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。

新型含萘环双马来酰亚胺三嗪树脂的合成、固化反应及其热性能的研究

合成出了新型含有萘环和醚键结构的双马来酰亚胺和氰酸酯单体,通过元素分析(EA)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)及核磁共振(1H-NMR)等手段对其进行表征分析,同时,用差示扫描量热法(DSC)、原位FT-IR对新型BMPN/DNCY树脂体系的共固化反应机理以及固化物结构进行了研究,并采用热失重法(TGA)分析该树脂在氮气条件下的耐热性能。研究结果表明,采用文中使用的方法合成出了高纯度、高产率的新型双马来酰亚胺和氰酸酯树脂单体;BMPN/DNCY树脂的固化反应主要是以BMPN/DNCY共聚反应生成两种六元环结构的共聚物为主,兼有少量BMPN单体自聚;在耐热性能方面,共固化所得双马来酰亚胺三嗪树脂的热分解起始温度(Te)都在440℃以上,具有很好的热稳定性;不同配比的共固化结构双马来酰亚胺三嗪树脂热分解的Te差别不是很大,在700℃时的残炭率都在60%左右。

飞机复合材料雷击防护层设计与应用

结合复合材料自身的弱导电性特点,通过在其表面增加导电功能层的方式解决复合材料的防雷击问题。设计了复合材料表面火焰喷涂铝涂层、粘接铝箔网及粘接铝箔三种雷击防护层形式,并对三种防护层的制备工艺特点、导电性及适用性进行了研究和分析。结果表明:以上三种雷击防护层显著地提高了复合材料的导电性并具有很好的适用性。

嵌入式共固化复合材料阻尼结构的新进展

综述了近年来嵌入式共固化复合材料阻尼结构研究的最新进展,主要包括共固化工艺及其对粘弹性材料的要求、嵌入的阻尼材料及其薄膜的结构形式、理论分析研究的方法等。突出强调了结构功能一体化阻尼构件的最新研究成果,提出实际应用还需继续研究解决的问题,为进一步探索轻质大阻尼复合材料构件的设计理论和制作工艺提供参考。

卫星飞轮支架的共固化阻尼减振设计

研究了应用共固化阻尼减振技术抑制某卫星星上飞轮支架的振动响应。共固化阻尼减振是一种将阻尼层嵌入复合材料铺层中并共固化成型从而提高结构阻尼能力的振动控制技术。首先,应用复合材料等代设计方法给出了无阻尼支架原型。然后,采用有限元法计算了原型支架关键模态的应变能分布规律,确定出阻尼材料铺敷位置。参数化研究了阻尼层铺层位置、阻尼层厚度对共固化阻尼减振效果的影响,确定了阻尼减振设计参数。最后,比较了共固化阻尼支架与无阻尼支架的随机响应,验证了共固化阻尼减振设计效果。

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。

基于遗传算法的嵌入式共固化穿孔阻尼层复合材料结构优化

建立嵌入式共固化穿孔粘弹性层复合材料结构的遗传算法优化模型,采用混合编码方式对嵌入穿孔阻尼层的复合材料结构试件粘弹性层穿孔布局进行优化,在增大结构阻尼的同时尽量减少结构刚度损失。结果表明,在不考虑复合材料穿孔阻尼层面积比变化对阻尼与刚度的敏感度时,最优方案为穿孔直径2 mm,孔距9.90 mm,此时阻尼层面积比为96.8%;考虑该敏感度时,最优方案为穿孔直径2 mm,孔距9.06 mm,此时阻尼层面积比为96.2%。研究结果对大阻尼高刚度嵌入式共固化复合材料阻尼构件的设计制作有重要指导意义。

酚醛型氰酸酯与双酚A型环氧共固化反应的FTIR研究

在恒温固化条件下,通过FTIR跟踪方法,研究了酚醛型氰酸酯与双酚A型环氧共固化反应的路径及其反应机理.共固化体系的反应过程包括在150℃及其以下温度,主要发生的是氰酸酯的三嗪环化固化反应,其中三嗪环化固化反应由于环氧的加入,反应速率被极大地提高了;同时,酚醛型氰酸酯中的氨基甲酸酯类杂质与环氧发生开环聚合反应,引起环氧官能团产生弱而持续的消耗.但在此阶段,酚醛型氰酸酯与环氧之间没有化学反应发生;在180℃及其以上温度,三嗪环和环氧发生反应,异构为异氰脲酸环结构,并进一步反应生成唑啉酮环结构,由于该反应的发生,促进了环氧官能团的消耗速度,在环氧官能团的转化率-时间图中,出现倒S曲线;在三嗪环的转化率图中,出现一个极大值后再降落的曲线.反应温度的提高有利于促进酚醛型氰酸酯与环氧之间的共固化反应,特别是当反应温度为220℃时,氰酸酯官能团和环氧官能团的消耗、三嗪环和唑啉酮环的生成均以较快的速率进行,—OCN生成三嗪环的转化率可以较容易地达到1,而唑啉酮环的转化率不超过0.5.

CO_2固化碱性甲阶酚醛树脂粘结剂的研究进展

CO2 固化碱性甲阶酚醛树脂粘结剂是一种新型的造型、制芯材料。自问世以来 ,引起了国内外学者的广泛重视 ,经过十多年的研究 ,已在粘结剂的固化机理、甲阶酚醛树脂的合成与改性、新型固化剂的选择、固化工艺的改进等方面取得了许多新的进展。

共固化复合材料/铝蜂窝夹层结构性能

采用共固化工艺制备了碳纤维增强复合材料面板/铝蜂窝夹层结构。通过考察固化压力对复合材料面板性能的影响确定了共固化的成型压力,对比分析了不同规格铝蜂窝及其夹层结构的力学性能。结果表明,对于薄面板,成型压力对面板力学性能的影响较小,规格为0.04 mm×4 mm的铝蜂窝制备的夹层结构具有更高的比强度和比刚度,且成型工艺性好。

共固化成型无人机用复合材料/蜂窝夹层结构面板的性能

针对无人机结构工程设计和工艺方案需要,通过试验比较几种预浸料在共固化成型工艺状态下制备的蜂窝夹层结构面板与在相同固化工艺条件下制备的层压板的力学性能,得出可直接采用共固化工艺制造无人机飞机机体结构的结论。性能结果显示,由所选择的适用于共固化工艺的预浸料所制备的面板与层压板试样的力学性能基本是相当的,但面板的层间剪切强度却明显比层压板的低。

嵌入式高温共固化复合材料阻尼结构动力学性能实验研究

提出一种新的刷涂工艺制作嵌入式高温共固化阻尼薄膜,直接将粘弹性材料溶于易挥发的有机溶剂中,刷涂在复合材料预浸料表面,然后按照T300/QY8911复合材料预浸料固化工艺曲线将其制成嵌入式高温共固化复合材料试件,并对刷涂工艺和压片工艺制作的嵌入式高温共固化复合材料试件进行模态分析实验,获得了这两种方法制备粘弹性阻尼薄膜厚度与低阶模态参数的变化关系,结果证明了刷涂工艺所制得试件具有较高阻尼性能,为轻质大阻尼复合材料构件的设计理论和制作工艺的进一步研究奠定了基础。

甲基丙烯酸镁对氯化聚乙烯橡胶补强和助交联作用的研究

研究甲基丙烯酸镁[Mg(MAA)2]对氯化聚乙烯橡胶(CM)的补强和助交联作用。结果表明,Mg(MAA)2是硫化剂DCP优异的助交联剂,其对CM的交联效果优于助交联剂TAIC。与助交联剂TAIC体系相比,Mg(MAA)2体系的储能和损耗模量均较大,损耗因子(tanδ)较小,tanδ峰值温度向低温方向移动。Mg(MAA)2体系的300%定伸应力、拉伸强度和拉断伸长率均高于助交联剂TAIC体系。