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。

泡沫填充碳纤维增强复合材料方形蜂窝夹芯准静态压缩特性

提出了一种碳纤维增强复合材料(CFRP)方形蜂窝中内嵌聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫材料的新型轻质夹芯结构并实现了夹芯结构的制备。通过准静态压缩试验和数值模拟研究了不同几何参数夹芯的准静态压缩性能,结果表明:当夹芯栅格间距较小时,夹芯中方形蜂窝的破坏模式主要为脆性断裂破坏,随着栅格间距的不断增大,夹芯结构稳定性逐渐降低,因此夹芯失效模式转变为屈曲失稳。内嵌PMI泡沫后,方形蜂窝夹芯的压缩特性得到了显著改善,其压缩强度增大,能量吸收效率提高;随着内嵌泡沫密度的增大,夹芯的压缩强度和比能量吸收量均呈现出增大的趋势。研究结果可以为抗冲击类夹层结构夹芯的创新性设计提供思路和参考。

基于非接触光声成像的碳纤维增强复合材料冲击损伤检测方法

为了探究碳纤维增强复合材料(CFRP)的损伤机制并对其制造过程进行质量监控,对CFRP的冲击损伤区域进行了高分辨无损检测。构建了全光式非接触光声显微(AONC-PAM)成像系统,利用自主开发的光学吸收结合背向散射的双对比度成像模式,对CFRP在不同冲击能量下的损伤区域进行高分辨率无损检测。实验结果显示,AONC-PAM系统的空间分辨率为2.9±0.5μm;双对比度成像策略能以2 s/帧的速率同时获得基于光学吸收和表面散射特性的图像及两者叠加的双对比度图像;AONC-PAM系统显示了比通用明场显微镜系统更多的成像细节,包括碳纤维分布和其他微观缺陷如纤维断裂、错位、缺束和褶皱,可检测的微观缺陷尺寸达10~20μm,并实现了损伤区域的精准量化。

钨球对碳纤维增强复合材料包覆碳化硼陶瓷侵彻效应

为研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Composite,CFRP)包覆碳化硼(B_(4)C)陶瓷在钨球侵彻下的破坏机制与防护性能,开展不同弹靶径厚比D/T(D为钨球直径,T为陶瓷厚度)下钨球对CFRP包覆B_(4)C陶瓷板(下文简称靶板)的侵彻试验和数值仿真研究。通过弹道冲击试验,掌握钨球穿靶后的剩余速度以及靶板破坏形貌,分析钨球以不同速度侵彻靶板后B_(4)C陶瓷和CFRP的破坏特征;构建钨球侵彻靶板的数值仿真模型,通过再现试验结果验证模型准确性,对比分析CFRP对钨球侵彻效果的影响;基于仿真模型计算得到的数值仿真数据建立钨球垂直侵彻靶板的剩余速度计算模型,并通过试验数据验证计算模型的精度。研究结果表明:钨球垂直侵彻下,CFRP迎弹面呈圆形破口,背弹面呈十字形破口,背弹面破坏面积大于迎弹面,且随撞击速度和靶板厚度的增加,背弹面破坏面积的变化幅度大于迎弹面;与单一B_(4)C陶瓷板相比,CFRP包覆B_(4)C陶瓷板的抗侵彻性能提高4.8%;所建立的钨球垂直侵彻靶板的剩余速度计算模型计算结果的相对误差绝对值不大于15%。

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。

碳纤维增强树脂基复合材料的层间颗粒增韧技术研究进展

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有高强高模的优点,被广泛应用于汽车、体育、船舶、航空航天等领域,达到了材料轻量化的要求。目前使用较多的树脂基体以环氧树脂(EP)等热固性树脂为代表,普遍存在脆性大、韧性差的问题,导致复合材料层合板容易在层间发生开裂。层间增韧是一种有效的增韧方式,它可以在不改变基体树脂粘度的情况下对特定区域进行增韧,提高材料的断裂韧性。本文介绍了层间断裂模式并总结了层间断裂韧性(ILFT)测试的数据处理方法,总结了聚合物颗粒与无机纳米颗粒(主要是碳纳米管)的颗粒种类、增韧机制、引入方式,并主要通过层间断裂韧性评价了各种颗粒的增韧效果。

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。

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%。

碳纤维复合材料层合板的动态力学性能及失效机制

为了进一步明确碳纤维增强复合材料(CFRP)在冲击加载下的动态力学行为,采用电子万能试验机和霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究了铺层方式为[-45°/90°/45°/0°]的CFRP在厚度和面内方向的静/动态力学性能。结果表明,CFRP复合材料主要发生脆性破坏,在不同方向纤维铺层之间相互纠缠,有效支撑基体,可避免材料发生瞬间坍塌失效。受微裂纹扩展和加载速率关系的影响,复合材料呈现出明显的正相关应变率效应,虽然加入了不同铺层纤维,但材料失效破坏仍主要由基体决定。沿厚度方向加载,裂纹主要以沿45°角扩展的剪切破坏为主,断面在剪应力作用下出现了大量纤维的拔出和断裂。沿面内加载方向,纤维间的粘结层发生脆性断裂,与加载方向一致的纤维发生了屈曲失稳,裂纹穿透纤维层导致脱层。

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。

碳纤维复合材料刚性界面相和刚柔界面相构筑研究进展

碳纤维树脂基复合材料(CFRP)具有轻质、高强、高模量等优异性能,在航空航天领域有广阔的应用前景。界面作为连接树脂基体和碳纤维(CF)增强体的桥梁,是影响复合材料力学性能的重要因素。针对碳纤维与树脂的模量差异过大的问题,提高界面相的模量使两者的模量平稳过渡,提高应力传递效率,是改善界面性能的有效策略。本文主要综述了近年来刚性界面相、刚柔界面相的构筑方法及其对复合材料增强效果的研究进展,并对碳纤维树脂基复合材料界面相存在的问题进行了讨论,对今后界面增强的研究方向进行了展望。

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。

注射成型制备的碳纤维聚丙烯复合材料蠕变性能

碳纤维热塑性树脂基复合材料在极端环境及长期服役条件下的蠕变行为会使结构件的形状发生改变,影响其性能稳定性,因此对该种材料蠕变性能的研究是材料设计及应用的关键。本文通过对注射成型制备的碳纤维增强聚丙烯复合材料进行单轴拉伸蠕变试验,研究其蠕变行为,并基于以上试验数据得到该种材料的Burgers模型理论方程,采用Moldex3D模流分析软件模拟注射成型哑铃型试样内部碳纤维的取向和分布情况,将该模拟结果映射到ABAQUS中进行有限元分析。结果发现Burgers模型的拟合曲线与试验曲线吻合程度较高,能够用于更长时间以及更广范围应力水平下该种材料的蠕变行为预测;模流分析结果与实际试样横截面观察结果具有较好的一致性;注射成型过程中碳纤维取向及分布会影响最终成型试样的蠕变行为,采用模流分析与有限元分析相结合的方式能够更好地反映材料的蠕变进程。

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。

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。

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。