用于三维机织物预成形变形预测的各向异性超弹性本构模型

随着三维机织物逐渐广泛应用在航空发动机叶片、机匣等复杂曲面结构的制造方面,预测三维碳纤维机织物在曲面结构制造的预成形过程中的复杂变形行为对提升纤维结构的成形质量具有重要意义。基于连续介质力学理论,本文提出一种各向异性超弹性本构模型描述三维机织物在成形过程中由于大变形所引起的各向异性力学变形行为。通过三维机织物的变形试验,建立了应变能密度函数,获取了三维机织物材料参数,并通过偏轴拉伸、半球冲压预成形有限元仿真与试验对比,验证了本文提出的超弹性本构模型的有效性。超弹性本构模型的提出可对三维机织物成形的有限元仿真模型与成形工艺优化设计起指导作用。

结构-功能一体化异种复合材料壁板优化与验证

基于航空壁板结构承载-电气功能的一体化需求,对适用于智能蒙皮的异种复合材料壁板开展了优化设计与试验验证。通过在高模量碳纤维蒙皮的外侧增加玻璃纤维层,进行了以碳纤维-玻璃纤维-金属结构单元阵列-玻璃纤维复合顺序的壁板承载-电气功能一体化设计。针对异种复合材料结构的铺层优化需要考虑共胶接的分区域及铺层连续性的工艺要求,发展了基于丢层序列的优化方法,并对于加筋壁板的几何外形、筋条数量、筋条几何参数以及筋条与蒙皮的铺层角度进行了优化设计。通过压缩稳定性试验验证了该结构在承载能力和稳定性方面的收益,明晰了其压缩载荷下的屈曲模态及后屈曲失效机理。

高透光纳米SiO_(2)/碱性有机硅低聚物复合自清洁涂层的制备

制备了一种具备高透光性的SiO_(2)/碱性有机硅低聚物超疏水复合自清洁涂层。首先以正硅酸乙酯(TEOS)为原料、全氟癸基三甲基氧硅烷(PFDT)为改性剂,通过Stober法得到SiO_(2)改性粒子溶液,然后以TEOS与γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)为预聚物、PFDT为改性剂,在碱性条件下制备出改性的机硅低聚物溶液。将改性的SiO_(2)溶液与改性的碱性有机硅低聚物溶液按比例混合,最后将混合溶液喷涂于载玻片上,室温下静置6h得到透明超疏水自清洁涂层。探究了有机硅低聚物中TEOS、KH560以及氨水的量对复合涂层的影响。结果表明:当氨水、TEOS、KH560的量分别为1mL、6mL、0.4g,SiO_(2)改性溶液与碱性有机硅低聚物量的比值为2∶1时,涂层的接触角达到150°,透光率为91%,附着力为1级。涂层具有良好的自清洁性能,在经过300℃的高温加热后仍保持其疏水性。涂层制备工艺简单,适用于大规模工业生产。

自褶皱UV固化聚氨酯丙烯酸酯木制品涂层的低光泽及抗指纹性能

【目的】褶皱结构广泛存在于自然界和我们的生活中,受这类天然结构的启发,人工制备的表面褶皱结构可以赋予材料低光泽度和抗指纹等一系列特殊性能。为了探究褶皱结构在木制品涂层上的应用,从褶皱形貌的变化来系统解释褶皱对涂层宏观性能的影响。【方法】通过LED灯–准分子灯–UV汞灯分段固化系统,制备了一种可以在木制品表面自发形成褶皱的聚氨酯丙烯酸酯涂层,并进一步调节固化系统中的辐照能量,使涂层具有可控的光泽度和抗指纹性能。【结果】当LED灯–准分子灯–UV汞灯辐照能量分别为200、15和300 mJ/cm^(2)时,涂层在85°时的光泽度为5.2;此时涂层具有良好的抗指纹性能,表面的指纹可以在30 s内消失;涂层的机械性能也有一定提高,磨耗量达到最低为0.05 g/100 r,硬度由H提升为4H,附着力由2级提升为0级。同时对自褶皱涂层的耐久性也进行了研究,研究发现涂层在经过500次抗指纹测试后仍然能保持较低的光泽度。另外,由于褶皱表面的存在,涂层表面具有较好的耐黄变性能。【结论】通过调节辐照能量可以改变自褶皱结构的波长和振幅,对聚氨酯丙烯酸酯涂层表面结构进行简单、高效和大规模的调控,褶皱表面使涂层具有低光泽和抗指纹的性能,同时提高了涂层的力学性能。

锆离子作用下镀锌板刷涂磷化-皂化工艺及膜层性能

[目的]对于一些应用于特殊场合的镀锌板,在磷化后还要进行皂化处理,以满足摩擦因数低及耐蚀性优良的使用要求。[方法]采用刷涂的方式对镀锌板磷化处理后再皂化。对比了镀锌板经不同工艺处理后的表面微观形貌、动摩擦因数和耐蚀性。研究了刷涂磷化液中添加不同质量浓度(0~20 g/L)的锆盐时对磷化-皂化膜层表面微观形貌和动摩擦因数的影响。[结果]皂化处理可提高磷化膜表面的平整性和均匀性,降低磷化膜的动摩擦因数,但对磷化膜水接触角的影响很小。磷化液中添加锆盐可以有效降低磷化-皂化膜层的动摩擦因数,令其满足动摩擦因数小于0.16的应用要求。[结论]通过刷涂方式可在镀锌板表面获得动摩擦因素低、耐蚀性好的磷化-皂化膜,有望实现工程化应用。

碳化硅微结构超声辅助磨削试验研究

为了提高无压烧结碳化硅微结构加工质量,开展了普通磨削和超声辅助磨削对比试验,探究了工艺参数对加工质量的影响规律。结果表明,加工过程磨削力、表面粗糙度及棱边圆弧半径均随主轴转速的提高而降低、随进给速度的提升而增大,且进给速度对磨削力的影响远大于主轴转速,但对于表面粗糙度和棱边圆弧半径,两工艺参数对其影响程度类似;超声振动可有效降低磨削力、表面粗糙度和棱边圆弧半径,降幅分别为(9.4~34.6)%、(12.9~28.9)%、(4.8~16.3)%;加工表面微观形貌表明,材料在加工过程中塑性去除行为与脆性去除行为并存,超声辅助磨削更易实现塑性去除,故所得加工质量较好。

陶瓷基复合材料可磨耗环境障涂层制备及性能

随着碳化硅陶瓷基复材制备的涡轮外环的逐步应用,与其匹配的可磨耗涂层技术需求迫切。本工作采用大气等离子喷涂技术,制备4层结构的BSAS(Ba_(0.75)Sr_(0.25)Al_2Si_2O_8)-聚酯基可磨耗环境障涂层(A/EBCs),探究工艺参数对可磨耗面层孔隙率的影响规律以及涂层在1300℃下的相结构和组织演变。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)对涂层相结构、微观组织及成分进行分析表征。结果表明:BSAS-聚酯基可磨耗面层的孔隙率为26.4%~36.8%,BSAS-聚酯粒子温度敏感的参量是主气(氩气)流量、辅气(氢气)流量和喷涂距离,速度敏感的参量是主气(氩气)流量;其中主气(氩气)流量同时对BSAS-聚酯的粒子温度和速度具有反向影响作用。该可磨耗面层在1300℃高温氧化300 h保持单斜相结构,组织和成分稳定,局部析出球状非晶氧化硅颗粒。采用高温高速刮削实验对涂层可磨耗性能进行评价,涂层表面发现纳米高温合金微粒黏附,叶片高度磨损比(IDR)为20%,达到可磨耗封严涂层使用要求。

预处理方法对定向有机玻璃表面性能及黏结强度影响

为研究不同表面预处理方法对定向有机玻璃表面性能以及与热塑性聚氨酯(TPU)间黏结强度的影响规律及机理,使用AFM、FTIR和接触角测量仪测定酸处理、等离子处理和过渡层处理后定向有机玻璃的表面化学组成、粗糙度与表面接触角,并使用90°剥离实验测试预处理前后定向有机玻璃与TPU之间的黏结强度。结果表明:酸处理和等离子处理后定向有机玻璃表面粗糙度和表面极性增加,同时表面润湿性能得到改善,使黏结强度分别上升了14%和22%;而过渡层预处理提高了基材与TPU的化学相容性,处理后定向有机玻璃表面极性与TPU相近,降低了界面张力,明显改善界面黏结性能,黏结强度由4.44 kN/m上升至23.61 kN/m。

蓄能发光涂层应急照明试验测试及其在桥涵通道工程中的应用前景分析

试验测试蓄能发光涂料涂层的亮度余辉,分析其涂层厚度与亮度关系,结果显示,多功能蓄能发光涂料涂层在厚度为0.35 mm时,余辉时间为13.5 h,蓄能发光涂层亮度随厚度先增加后达到饱和状态,负离子释放量超过1500个/cm^(3),在桥涵隧道工程中具有较好的应用前景。

海上光伏的腐蚀破坏与防护措施

随着国家“双碳”目标的提出,新能源行业进入高速发展的阶段,海上光伏具有利用空间广、发电效率高等优势,使其作为一种可持续发展的能源解决方案备受关注。但海上光伏由于其环境的特殊性,给生产运维工作带来了新的挑战,尤其是光伏组件桁架及桩基材料的腐蚀成为制约其大规模发展和应用的关键。为对海上光伏的腐蚀问题有全面的理解,本文对海上光伏系统的相关类型进行分类,分析其在海洋环境下的腐蚀机理,系统性介绍腐蚀防护解决方案。

利用拉曼技术检测抗原抗体的研究与进展

判断病毒是否入侵体内,抗原检测、抗体检测是继核酸检测方法后最常用的两种检测技术。抗原检测主要是通过检测病毒的抗原,检测病原体对应的特异性抗体即为抗体检测。最近这几年随着病毒的增多,涌现出了大量新型的检测技术,其中,利用拉曼技术在抗原抗体的研究方面,不仅能快速与准确地检出,还能检测超低痕量的样品。本文聚焦于拉曼技术在抗原抗体检测中的研究进展,从应用拉曼光谱的方法入手,重点阐述了科研人员基于拉曼技术原理在不同样本的研究,并展望拉曼技术在实际应用中的前景。本文通过综述拉曼检测技术在不同抗原抗体中的研究与进展,有望为科研工作者实现超低痕量检测,快速、灵敏、简单的检测手段提供新思路。

基于T700钻削工艺参数对轴向力影响的仿真研究

碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天、兵器装备等领域。对于碳纤维复合材料钻削仿真研究目前刚刚起步,轴向力影响着装配孔的质量,故针对T700型碳纤维复合材料利用ABAQUS进行钻削仿真,研究轴向力与工艺参数的变化规律。将仿真得到的轴向力与试验进行对比分析,验证仿真模型的合理性,试验值与仿真值的轴向力对比误差在15%左右。再基于最小二乘法,利用仿真钻削数据,对轴向力进行拟合,拟合出回归方程,理论值与试验值对比误差在10%左右。再对不同参数下的受压损伤应力云图进行分析后,得出在418.67 r/s下,0.83 mm/s时,分层因子最小,此时装配孔质量最好,为T700型碳纤维复合材料的钻孔工艺提供实用的指导。

多维超声振动铣削Ti2AlNb合金试验研究

Ti2AlNb合金的硬脆性较大,传统的切削工艺在切削加工中存在的切削热高导致刀具耐用度低和加工质量差等问题。本文采用切削仿真与试验研究相结合,应用二维、三维超声振动切削和普通切削进行Ti2AlNb合金切削特性的对比研究。结果表明:超声振动的三向切削力小于普通切削的,沿刀具进给方向,二维和三维超声振动相对于普通切削的切削力最大分别下降了48.6%和28.3%。3种不同的切削方式在相同的切削参数下加工出完全不同的表面微织构形貌,三维超声振动加工出“麦穗状”,且“麦芒”出现在超声分离特性较强的刀具进给方向上。随着机床转速增加,二维超声振动产生的粗糙度值相对于普通切削下降率最大为45.3%。随着振幅增加,超声振动引起的刀屑分离作用增强,在刀具二维超声振动振幅为8μm时,工件表面粗糙度下降了64.5%。试验结果表明,超声振动加工是提高Ti2AlNb合金的切削性能的有效手段之一。

高速超声振动铣削钛合金实验研究

针对钛合金在普通铣削(CM)时因切削速度低而面临的切削力大、薄壁工件变形大、加工效率低、刀具磨损严重等问题,采用高速超声振动铣削(HUVM)方法加工钛合金,实验研究其加工表面质量和切削力。从运动学角度出发对HUVM方法进行运动学分析。搭建包括超声振动系统、加工系统及测量系统在内的高速超声振动铣削实验平台。采用单因素实验对比CM和HUVM这2种方法对钛合金加工切削力和表面质量的影响规律。研究结果表明:与CM加工相比,HUVM加工可以使切削力降低32.6%~35.3%。并且HUVM加工表面粗糙度虽略有增加,但是表面结构可以更加均匀;此外,HUVM加工表面残余应力均为压应力,其绝对值随着每齿进给量和切削速度的增大而降低,而CM加工表面残余应力为拉应力。

自动铺丝压实力导纳控制器设计与参数优化方法

铺放压实力是连续纤维复合材料结构自动铺放成型的关键工艺参数之一。由于多数铺丝设备刚性高且位控精度不足,往往容易导致压实力波动较大,严重影响成型质量。因此,面向纤维预浸料自动铺放成型过程中压实力的柔顺控制要求,构建铺丝设备压实机构与成型模具间的二阶等效模型,设计一种基于导纳控制原理的铺放压实力控制器,采用烟花群体智能算法对控制器的惯性参数、阻尼参数及刚度参数进行优化求解,并通过建模仿真与铺放试验验证铺放压实力导纳控制器的有效性。

高熵稀土盐类热障/环境障陶瓷涂层体系研究进展

高熵陶瓷是近年来新型陶瓷研究领域的一大热点,在航空工业领域有着巨大的发展和应用前景。基于高熵策略设计的高熵氧化物陶瓷涂层可以较好地解决当前热障/环境障涂层在高温下服役寿命、抗氧化性、抗CMAS(钙镁铝硅氧化物)腐蚀等关键性能不足的问题。综述了近几年不同体系的五元高熵稀土盐类材料在热障/环境障涂层领域作为候补材料的研究进展,总结了该类材料在结构、性能及主要应用领域方面的特点。最后展望了高熵稀土盐类陶瓷涂层的发展方向,为新材料体系的进一步研发和关键性能优化提供思路。

基于Transformer的复合材料多源图像实例分割网络

为提高复合材料铺放质量,辅助现场人员快速对缺陷进行检测,提出一种基于Transformer的复合材料多源图像实时实例分割网络Trans-Yolact,用来对复合材料缺陷进行检测、分类、分割。在Yolact网络框架基础上,针对复合材料缺陷特点,从空间域与通道域两个维度,增强网络对复合材料缺陷的检测能力。在空间域上,常规卷积核具有空间尺度的局限性,对狭长形、大尺寸缺陷的检测效果不佳。因此,采用CNN+Transformer架构的BoTNet作为基础主干网络;同时将Transformer引入Yolact网络的FPN结构中,增强网络从非局部空间中获取信息的能力。在通道域上,采用红外与可见光联立的检测方式,并改进主干网络浅层结构,将其分为可见光通道、红外通道、混合通道,混合通道中引入通道域注意力机制,进一步增强网络对红外与可见光图像的综合判断能力。实验结果表明:改进后Trans-Yolact对复合材料缺陷mAP为88.0%,较基准Yolact网络提高5.5%,缺丝、扭转等狭长形缺陷AP提高15.2%、5.1%,包含部分大尺寸缺陷的异物类缺陷AP提高9.1%。最终对Trans-Yolact网络进行结构化剪枝,剪枝后较基准Yolact网络减少26.5%的计算量(FLOPs)、减少44.7%的参数量;检测帧数提高58%,达到57.67 fps。并在大型龙门复合材料自动铺放设备上进行在线测试,可以满足生产过程最大铺放速度1.2 m/s下,复合材料缺陷的实时检测分割。

双层氧化物生长下热障涂层的界面失效与应力演化

在长时高温服役环境下,热障涂层(TBCs)会在内部的陶瓷层(TC)和粘结层(BC)之间生成由Al_(2)O_(3)层和混合性氧化物层(MO)组成的双层热生长氧化物(TGO)。其中,后期生成的MO由于其疏松多孔、脆性大等特点,极易造成涂层内微裂纹的形成和扩展,导致涂层的过早剥落。因此,依据双层TGO生长的扩散—氧化模型,在考虑材料非线性变形行为的基础上,运用生死单元法模拟TBCs内双层TGO异向生长下涂层界面的失效与应力演化过程。结果表明:MO的生长会大幅提升涂层界面的拉伸应力水平,易导致MO/TC界面在高温阶段波峰区域和冷却阶段斜坡中心区域发生破坏及失效;MO/TC界面的失效会引起BC层波峰处更高的拉伸应力,促进冷却阶段Al_(2)O_(3)/BC界面从波峰向波谷的破坏;MO/TC界面失效后,h_(Al_(2)O_(3))/h_(MO)的增加会加速Al_(2)O_(3)/BC界面的破坏。

超声增材制造在航空航天领域的应用进展

金属超声增材制造是一种低温、固态的加工技术,其原理是在近室温环境中通过超声波振动在金属带材之间建立冶金结合,制造过程中金属不会熔化。利用超声增材与机械加工相结合的技术能够制备出精细的内外部结构。然而,超声增材层间结合机理仍在不断研究中,层间界面微结构和结合质量与工艺参数间的关系不清晰,使得界面处容易发生失效,加之目前应用的材料体系范围有限,导致超声增材的应用受到极大限制。因此,国内外的工作主要集中在以下四个方面:(1)层间结合机理研究;(2)超声固结工艺参数优化及建模;(3)异种材料结合特性研究;(4)支撑材料研究。现有研究表明,塑性成形是层间结合的主要驱动力,而加工过程中界面处的晶粒破碎以及动态疲劳破坏会导致层间结合变弱;利用试验和数值模拟研究,明确了振动振幅、焊接速度、下压力和固结宽/高比是影响结合强度的重要工艺参数,通过建立不同材料的工艺窗口,可指导实际加工过程;钛、铝、铜、不锈钢等面心立方体金属之间具有好的结合强度,而对非面心立方体材料而言Al1100和Al3003是理想的结合材料,在铝合金基材中嵌入SiC纤维和NiTi形状记忆合金时,其结合强度主要受振动振幅、速度、下压力、基体预热温度以及嵌入纤维方向等过程变量的影响;对于支撑材料,选择坚硬且熔点高于焊接温度的支撑材料更容易获得高质量的结构件,如无铅焊料等。与此同时,金属超声增材在航空航天领域的应用探索也在同步开展,已实现的典型应用包括高效换热器、电子元器件植入和表面修复等。本文介绍了超声增材制造技术的基本过程及原理,综述了国内外关于该技术的研究现状,总结了该技术在航空航天领域的应用情况,分析了未来的发展趋势,旨在进一步拓展金属超声增材制造技术在航空航天领域的应用范围。

磨料水射流铣削钛合金深度与表面粗糙度研究

磨料水射流铣削技术柔性大、工艺参数复杂,其加工性能难以有效控制。针对这一问题,本文首先通过响应曲面法研究了磨料水射流铣削钛合金时典型工艺参数对铣削深度和表面粗糙度的影响,并采用传统回归方式建立了经验预测模型;其次在结合磨粒磨损理论、高斯轮廓模型和表面成形分析的基础上,进一步建立了铣削深度和表面粗糙度的半经验预测模型;然后利用实验数据进行了参数标定;最后通过实验验证和对比了两种模型。结果表明,两种预测模型的平均误差均小于15%,相比经验模型,半经验模型既可以解释参数影响和铣削机理,又可以保证预测的准确率和稳定性,对于控制铣削深度和表面质量具有重要价值。