碳纤维增强复合材料黏结型锚固体系弯拉性能试验研究

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)黏结型锚固体系的弯拉性能,对设计的锚固体系试件进行了10组轴向拉伸试验与12组弯拉试验。在锚固体系优化基础上研究了CFRP筋直径、弯曲半径改变下试件的极限承载力、破坏模式、锚固效率及CFRP筋荷载‒应变关系。结果表明,锚固体系的弯拉承载力折减量系数随CFRP筋弯曲半径的增大而减小,CFRP筋直径越大试件承载力折减量系数越大,并且CFRP筋横向约束有利于弯拉极限承载力的提高。此外,CFRP筋荷载‒应变曲线的非线性变化是试件失效前的典型特征。弯曲半径和CFRP筋直径的比值与锚固效率系数为线性关系,比值在2.4‰以下时试件的弯拉锚固效率系数小于80%,试件呈不均匀断裂和剪切的破坏形式。

玻璃与碳纤维混杂增强复合材料3D打印与实验

本研究基于热塑性材料熔融沉积成型工艺,研制了双喷头连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构增材制造平台,制备了不同混杂比的纤维增强热塑性复合材料结构试件,分析了不同结构试件的弯曲力学性能与失效模式,探索了嵌入碳纤维智能层的混杂纤维增强热塑性复合材料的力阻行为。结果表明:比较纯热塑性材料结构件,玻璃纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了115.99%,碳纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了198.76%;玻璃纤维与碳纤维混杂增强复合材料结构件具有负弯曲强度混杂效应和正弯曲模量混杂效应。可根据碳纤维电阻相对变化率对混杂增强复合材料结构的应变与断裂破坏状态进行实时自感知。研究结果为连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构件的高质高效制造与智能化提供了新工艺与新思路。

BN粒子改性PVDF电纺纤维膜插层增强碳纤维/环氧树脂复合材料层间韧性

针对纤维增强复合材料层压板的分层失效问题,本文提出了一种氮化硼(BN)粒子改性聚偏氟乙烯(PVDF)电纺纤维膜以插层方式增强碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层间断裂韧性的方法。通过超声处理将BN均匀分散于PVDF溶液中,利用静电纺丝方法制备了BN改性PVDF纤维膜(BN&PVDF),作为插层材料被引入碳纤维的层间,采用手工铺设-真空热压法制备BN&PVDF增强CF/EP复合材料层压板(BN&PVDF-CF/EP)。重点研究了BN粒子含量对改性PVDF电纺纤维膜增强CF/EP层间断裂韧性的影响及相关增韧机理。研究结果显示:当BN含量为3.2wt%时,BN&PVDF电纺纤维膜的增韧效果最好,相对于CF/EP,BN&PVDF-CF/EP的Ⅰ型层间断裂韧性提高了129.6%,Ⅱ型层间断裂韧性提高了160.6%;BN粒子引入后,提高了PVDF的拉伸强度和模量;SEM分析显示,BN粒子被部分镶嵌于PVDF纤维上,提高了PVDF纤维表面的粗糙度,增强了PVDF纤维与基体的界面相互作用,引起了更加复杂的增韧形式并提高了PVDF纤维的增韧效果。

含分层碳纤维增强复合材料损伤声发射定量表征

基于声发射技术,实现了含分层缺陷碳纤维复合材料的定量评价。采用三点弯曲加载对含近表面分层和中间位置分层缺陷的碳纤维增强复合材料试件进行实验测试,结合声发射技术对试件的损伤起裂/演化进行评价。结果表明,采用声发射信号的累计声能可以实现损伤的量化表征,含近表面分层缺陷的试件抗弯强度比含中间位置分层缺陷的试件低11.39%,累计声发射能量高6.1%;分层缺陷的存在不会改变试件损伤模式;含近表面分层缺陷的复合材料更易出现纤维断裂,且整体损伤较多。

碳纤维增强复合材料在建筑工程加固中的应用

碳纤维增强复合材料在建筑工程架构中的应用有非常显著的优势。通过本文分析可知,碳纤维增强复合材料在建筑工程加固中的应用需通过不断加强技术研发创新力度、完善材料应用技术标准规范、强化质量监督检测工作力度、注重加固效果的检验分析工作,为体现出这种加固材料的应用优势,提升建筑工程,加固施工质量水平提供支持。

碳纤维增强复合材料准静态电弧损伤的电-热耦合分析

为有效预测碳纤维增强复合材料(carbon fibre reinforced polymer,CFRP)层压板的雷击电弧附着响应,并探讨阳极试件材料对雷电电弧参数空间分布的影响,基于商业有限元分析软件ABAQUS,分析了CFRP层压板雷电流注入后的热-电-结构耦合,建立了CFRP层压板电弧附着损伤的三维有限元模型。模拟了复合材料层压板在雷电流作用下的冲击响应,进行了复合材料层压板雷击附着机理和作用模式的分析,并探讨了试件尺寸对电弧附着响应特性的影响。研究结果表明,当CFRP试件的长宽比接近1时,CFRP损伤区域往往集中在准静态电弧附着处,与其他长宽比相比,损伤面积较小,但损伤深度较深。

碳纤维增强复合材料筋对“弱柱节点”抗震性能的影响研究

为研究“弱柱节点”内置碳纤维增强复合材料(CFRP)筋对节点抗震性能的影响,设计并开展不同CFRP筋配筋率的两组“弱柱节点”双向等幅低周往复荷载试验,研究此类节点的破坏类级及破坏形式方面的差异。试验结果表明:内置CFRP筋的配筋率是影响“弱柱节点”破坏程度的重要因素;“弱柱节点”内置CFRP筋时,CFRP筋配筋量越大,节点的承载力不一定越高,CFRP筋配筋率较低且采用小直径CFRP筋时,节点的承载力和变形性能均有所提高;“弱柱节点”内置CFRP筋,需要控制CFRP用量在合适的范围内,才能更好地改善和提高“弱柱节点”的抗震性能,实现结构纠错、容错,降低“弱柱”造成的结构抗震性能影响。

冲蚀角对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)蒙皮涂层去除及重涂附着力的影响

为解决飞机CFRP蒙皮涂层高效去除问题,改善重涂涂层附着力,采用塑性磨料射流加工方法对CFRP蒙皮损伤涂层去除,通过分析单颗磨料的速度和冲击力,研究不同冲蚀角度下磨料对涂层的冲蚀行为,探究塑性磨料射流冲蚀角对表面形貌、去除机制、材料去除率、接触角与表面自由能及重涂涂层的附着力方面的影响。结果表明:塑性磨料对涂层的冲蚀机理为塑性变形去除,在30°~70°冲蚀角下,磨料对涂层的冲蚀模式为滑擦、耕犁和切削。随着冲蚀角的增加,颗粒的切向分力减小,法向分力增加,法向冲蚀的冲蚀模式为剪切和挤压变形去除材料去除率递减。在所选冲蚀角范围内,当冲蚀角为30°时,聚氨酯涂层的材料去除率最大。随着冲蚀角的改变,表面粗糙度、润湿性和表面自由能发生变化,当冲蚀角为70°时,重涂后的涂层附着力较好,较初始涂层附着力提高28%左右。研究成果可为飞机CFRP蒙皮涂层的高效去除及附着力的改善提供参考。

碳纤维增强复合材料(CFRP)索支桥梁结构综述

碳纤维增强复合材料(CFRP)作为一种新兴的建筑材料,由于具有质量轻、抗拉强度高、抗疲劳性能好、耐久性能佳等优点,受到广大土木工程人士的喜爱。现如今,钢制缆索普遍存在耐腐蚀性和抗疲劳性能差、承载力不足、温度变形大等问题。若将特殊工作环境中的钢制缆索替换为CFRP拉索,不但能解决钢制缆索的结构耐久性问题、提升桥梁的综合性能,而且能使桥梁结构变得更加轻盈和美观。首先介绍了纤维增强复合材料(FRP)的特性、分类及其主要生产工艺,然后介绍了CFRP索支桥梁结构的分类、重点研究成果及其工程应用,最后对CFRP索支桥梁结构的发展前景进行了展望。

变温域纤维增强复合材料的损伤定位研究

纤维增强复合材料因其轻质高强、易成型和可设计性强等优异性能,成为众多工程结构用材首选,然而其结构易产生多种形式损伤,降低了材料的可靠性和安全性,故对复合材料进行实时健康监测及损伤定位研究具有重要意义。声发射(Acoustic emission,AE)技术可以有效地检测复合材料中的微小损伤,基于光纤光栅声发射监测系统不受电磁干扰,可在多点同时测量多个物理量,但实现高精度损伤定位仍需进一步研究。为此,构建了一种四通道温度自适应光纤布拉格光栅(Fiber Bragg gratings,FBG)声发射监测系统,可以快速追踪、及时反馈、实时监测FBG的中心波长变化,提高定位精度,在变温域内对碳纤维增强复合材料的损伤定位进行监测,研究结果表明,该系统平均损伤定位误差为12%。

刀具类型及工艺方法对纤维增强复合材料制孔加工质量影响的研究进展

概括总结了刀具类型及工艺方法对纤维增强复合材料(FRC)制孔加工质量影响的最新研究进展。首先介绍了FRC的分类、特性及其在航空航天领域中的应用,以及传统麻花钻制孔刀具及工艺存在的加工缺陷及问题;其次,概述了FRC制孔的分层缺陷形成及评价;再次,从制孔刀具类型及工艺方法两方面,分别概述了FRC制孔加工质量的研究进展,并总结了改善制孔加工质量的新刀具、新工艺和新方法;最后,分析总结了刀具类型及工艺方法对FRC制孔加工质量效果的影响,同时对未来发展趋势和未来工作研究可能方向进行了展望。

CO_(2)激光参数对去除碳纤维复合材料表面涂层的调控规律研究

激光除漆是近年来飞速发展的新型“绿色”除漆技术。针对目前化学处理、人工打磨等方式去除碳纤维增强复合材料(CFRP)表面涂层效率低以及对环境不友好等问题,开展CO_(2)激光去除CFRP表面涂层的调控规律和去除机理研究。重点研究了扫描次数、光斑重叠率、扫描速度和激光功率等参数对厚度约为100μm的涂层去除影响规律,并获得较为优化处理参数。结果表明,当光斑重叠率为95.75%、扫描速度为170 mm/s、激光功率为44 W时,扫描处理一次就可以有效地去除CFRP表面涂层,且对CFRP表层纤维的损伤程度最小。结果为深入研究去除CFRP表面不同厚度和种类的涂层提供参考。

碳纤维复合材料高效低碳加工综合实验设计

以碳纤维增强基复合材料(CFRP)为加工对象,设计了一种高效低碳钻削加工的综合实验项目。基于响应曲面法研究了机床主轴转速、进给速度和CFRP板材铺层顺序对CFRP构件加工质量的影响,建立了预测回归方程,最终得出最优孔口质量和最低功耗的工艺参数:最佳铺层顺序为[0°,90°,0°,90°],主轴转速在2000 r/min左右,进给速度设置在50 mm/min左右时功率最低;主轴转速在10000 r/min左右,进给速度设置在20 mm/min左右时分层因子最低。实验涉及新型材料加工、绿色加工和节能降碳等多个学科领域,能够增强学生的科研兴趣,提高实践动手能力和创新意识。

基于NSGA-Ⅲ算法的碳纤维复合材料螺旋铣孔切削参数多目标优化

碳纤维增强复合材料(CFRP)力学性能呈各向异性,层间强度低,为改善CFRP钻孔时中出现的缺陷,螺旋铣孔技术逐渐得到应用。为找到合适的切削参数使得CFRP各项加工性能均达到最优,对CFRP螺旋铣孔切削参数多目标优化方法进行研究。通过螺旋铣试验,测得不同切削参数下的切削力和孔径偏差;使用非线性拟合方法分别建立以径向切削力、轴向切削力、孔径偏差、切削效率为优化目标的多目标优化模型;采用第三代非支配遗传算法(NSGA-Ⅲ)进行多目标优化,获得帕累托最优解;基于主成分分析构建最优切削参数决策算法,完成切削参数解集优劣性能排序,获得满足不同加工性能的最优参数组合。结果显示:NSGA-Ⅲ算法与主成分分析方法的结合可使多目标优化取得良好的效果。

加工参数对T800碳纤维增强复合材料铣削质量的影响

增大层厚和增加牺牲层加工工序,是控制大型航空碳纤维复合材料构件形变和装配精度的重要手段,然而如何对其牺牲层进行大余量高效铣削的同时确保无撕裂分层损伤面临挑战。表面柔软的玻璃纤维保护层和内部坚硬的碳纤维复合材料牺牲层因二者的材料性能差异较大,在铣削加工过程中很难同时确保二者均无毛边和分层。为此以某大型航空构件使用的T800碳纤维增强复合材料侧面铣削为例,开展了加工参数对材料铣削质量的影响试验研究,通过分别对硬质合金玉米铣刀、金刚石涂层铣刀、碳纤维专用复合铣刀和双刃聚晶金刚石铣刀4种不同结构形式刀具的铣削力、铣削温度以及加工表面粗糙度进行试验研究,分析了不同加工参数对表面加工质量的影响。试验结果表明:加工表面毛边高度随主轴转速的增加有减小的趋势,随进给速度和径向切深的增加有增大的趋势;较高的铣削温度会引起不同方向的纤维断裂位置发生偏移,导致加工表面粗糙度增大;采用锋利的刃形和多微刃铣削方式,在确保内部碳纤维增强复合材料加工质量的前提下,能够显著改善加工表面的毛边现象,使用左右旋微刃结构的刀具可以使铣削过程更加稳定。

碳纤维增强热塑性复合材料螺旋铣磨制孔损伤研究

目的研究碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)螺旋铣磨制孔的切削温度和切削力的变化趋势,以及典型制孔损伤的特点,并分析切削温度的下降对制孔损伤的影响。方法采用螺旋铣磨的方法开展CFRTP的制孔试验研究,通过改变工艺参数研究切削温度、切削力的变化趋势,分析各类典型制孔损伤的特点、形成原因及随工艺参数的变化情况,并研究添加冷却辅助降低切削温度对抑制制孔损伤的效果。结果随着刀具自转转速、公转转速和螺距的升高,切削温度分别升高了约46.43%、12.06%和95.97%;切削力随着自转转速的升高而降低,随着公转转速和螺距的升高而增大。当螺距达到0.45mm时,轴向力会有所下降。入口损伤和出口损伤主要以毛刺为主,损伤会随着各工艺参数的升高而加剧,孔壁损伤主要表现为涂覆、变形、裂纹等3种形式。添加冷却辅助后,制孔质量得到显著提高,高温下的刀具涂覆问题基本解决。结论切削温度是影响CFRTP制孔质量的主要因素,切削温度的升高导致树脂基体软化,使得切屑形貌从粉末状转变为连续薄片状,进而对切削力产生影响,树脂软化对制孔损伤有着明显的影响。冷却辅助能够明显地降低切削温度,从而起到抑制损伤的作用。

表面浅裂纹损伤后碳纤维增强树脂复合材料层合板断裂强度研究

在实际服役环境下,碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)结构表面容易出现浅划痕损伤,如何评估损伤后CFRP结构的承载性能是关注的焦点。基于边界效应模型(BEM)研究了CFRP板出现表面浅裂纹后的断裂强度,提出了一种CFRP表面定量深度浅裂纹的预制方法,较准确地制备了包含表面浅裂纹的试件;完成了三点弯曲准静态成组试验,在金相显微镜下对裂尖损伤区的断裂特征进行观测,建立了裂纹尖端损伤区量化评价方法。研究结果表明:通过标定试验确定了试验机分别施加300,450,600 N的压力载荷后,CFRP层合板试件表面可形成平均深度约为0.10,0.14,0.18 mm的浅裂纹;完成了边裂纹试件的三点弯曲断裂试验,通过裂纹扩展观测和成组试验数据的拟合分析,确定了反映裂尖损伤区分布范围的参数β和断裂参数C的最优取值,分别为β=0.27,C=0.47,实现了CFRP表面微裂纹损伤后断裂强度的评价,并且拟合分析与直接拉伸试验的抗拉强度对比偏差为4.59%,验证了BEM模型的合理性;基于BEM模型,建立了CFRP层合板断裂强度预测的解析方程,以便于实际工程应用。

温度和湿度对碳纤维增强复合材料老化影响研究综述

碳纤维增强复合材料因其良好的力学、物理和化学性能,在多个工业领域获得了广泛应用。在工程应用中,关键结构的服役寿命和性能耐久性是一个不可忽视的问题。碳纤维增强复合材料通常以树脂为基体,而树脂易受环境影响发生老化,对复合材料的性能产生显著影响。本文首先介绍了环境温度对碳纤维增强复合材料性能的影响,并总结了水分扩散理论及常见的复合材料吸湿模型,然后整理了湿热耦合环境对碳纤维增强复合材料性能的影响效应,包括理论分析、试验方法以及有限元仿真等研究手段,最后讨论了碳纤维增强复合材料在湿热老化研究方面存在的问题和挑战,并对可行的研究方向进行了展望。

碳纤维增强Vitrimer环氧树脂复合材料层间修复与热塑成型行为

研究了新型碳纤维增强Vitrimer环氧树脂复合材料(V-CFRP)的层间修复性能和热塑成型工艺,并分析了热压修复与热塑成型机理。结果表明:新型Vitrimer环氧树脂的玻璃化转变温度(T_(g))为92.8℃,其高于T_(g)温度下表现出显著的应力松弛行为,应力松弛时间与温度呈现线性关系;采用三点弯曲实验研究了V-CFRP复合材料的热压修复行为与热塑成型能力,热压修复研究发现在180~220℃,5 MPa条件下热压1.5~2.0 h可实现复合材料层间破坏近乎100%的修复;热压成型研究表明,V-CFRP复合材料在180~220℃预加热5~30 min,其弯曲模量和弯曲强度下降超过80%,弯曲模量的大幅下降意味着V-CFRP适于热压再成型;并采用模塑热压方法,在200℃,5 MPa和2 h热压条件下,实现了V-CFRP板材热塑成型制备具有三维特征的结构件,证明了V-CFRP复合材料的热压模塑成型能力。

碳纤维增强复合材料水导激光加工实验研究

为了研究水导激光加工关键工艺参数对碳纤维增强复合材料(CFRP)沟槽截面形貌与热影响区的影响,利用水导激光加工设备设计单因素实验探究了激光功率、水射流压力、进给速度及激光重复频率四个关键工艺参数对沟槽截面形貌以及热影响区的影响规律,分析了沟槽截面形貌和热影响区形成机理。实验结果表明:激光功率对沟槽烧蚀深度和热影响区的影响最大,水射流压力对沟槽烧蚀宽度的影响最大,进给速度和激光重复频率对沟槽烧蚀深度和宽度的影响不大,对热影响区有较大影响。此外,发现沟槽截面去除区呈V字形,热影响区呈锯齿形状。通过单因素方法分析得到了较好的沟槽截面形貌,其沟槽截面烧蚀深度为772.8μm,烧蚀宽度为897.7μm,铺设方向为90°的碳纤维层热影响区为326.5μm,铺设方向为0°的碳纤维层热影响区为102.4μm。