碳布叠层穿刺复合材料多尺度传热特性研究

为了深入认识复合材料的多尺度传热特性,预测复合材料宏观热物性参数,基于通用单胞思想和多尺度传热特性分析,建立了一种有效预测碳布叠层穿刺复合材料等效热物性参数的方法。基于电镜扫描分析了纤维束和编织结构的特征,采用通用单胞思想,建立了介/细观传热分析模型,通过数值仿真进行了一系列的多尺度传热特性分析,譬如:纤维体积分数对纤维束结构传热特性的影响、穿刺纤维束大小对编织结构传热特性的影响分析,在此基础上,建立了胞体模板扩展,初步将介/细观结构研究规律应用到宏观结构热物性预测,并进行多层胞体传热特性分析。验证实验表明:等效热物性预测值与实验值吻合较好,方法有效,为深入理解认识碳布叠层穿刺复合材料的介/细观传热特性提供了有效的分析手段。

碳纤维与扩散层厚度对Al-Mg-Ti微叠层复合材料组织性能的影响

以1060纯铝、TC4钛合金、AZ31镁合金和镀镍碳纤维编织布为原材料,使用真空热压扩散技术和“箔-纤维-箔”法制备出碳纤维增强Al-Mg-Ti微叠层复合材料。通过控制铝镁保温时间分析了铝镁扩散层厚度对材料组织性能的影响,探讨碳纤维的强化机理,采用X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)和扫描电子显微镜(SEM)等分析了复合材料的相组成、元素分布与裂纹扩展形貌,测试了复合材料的抗弯强度和冲击韧性。结果表明:碳纤维增强Al-Mg-Ti微叠层复合材料扩散层厚度随着保温时间的延长而增加,力学性能呈先上升后下降的趋势,碳纤维通过纤维脱粘、纤维拔出和纤维劈裂等方式吸收了大量断裂能,起到显著的增韧效果。在铝钛热压温度640℃保温时间2 h,铝镁热压温度440℃保温时间8 h时,复合材料力学性能最优,抗弯强度为380 MPa,冲击韧度为26.2 J/cm^(2),相对于基体抗弯强度和冲击韧性分别提高了10.8%和30.3%。

不同制动速度下炭布叠层炭/炭复合材料的摩擦磨损行为及机理

用模拟刹车制动的方法探讨了一种炭纤维布叠层炭 /炭复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损行为 ,并用扫描电子显微镜对摩擦表面进行了观察和分析。研究结果表明 :在 5m/s的制动速度下 ,该种材料表现出低的摩擦因数 ,但随制动速度升高至 2 0m/s时 ,摩擦因数迅速升高至最大值 0 .4 0 ;当制动速度增大到 2 8m/s或 30m/s时 ,摩擦因数仅略降低至 0 .35 ,该材料表现出优良的高速高能摩擦性能。另一方面 ,制动速度升高至 2 0m/s时 ,即摩擦因数最大时 ,磨损才变得明显 ,而且随制动速度的继续升高 ,磨损呈直线增大。表面显微组织观察表明 ,在较低制动速度下 ,在摩擦表面产生了薄膜 ,对应摩擦因数较低 ,磨损小 ;在 2 0～ 2 5m/s制动速度下 ,摩擦表面形成较厚的表面膜层 ,对应摩擦因数高 ,磨损大 ;在 2 8～ 30m/s制动速度下 ,剧烈的摩擦剪切和氧化作用使摩擦表面严重破坏 ,表面基质炭氧化严重 。

炭布叠层/热解炭复合材料导热系数与石墨化度的关系

采用脉冲激光闪光法和XRD,分析了一种炭布叠层/粗糙层结构热解炭复合材料的导热系数与石墨化度之间的关系,建立了二者之间的定量数学模型,并运用声子导热机制对其机理进行了探讨。结果表明,复合材料在平行于层面方向的室温导热系数约为垂直方向的2倍,但均随石墨化度的升高、石墨微晶尺寸的增大而逐渐升高,两个方向导热系数与石墨化度之间关系可分别表示为:λ=31.22+8.62exp(g/27.10)及λ=6.08+8.92exp(g/33.99)。

碳纤维复合材料/钛合金叠层钻孔质量研究

碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)/钛合金叠层的钻孔机理不同于单层材料钻孔,钛合金切屑在排出孔外过程中会对CFRP孔质量造成损伤。为了探究CFRP在叠层钻孔时的质量特性,设计正交试验分析了钛合金切屑和切削参数对CFRP层钻孔质量的影响。观察了轴向切削力和力矩的变化以及钛合金切屑形态,分析CFRP层孔径超差和入口撕裂的机理。结果表明:大进给量条件下,高温、高硬度的钛合金切屑会对CFRP产生严重的侵蚀,是导致CFRP孔径超差的主要原因,并会增大入口撕裂程度;CFRP入口撕裂主要产生在切削速度和纤维方向夹角θ=45°的位置,低切削速度不利于切削CFRP,会加大入口撕裂程度。因此,应使用小进给量钻削钛合金层,使用大切削速度钻削CFRP层;在保证钻头强度的前提下,推荐使用具有较大容屑空间的钻头。

碳纤维/锡—铝叠层复合材料的复合工艺研究

采用化学镀方法在纤维表面沉积一层镍,并用锡作为过渡性基体,使浸润锡的纤维与镀有镍层的铝箔叠层热压,最终得到碳纤维/锡—铝叠层复合材料的试件,并采用扫描电子显微镜(SEM)观察了试件经拉伸、剪切破坏的断面;基体中纤维的分布以及锡、铝与纤维之问的界面区域形貌。

碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构制孔技术研究进展

碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构已经被广泛地应用于航空航天及相关的工程领域。阐述了近年来国内外碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构制孔技术的研究进展与发展方向,重点剖析了叠层结构钻削机理、制孔缺陷、制孔质量影响要素等方面。为实现碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构优质高效制孔加工,提出叠层结构制孔切削热建模仿真、制孔缺陷预测与制孔过程智能控制等未来研究方向。叠层结构制孔研究的现状分析与展望将会对航空装配领域的技术进步起到重要的指导作用。

碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布,通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体,再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration,GSI)联用制备了C/C-SiC复合材料。研究了碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响。结果表明,由纤维体积分数与C/C素坯密度都相同的预制体所制备的两种复合材料的密度、各相组成、结构与性能均大不相同。较小的碳纤维丝束(1K)和碳布面密度(92 g/m^(2)),以及锁式缝合留下的较大孔隙为GSI反应中Si蒸气的渗透提供了更加充足的通道,最终制备的T1复合材料孔隙率低、结构均匀、性能更高,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为300.97 MPa,51.75 GPa,11.32 MPa·m^(1/2)。初始预制体结构和C/C中间体结构的综合调控是CVI-GSI联用工艺制备高性能C/C-SiC复合材料的关键。

碳纤维增强复合材料/钛合金叠层结构钻削仿真研究

碳纤维增强复合材料在航空领域常作为结构材料与钛合金组成叠层结构,能在减轻重量的同时利用两种材料的不同特点获得更优异的综合力学性能。本文应用有限元仿真方法模拟了叠层结构CFRP/Ti在CFRP→Ti和Ti→CFRP两种钻削顺序下的制孔过程,探究了不同钻削顺序对叠层结构钻削应力、钻削温度及制孔质量的影响规律。结果表明,在CFRP→Ti钻削顺序下叠层界面制孔质量更高,更能满足实际生产要求。

叠层穿刺结构Cf/Al复合材料的弯曲性能及失效分析

采用真空压力浸渗法制备纤维体积分数为47.5%的叠层穿刺结构Cf/Al复合材料,主要研究复合材料的显微组织以及弯曲性能,并进一步分析复合材料的弯曲失效机理。结果表明:复合材料的致密度为95.0%,经、纬向显微组织均存在少量微孔缺陷,且纬向显微组织的微孔缺陷较经向显微组织要多。叠层穿刺结构Cf/Al复合材料的弯曲强度和模量分别为327 MPa和114 GPa,内侧面受压处,基体出现团簇,经向纤维束由于屈曲变形程度大导致被压断,纬向纤维束发生相应地挤压变形,而在外侧面受拉处复合材料被拉伸破坏,造成基体开裂。

三维无纬布穿刺碳/碳复合材料几何构型对拉伸试验性能的影响研究

为了给三维无纬布穿刺碳/碳复合材料拉伸力学性能测试确定合适的几何构型,选取了5种轴向构型和1种径向构型,部分构型粘贴有加强片。对这6种构型进行了拉伸试验,并对试验测得的拉伸强度和拉伸模量的大小、分散性以及破坏模式等做了对比分析,确定哑铃形构型适于三维无纬布穿刺径向试样,且径向试样的夹持面应尽可能地大。对径向构型来说,哑铃形100mm×9.6mm×9.6mm(夹持部位20mm×19.2mm)构型最佳。

碳纤维复合材料与钛合金叠层制孔技术研究

碳纤维复合材料以及钛合金都属于很难加工的材料,通常在钻削碳纤维复合材料时,采用高转速和小进给量的加工参数,切削液对复合材料的性能存在不良的影响,所以通常会采用干切加工的方式,由于复合材料自身的热导率比较小,热胀系数和弹性恢复非常大,所以就造成复合材料容易出现缩孔的问题。在针对碳纤维复合材料与钛合金夹层结构钻削过程中,由于这些问题的存在,容易导致复合材料加工质量受到影响,因此必须针对加工问题选取合适的工艺参数和工艺方法,提高加工工艺的整体质量,通过本文的研究结果表明目前的钻削工艺还存在一定的改进空间,通过选择合适的操作工艺方法,能够有效避免夹层结构出现缩孔的问题。

复合材料叠层结构制孔技术

针对碳纤维复合材料与钛合金叠层制孔质量差、效率低的问题,通过有限元仿真计算和切削试验相结合的方法,研究了碳纤维复合材料与钛合金叠层制孔切削机理,分析了面向刀具结构、几何参数和制孔工艺参数等因素,建立刀具结构、切削力、刀具磨损等数学模型,实现了碳纤维复合材料叠层制孔的刀具设计技术。

叠层机织碳布整体穿刺机设计

本文针对液压驱动的穿刺机系统稳定性与重复定位精度容易受油温影响的不足,对穿刺与压实机构,传动机构以及工作台进行设计,研制由三相异步电动机驱动的叠层机织碳布整体穿刺机样机。该穿刺机由具有高重复定位精度的X、Y、Z三轴工作台以及带有穿刺模板的穿刺装置等组成。穿刺装置通过曲轴带动穿刺模板实现对放置在钢针阵列上的叠层机织碳布进行整体穿刺与加压密实功能。

碳布叠层增强树脂基湿式摩擦材料的制备及其性能

采用碳布叠层增强,环氧树脂和酚醛树脂作为黏结剂,通过热压成形和固化热处理技术,制备一种叠层碳布/树脂基湿式摩擦材料.探索了摩擦副的摩擦表面状态对摩擦磨损性能的影响,并研究不同比例双树脂下的摩擦材料性能.结果表明:随着转速的升高,摩擦材料的摩擦系数减小.酚醛树脂和环氧树脂比例的不同也会对摩擦性能产生影响.由于黏结性能好,环氧树脂的加入使得摩擦材料的稳定性较高.腰果壳油改性酚醛树脂和环氧树脂的比例为1∶2时的摩擦性能最好,摩擦系数为0.14,摩擦系数稳定性在0.85以上.

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。

共聚酯无纺布定型-增韧碳纤维复合材料的制备及力学性能

针对真空辅助树脂灌注工艺(VARI)成型纤维增强复合材料纤维体积含量较低、厚度难以控制、层间韧性较差的问题,将共聚酯无纺布引入碳纤维织物预成型体中,对其进行真空袋热压定型预处理,最后采用VARI工艺制得了碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板。对比研究了共聚酯无纺布改性前后复合材料的厚度变化规律、Ⅰ型层间断裂韧性、短梁剪切性能和三点弯曲性能。结果表明,经共聚酯无纺布改性后层合板的厚度降低,纤维体积含量由改性前的57.9%提高至62.2%,其Ⅰ型层间断裂韧性GⅠC值提高了144.7%,短梁剪切强度和弯曲性能基本持平。Ⅰ型层间断裂韧性提升的主要机制:一是层间断裂面之间的纤维桥联作用;二是层间界面处弥散分布的热塑性颗粒阻碍了裂纹的扩展;三是层间的界面相因发生剪切塑性变形而需耗散额外的断裂能量。

碳纤维增强树脂基复合材料层合板的传热性能研究

随着复合材料在飞机结构中的应用增加,复合材料与金属混杂结构中的热应力问题越来越受到重视。为了分析结构中的热应力,准确的结构温度场必不可少,而材料的传热性能参数对结构温度场的分析至关重要。复合材料传热性能的各向异性,以及铺层依赖性,给传热性能测量带来不便。依据ASTM E1461标准,设计了不同铺层的试验件,采用闪光法测量T800级碳纤维增强树脂基复合材料层合板沿厚度方向和面内方向的热传导率。研究各种铺层层合板的热传导率规律,验证了复合材料层合板面内方向热传导率的热叠层理论计算公式。此研究结果可应用于碳纤维增强树脂基复合材料层合板热传导率的快速计算。

由炭布制备C/C复合材料工艺及性能的研究(英文)

为通过快速增密和低设备成本降低C C复合材料的成本 ,采用中压浸渍、炭化多次循环的工艺制备了快速增密的C C复合材料。该工艺以Z向增强的层叠炭布为增强体 ,不同软化点的中间相沥青和改性沥青为浸渍剂。考察了浸渍工艺 ,并研究了所得C C复合材料的力学性能和断裂形貌。结果表明 ,中间相沥青及改性沥青等高残炭收率沥青是C C复合材料极佳的浸渍剂 ,有利于快速增密。 8次循环后 (约 2周时间 ) ,复合材料的密度从0 .84g cm3 增至 1.76g cm3 。炭布层叠Z向增强的C C复合材料有良好的力学性能 ,而且其性能随着密度的增加而提高。所得复合材料的密度达到 1.76g cm3 时 ,拉伸强度为 87.0 3MPa,弯强为 113.5 6MPa ,压缩强度为 199.

深冷处理对叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料组织特征和拉伸性能的影响

以M40J-6K叠层穿刺结构碳纤维为增强体,ZL301合金为基体,采用真空气压浸渗法制备叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料,研究单次深冷处理时间(6、12和48 h)、循环深冷处理次数(1、3和9次)对复合材料拉伸性能和组织特征的影响,并对拉伸性能提高的原因进行了分析。结果表明,深冷处理可以提高叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料的拉伸性能,改善组织特征。单次深冷处理可以提高复合材料的抗拉强度,而对拉伸模量的影响较小,抗拉强度以深冷处理6 h时提高幅度最大,较无深冷处理下的559 MPa提高至664 MPa,提高了18.8%;当延长处理时间至12和48 h时,抗拉强度基本趋于稳定。与单次深冷处理相比,循环深冷可以进一步提高叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料的抗拉强度和拉伸模量,3次循环深冷处理后的抗拉强度和弹性模量,较单次深冷下的676 MPa、125 GPa分别提高至706 MPa、138 GPa,分别提高了4.4%、10.4%;当继续增加深冷循环至9次时,抗拉强度和拉伸模量趋于稳定。深冷处理后叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料应力释放及状态的改变、致密度提高、晶粒择优取向、基体位错密度增高是影响复合材料宏观拉伸性能的主要原因。