较大,织物电热转换效率较低,电加热织物及其复合材料表面最高平衡温度较高,电热复合材料拉伸强度较小;同种镍铬合金丝细度,在11 V直流电压30 s下,平针组织电加热织物为电热层的复合材料表面温度由室温升高到74.1℃,升温速率达1.63℃/s,较罗纹和双罗纹组织升温速率分别高154.69%和33.61%;平针组织电加热织物为电热层的复合材料的拉伸强度为450.2 MPa,较罗纹和双罗纹组织拉伸强度分别高3.68%和4.53%。初步工作表明,含镍铬合金丝纬编电热层复合材料有望满足航空飞行器防冰用电热复合材料的需求。

三维机织复合材料的连接性能与失效机制

为了研究织物结构对三维机织复合材料连接性能的影响,设计了多层多向机织结构和层联机织结构复合材料,建立了开孔连接结构宏细观耦合分析模型,揭示了三维机织复合材料连接失效机制。研究表明:±45°纱所占的比例对复合材料机械连接的挤压强度具有重要影响,±45°纱线的引入,可以提高承载纱线的含量,能够有效改善孔边的应力集中现象;多层多向机织复合材料主要发生0°纱、90°纱和斜向纱的横纵向的损伤,损伤最初发生在孔边并逐渐扩展且呈对称分布,载荷的传递方向和损伤的传播方向呈现角度的特征。

硅烷偶联剂改性的短切玄武岩纤维增强三元乙丙橡胶复合材料的研究

将玄武岩纤维(BF)用硅烷偶联剂KH570改性后,制备了玄武岩纤维增强三元乙丙橡胶(E-BF7)复合材料,研究了玄武岩纤维用量对复合材料力学性能、热稳定性、动态热力学性能、耐水性能以及耐化学液体性能的影响。结果表明:与未加纤维的三元乙丙橡胶相比,添加15份KH570改性的玄武岩纤维BF7得到的三元乙丙橡胶复合材料E-BF7-15,拥有更好的综合性能。其拉伸强度从12.49MPa提高到14.50MPa,提高了16.1%,撕裂强度从41.47MPa提高到51.67MPa,提高了24.6%,其耐水性和耐化学液体性能也得到明显提升。

煅烧菱镁矿对油井水泥石综合性能的影响

【目的】解决油井水泥在水化过程中因体积收缩而导致水泥环出现微裂缝、进而出现一系列固井作业安全问题。【方法】以菱镁矿为原料,采取不同的煅烧工艺制备具有不同活性的氧化镁膨胀剂(magnesia expansive agent,MEA),探讨煅烧工艺对MEA的微观结构和活性的影响,研究掺加不同活性MEA的油井水泥石的膨胀性能、抗压强度和渗透率性能。【结果】菱镁矿煅烧温度为900℃、煅烧时间为30 min时,菱镁矿出现欠烧现象,制得的MEA虽然活性较高,但膨胀性能较弱,水泥石的14 d线性体积膨胀率仅为5.37‱;菱镁矿煅烧温度为1200℃、煅烧时间为90 min时生成的MEA活性较低,MEA水化所需诱导时间较长,水泥石体膨胀量较小,水泥石的14 d线性体积膨胀率仅3.26‱。【结论】活性较高且有效成分多的MEA水化产生较大的膨胀力会破环水泥石的内部结构,综合考虑掺MEA水泥石的膨胀性能、力学性能、渗透率性能,菱镁矿最优煅烧方法为煅烧温度1100℃、煅烧时间90 min。

基于热分解的舰用复合材料S2/430LV热工参数

为了研究S2/430LV在热分解前后的热工参数,首先利用热重分析仪对氮气环境中S2/430LV复合材料和430LV树脂进行30~800℃环境下热重试验,分析了两种材料在不同升温速率下热分解响应特征;然后,基于阿伦尼乌斯方程,采用微分法与积分法相结合的方法,确定了S2/430LV热分解动力学参数。研究结果表明:430LV树脂和S2/430LV复合材料在氮气环境中均呈现单一热分解过程,纤维织物会促进430LV树脂基体热分解反应;采用Kissinger方程和Flynm-Wall-Ozawa方程确定S2/430LV活化能取值范围;利用Coats-Redfern方程确定S2/430LV最优热分解机理函数和指前因子,从而建立分解率和温度的函数关系式;采用混合定律,建立了考虑材料分解的热工参数模型。研究结果可为舰艇复合材料结构耐火传热性能研究提供有效数据支撑。