Multi-objective Optimization of Co-cured Composite Laminates with Embedded Viscoelastic Damping Layer

Presented herein is a methodology for the multi-objective optimization of damping and bending stiffness of cocoured composite laminates with embedded viscoelastic damping layer. The embedded viscoelastic damping layer is perforated with a series of small holes, and the ratio of the perforation area to the total damping area is the design variable of the methodology. The multi-objective optimization is converted into a single-objective problem by an evaluation function which is a liner weigh sum of the two sub-objective functions. The proposed methodology was carried out to determine the optimal perforation area ratios of two viscoelstic layers with different perforation distance embedded in two composite plates. Both the optimal perforation area ratios are approximate to 2.2%. However, the objective value of the plate with greater perforation distance in embedded viscoelatic layer is much greater.

CNT薄膜电热原位共固化复合材料板的温度均匀性研究

碳纳米管(CNT)薄膜电加热原位共固化复合材料是一种免热压罐的高效节能工艺方法,是国家“双碳”战略下制备碳纤维复合材料的新途径。然而,在固化过程中CNT薄膜电加热的不均匀温度分布,易导致复合材料成型质量差,进而限制其应用。为此,研究揭示了CNT薄膜的电加热特性,阐明了加载电压、预浸料层数以及CNT薄膜层数/尺寸对复合材料温度分布的影响规律。结果表明,CNT薄膜具有高电热转换效率和良好的热稳定性,增加CNT薄膜层数和尺寸有利于改善复合材料面内温度分布。对于12层200 mm×180 mm预浸料,采用1.7倍尺寸的双层CNT薄膜可将复合材料固化过程中的面内温差降低至4℃以内,固化度达到99%以上,且相比传统烘箱固化,复合材料的拉伸强度提高了6.99%。研究结果为发展CNT薄膜电热原位共固化复合材料结构的温度均匀调控方法奠定了基础。

聚酰亚胺薄膜与碳网格共固化基板成型工艺研究

为满足未来深空探测对航天器太阳翼基板更高的耐温性需求,提出一种新型的太阳翼基板成型工艺方法:聚酰亚胺薄膜与碳网格面板共固化成型。重点研究了聚酰亚胺薄膜与网格面板的剥离性能、网格面板的拉伸性能、蜂窝夹层结构的弯曲性能、共固化基板的耐温性能,并与J-133胶粘贴聚酰亚胺薄膜的传统工艺进行对比。结果表明,共固化工艺的聚酰亚胺薄膜剥离强度约为传统工艺的2倍,且在140℃下的各项力学性能保持率均大于87%,具有很好的耐温性;共固化基板在经历-100~140℃热真空试验后,外观质量及各项性能均合格,满足太阳翼基板耐140℃及以下空间环境的使用需求。

低温阻尼复合材料的自由能计算及性能研究

为了降低固化温度,设计了一种80℃条件下由阻尼材料、碳纤维/酚醛树脂基体材料组成的共固化阻尼复合材料。应用分子动力学对阻尼材料和酚醛树脂基体材料进行共固化模拟分析,计算二者发生化学反应的自由能,并通过傅里叶变换红外光谱仪对模拟结果进行可行性验证。由正交试验得到与基体材料在80℃共固化的阻尼材料组分,并按铺层工艺和共固化工艺制备出低温阻尼复合材料,探究了低温阻尼复合材料的阻尼性能及界面结合性能随阻尼层厚度变化的规律。结果表明:丁腈橡胶作为阻尼材料具有较好的阻尼性能;随着阻尼层厚度的减小,复合材料层间剪切强度逐渐增大,界面结合性能较好,当阻尼层厚度为0.1mm时,层间剪切强度达到6.2MPa。

复材加筋壁板自动化成型及共固化技术研究

当前,针对复合材料加筋壁板数字化及自动化技术应用的需求日益迫切。采用自动铺带、热隔膜预成型和自动翻转等多项技术,对一体化T形长桁加筋壁板自动化成型技术开展了相关研究,并对工装结构形式、工艺参数、共固化成型等工艺方案的可行性进行了验证,最终以典型民用飞机尾翼壁板的制造为例,证明了所提出的自动化成型技术的有效性,为国内民用飞机自动化成型技术的工程化应用提供了有益参考。

复合材料帽形加筋壁板加捻区质量问题研究

帽形加筋壁板结构的复合材料制件具有比强度高、比刚度高、可设计性良好等优点,在航空航天等工程领域得到了广泛的应用,而加筋结构的三角空隙必须使用捻条进行填充。采用“湿长桁+湿蒙皮”共固化工艺制造帽形加筋壁板复合材料制件时,发现捻条的外形会显著影响制件的成型质量。为了提高帽形加筋壁板制件的成型质量,研究了不同材质的长桁芯模、捻条制备方法、捻条填充量对加捻区长桁及蒙皮质量的影响。结果表明:由专用的加捻模具制备并在(60±5)℃的温度下预压实后,捻条预成型体的外形更精确,与其他结构配合更好;当捻条的填充量修正系数为1.1时,可有效避免蒙皮和长桁出现纤维褶皱;所选用的硅橡胶芯模固化成型后加捻区质量控制更好。

复合材料帽型加筋壁板典型件共固化成型技术研究

文章对复合材料帽型加筋壁板典型件进行了共固化成型技术研究,通过研究该典型件结构发现,该复合材料典型件结构复杂,需要实现加筋与壁板的一体化组合加工。因此,文章采用了共固化成型技术,该技术可以通过一次压力将多个构件进行联合固化,从而实现构件的一体化,且该技术具有成本低、生产效率高的优势,可以推广应用于类似结构的复合材料制造。

不同硫化体系对生物基衣康酸酯橡胶性能的影响

研究了传统硫化(CV)体系、半有效硫化(SEV)体系、有效硫化(EV)体系、过氧化物双叔丁基过氧异丙基苯(BIBP)/三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)硫化体系和酚醛树脂SP1045硫化体系对生物基衣康酸酯橡胶性能的影响。结果表明,BIBP/TAIC硫化体系硫化速率最快,而SP1045硫化体系硫化速率最慢,CV体系、SEV体系和EV体系硫化速率依次逐渐加快;硫黄硫化体系硫化胶的交联密度由大到小依次为:CV体系、SEV体系和EV体系;硫化胶拉伸强度由大到小依次为:SEV体系、SP1045硫化体系、CV体系、EV体系和BIBP/TAIC硫化体系,其中EV体系硫化胶的扯断伸长率和撕裂强度最大,CV体系硫化胶的耐磨性能最好;BIBP/TAIC硫化体系硫化胶具有最优的耐热氧老化性能;与硫黄硫化体系相比,BIBP/TAIC和SP1045硫化体系硫化胶玻璃化转变温度明显向高温方向偏移;CV体系硫化胶60℃时的损耗因子和滚动阻力均为最小;EV体系硫化胶的的有效阻尼温域最宽。

预固化环氧树脂复合材料构件的共固化研究

针对工字梁等由多个预构件组装后采用先进拉挤工艺共固化的制件,通过对部分构件预固化的方式,在保证后续共固化的黏结性能的前提下,降低表面黏度、提高构件的挺括性以便于构件组装。采用差式扫描量热法(DSC)研究M21C预浸料中树脂的固化动力学,确定预固化工艺,并对不同固化度下制件黏性和层间性能进行研究。结果表明:随着固化度的提高,预浸料的黏性不断下降,可通过改变铺放温度调整预浸料黏性。当预固化度为5.5%时,制件共固化时产生尺寸偏差以及纤维扭曲导致层间性能的下降;当预固化度为20%时,所得制件层间性能最好;当预固化度为32%、45%时,搭接界面不能形成完整的三维网状结构,层间性能大幅减弱。

碳纤维复杂构件LCM成型工艺技术发展综述

复合材料液体成型工艺(Liquid Composite Molding,LCM)是纤维增强树脂基复合材料的主流成型工艺之一。随着航空航天工业的发展,高端装备对复合材料构件的性能以及复杂性提出了更多的要求,需要对当前LCM成型工艺进行创新,为此,新型复合材料成型工艺成为研究热点。本文按成型工艺类别划分,分别概述了复合材料LCM成型、自动铺放-液体成型、三维纺织预制体液体成型以及共固化液体成型的工艺原理、工艺特点与工业应用。最后对复合材料LCM成型工艺未来发展方向提出针对性建议。

PMI泡沫夹芯复合材料共固化参数研究

在不同温度和压力的热压罐环境下,测试聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI)的尺寸稳定性,建立尺寸变化率与温度、压力、时间的关系,并结合不同固化参数下碳纤维增强树脂基复合材料的机械性能,得到外形和内部质量满足要求的PMI泡沫夹芯复合材料。

大豆蛋白改性酚醛树脂制备及其固化特性研究

采用富含氨基的大豆蛋白对酚醛树脂进行共缩聚改性,探索蛋白对酚醛树脂低温快速固化的影响。通过检测树脂的pH、固含量、凝胶时间,以及结合红外、热重、差示扫描量热分析等方法对改性的酚醛树脂的各项性能进行研究。结果表明,大豆蛋白改性酚醛树脂具有良好的理化特性和胶接性能,其中30%SPF树脂制备胶合板的胶合强度高,达到1.30 MPa;大豆蛋白与苯酚、甲醛发生了共缩聚反应,形成的大豆蛋白-苯酚-甲醛共缩聚树脂结构具有优异的热稳定性,且具有较低的固化温度。该研究解决了酚醛树脂存在的固化温度高、固化速率慢、高度依赖化石资源等缺点,为其在木材工业中广泛应用提供依据。

垃圾渗滤浓缩液中重金属/氨氮/总磷的协同固化研究

针对垃圾渗滤浓缩液这种高毒性废水,其含多种难降解污染物,对周边生态环境造成严重损害,采用固化/稳定化技术高效且经济,可一步固化/稳定化垃圾浓缩液中的重金属、氨氮和总磷污染物,实现垃圾填埋场废水的零排放。以钢渣为主要原料,制备出高效软土固化剂固化垃圾渗滤浓缩液,通过调配组分可同步固化浓缩液中的重金属离子、氨氮和总磷物质。结果表明:钢渣基软土固化剂能有效降低重金属、氨氮和总磷的浸出浓度,其中有毒重金属离子质量浓度均低于0.3 mg/L,氨氮固结效率高达90.4%,总磷固结效率达95.8%,固化3 d后固结体含水率低于30%,可直接在填埋场就地填埋。提供了处理垃圾渗滤浓缩液全新的方法,操作简单,成本低,处理量大,可以高效运用于大规模浓缩液工程处理,实现垃圾填埋场污染物全量化安全处置。

宽范围高灵敏度的碳基柔性电容传感性能

为了改善柔性电容式传感器灵敏度与测量范围的问题,提出了一种易制备、无微结构的制备方法。以硅橡胶为柔性基底,碳纳米管和石墨烯为导电填料,采用机械共混和热固化工艺制备了柔性碳基介电层,选用铜箔作为传感器上下电极。研究分析了碳基填料和固化温度对介电层灵敏度与弹性模量的影响,并通过万能试验机与数字电桥构成测试回路对传感器传感性能进行测定分析。实验结果表明,混合填充与单组分填充相比灵敏度提高约10倍,较高的固化温度可以有效降低弹性模量;在30 kPa压力下灵敏度高达1.092 kPa-1且在循环载荷下表现出良好的稳定性,响应时间和恢复时间分别达到300 ms与260 ms,并且拥有较低的迟滞特性。

嵌入式共固化阻尼复合材料非线性静力学性能

为研究嵌入式共固化阻尼复合材料(ECDCM)的非线性静力学性能,对铺层角度为0°和45°的ECDCM试件进行拉伸实验和三点弯曲实验,基于复合材料连续损伤理论,在LS-DYNA中建立了ECDCM非线性有限元分析模型,将仿真结果与实验结果进行比较,验证了有限元模型的适用性;通过实验和仿真结果简单分析了ECDCM非线性静力学性能产生机制;使用有限元方法分别研究了不同铺层角度对ECDCM拉伸性能和弯曲性能的影响,并研究了阻尼层厚度对ECDCM弯曲弹性模量的影响。结果表明,ECDCM的材料非线性力学特性主要来源于拉伸时切应力分量导致基体不断产生剪切损伤,导致材料宏观力学性能发生变化;在0°至45°范围内随着铺层角度的增大,ECDCM材料非线性特征愈发显著,在0°~45°范围内,拉伸弹性模量和弯曲弹性模量随着铺层角度增大呈下降趋势,拉伸强度与弯曲强度随铺层角度增大也呈下降趋势;阻尼层的加入使得复合材料被隔断分为上下两部分,使得复合材料的弯曲弹性模量下降,并且在0~0.3 mm范围内阻尼层厚度增大会导致弯曲弹性模量进一步减小。

AC531树脂与胶膜界面相容性研究

本文采用J-116B胶黏剂和J-375胶黏剂,通过共固化的成型方式制备了胶接试样,并对胶接试样进行了湿热加速老化,测试了老化前后胶接试样的拉伸剪切性能,并分析了性能差异原因及界面破坏机理。结果表明:AC531树脂与J-375胶黏剂之间的界面相容性优于AC531树脂与J-116B胶黏剂之间的界面相容性,这是由于AC531树脂与J-375胶黏剂固化反应工艺窗口重合度更高,两者的表观活化能更加接近。

不同丙烯腈含量丁腈橡胶低温共固化复合材料制备与性能表征

为探索80℃低温环境下橡胶和树脂基体复合材料共固化的条件,模拟计算353.15 K(80℃)下的丁腈橡胶(NBR)和E51环氧树脂发生化学反应的自由能,并结合试验实现了NBR N41和NBR N220S阻尼复合材料的共固化。通过正交试验确定一种性能优良且能够与碳纤维/环氧树脂基体预浸料在80℃下进行共固化的黏弹性阻尼材料组分,利用四氢呋喃溶剂将黏弹性阻尼材料组分溶解,经刷涂、共固化工艺制备出N41、N220S阻尼复合材料试件。通过扫描电子显微镜对复合材料微观破坏形貌进行分析,通过测试阻尼DMA及层间剪切获得了不同胶种阻尼材料的阻尼性能及剪切性能随阻尼层厚度不同的变化规律曲线。数据表明:选用高丙烯腈含量的丁腈橡胶制作的复合材料阻尼及层间性能更好,NBR N220S更适合作为黏弹性阻尼材料。

嵌入式共固化阻尼复合材料圆板的振动分析

为了探索嵌入式共固化阻尼复合材料圆板结构的阻尼特性,基于一阶剪切变形理论,计算阻尼复合材料圆板结构的应变能和动能,在四边固支边界条件下,运用Rayleigh-Ritz法建立阻尼圆板结构的理论模型。制作阻尼圆板结构试件并搭建实验平台,通过理论解、数值模拟解以及模态实验解三者对比,证明了理论模型的有效性,同时进一步分析阻尼层参数对结构固有频率和损耗因子的影响。结果表明:当阻尼层比率达到一定值时,损耗因子存在峰值;在半径一定的情况下,取与半径适当比例的阻尼层厚度可以明显增强结构的刚度和阻尼性能;复合材料层与阻尼层厚度比存在结构设计最优值。

Ω型长桁加筋壁板记忆芯模共固化技术研究

复合材料机身Ω型长桁加筋壁板通常采用共固化工艺成型,在壁板共固化成型过程中,Ω型长桁内腔需填充芯模。芯模在铺放过程中需要有足够的刚性,以抵抗蒙皮自动铺丝过程中的压力;而芯模在固化过程中又要有足够的弹性,能够将热压罐的压力均匀的传递给长桁内腔。在壁板成型各个阶段,如何控制芯模不同的刚度特性是壁板共固化成型技术的关键。本文探索一种记忆芯模,该芯模在室温下表现为刚性特性,在高温下表现为弹性特性。搭建芯模承压测量系统,精确测量芯模在自动铺放压力作用下的最大变形量为0.89mm;搭建芯模传压测量系统,精确测量芯模在固化过程中的传压效率为80%-97%。此外,基于记忆芯模方案,探索Ω型长桁加筋壁板成型工艺过程,制造加筋壁板试验件,并对其外观、无损、厚度及金相进行检测,得到试验件的质量满足要求。

免蒸养混凝土用胶凝材料的性能研究

将促强减缩剂与普通硅酸盐水泥组成复合胶凝体系,表征复合胶凝材料的凝结时间和其在不同水灰比时的强度变化,通过XRD、压汞法、SEM和水化热等测试方法研究复合胶凝体系的水化机理。结果表明:促强减缩剂的掺入可以促进硅酸盐水泥的凝结硬化,提高复合体系的水化速率,促进C_(3)S的水化程度,增加水化产物中AFt的生成,使结构更加紧密。在水灰比为0.3条件下,当促强减缩剂掺量为25%时,混凝土的8 h强度最高,为23.3 MPa;当促强减缩剂掺量为10%时,混凝土的28 d强度最高,为87.3 MPa。