结构-功能一体化异种复合材料壁板优化与验证

基于航空壁板结构承载-电气功能的一体化需求,对适用于智能蒙皮的异种复合材料壁板开展了优化设计与试验验证。通过在高模量碳纤维蒙皮的外侧增加玻璃纤维层,进行了以碳纤维-玻璃纤维-金属结构单元阵列-玻璃纤维复合顺序的壁板承载-电气功能一体化设计。针对异种复合材料结构的铺层优化需要考虑共胶接的分区域及铺层连续性的工艺要求,发展了基于丢层序列的优化方法,并对于加筋壁板的几何外形、筋条数量、筋条几何参数以及筋条与蒙皮的铺层角度进行了优化设计。通过压缩稳定性试验验证了该结构在承载能力和稳定性方面的收益,明晰了其压缩载荷下的屈曲模态及后屈曲失效机理。

建筑用高性能热轧钛-钢复合材料的力学性能研究

以钢板和钛板为原材料,经预处理、组胚、焊接、热轧等制备建筑用高性能热轧钛-钢复合材料。用万能试验机等设备测试不同变形量、不同钛含量、不同卷曲温度下该复合材料的抗拉强度、屈曲强度等力学性能。结果表明:变形量为30%时,热轧钛-钢复合材料的屈服强度、抗拉强度适宜,拉伸断口呈韧性断裂;钛的质量分数为0.6%时,复合材料的抗拉强度、屈曲强度均最高;卷曲温度为600℃时复合材料的力学性能最佳,继续升高卷曲温度,力学性能反而降低。

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。

新型铝-钢复合材料制备工艺研究

采用爆炸焊接技术直接实现铝合金与钢材的有效连接,从而生产出新型铝-钢复合材料。爆炸焊接后复合材料外观完整,表面无烧灼、褶皱等缺陷,渗透检测结果显示:铝合金与钢材料结合良好,无分层、裂纹等缺陷。对复合材料进行微观组织和力学性能检测,以评估复合材料的结合质量,试验结果显示:铝合金与钢材料界面呈现波状结合,均匀无分层,但是波峰前端有断续的熔化块,个别熔化块内部有裂纹。力学性能检测结果显示:复合材料的平均剪切强度为74MPa,达到标准要求。弯曲试验结果表明:复合材料界面未出现分层和裂纹,结合质量良好。因此,这种新型铝-钢复合材料可以满足工程使用需求。

三维纺织复合材料热-力学性能研究进展

三维纺织复合材料具有优异的力学性能、可设计性强和耐极端环境等优点,在航空航天领域有着广泛应用。为深入了解应用于高温环境中三维纺织复合材料的结构体系和力学行为,本文从三维纺织结构出发,综述了三维纺织复合材料结构类型及其在航空航天领域上的应用;总结了三维纺织复合材料成型工艺和结构特征;分析了三维纺织复合材料热-力学性能的研究进展情况;提出了未来的研究重点和需解决的关键问题,以期为新一代三维纺织复合材料的耐高温/承载设计、制造和应用提供依据。

MoO_(2)-NC/聚偏氟乙烯复合材料的制备及其电磁屏蔽性能

现代电子信息技术的飞速发展给人类生活带来巨大便利的同时也产生了严重的电磁干扰问题,不仅会影响电子设备的正常使用,而且还会危害人类健康。鉴于此,亟需开发高性能电磁屏蔽材料来解决电磁辐射污染。本文结合简单的水热法、原位化学氧化聚合和高温碳化工艺成功制备出一维异质纳米填料MoO_(2)-NC,并将其填充于柔性聚偏氟乙烯(PVDF)基体中,通过简单的溶液混合和热压技术制备出一系列MoO_(2)-NC不同质量分数下的MoO_(2)-NC/PVDF复合材料,研究了复合材料整体的电磁屏蔽性能。结果表明,经高温处理后,将前驱体聚吡咯(PPy)热解为碳材料,同时通过碳热还原法将MoO3还原成MoO_(2),使得纳米填料的电导率获得大幅提升,MoO_(2)-NC的电导率在20 MPa下最高能达到133.67 S/cm,比煅烧前的样品增加了28倍。当MoO_(2)-NC的质量分数为40%时,复合材料具有优异的电磁屏蔽性能,这一复合物的总屏蔽效能在X波段范围内最高能达到32.2 dB,比商用标准(20 dB)高出60%,由此表明MoO_(2)-NC具有作为高效电磁屏蔽功能填料的应用潜力。

连续阻尼夹嵌结构复合材料的弯曲疲劳特性研究

为了研究连续阻尼夹嵌结构复合材料(CDSSC)的弯曲疲劳特性,采用120℃共固化工艺制备了CDSSC试件并进行了静载三点弯曲试验和三点弯曲疲劳试验。在静载三点弯曲试验中,运用ANSYS数值模拟与试验结果共同求解出CDSSC外载荷与弯曲应力的线性公式;在三点弯曲疲劳试验中,采用线性公式求解出不同等级的应力水平并对CDSSC施加等效的疲劳循环载荷,试验结束后通过拟合得到CDSSC的疲劳-寿命(S-N)曲线。采用相同疲劳循环载荷研究了阻尼层厚度对CDSSC疲劳寿命的影响。结果表明:CDSSC疲劳失效的主要形式是层间滑移,且不会发生脆性断裂;疲劳寿命主要受材料中阻尼层的影响,当阻尼层厚度达到0.3mm时,疲劳寿命明显缩短,此后疲劳寿命趋于平稳;当阻尼层厚度为0.1mm时,CDSSC的疲劳性能最佳。

CVD合成三维石墨烯-铜复合材料及其超高导电性(英文)

石墨烯-铜复合材料具有广阔的应用前景。然而,具有超高导电性的石墨烯-铜复合材料仍未成功开发和应用。本研究利用铜粉烧结内部形成三维微孔,并通过化学气相沉积(CVD)法合成石墨烯-铜异质结构。将其挤压成直径为4 mm的铜-石墨烯复合线材,测量了其在室温和高温下的电导率,获得了导电率(101.0%IACS)高于国际退火铜(100%IACS)的铜-石墨烯复合材料,且石墨烯-铜复合导线的高温载流量比纯铜线高5.45%。本研究为获得超高导电性铜基复合材料提供了新的思路。

不同波纹钢-混凝土板复合结构水下抗爆机理及损伤等级预测

为探究不同波纹钢-混凝土板复合结构的水下抗爆机理,采用光滑粒子流体动力学与有限单元(FEM-SPH)耦合方法模拟混凝土板在水下接触爆炸下的损伤过程,并与试验结果对比,以验证数值方法的有效性;采用FEMSPH方法探究不同防护方案下墙面板毁伤过程及失效模式,揭示其水下防爆机理,并构建出墙面板损伤等级预测曲线。研究结果表明:模拟结果与试验结果较为吻合,验证了模拟方法的有效性;在含12 mm厚波纹钢的复合结构(T-12)、含75°夹角的波纹钢复合结构(A-75)和含厚70 mm波纹钢的复合结构(WH-70)三种防护方案下,墙面板的毁伤范围较未加固墙面板最大降幅分别为83.0%、81.6%和82.5%;预测曲线可以直观评估出炸药量和复合结构中波纹钢波高变化对墙面板损伤等级的影响。

装配式轻钢框架-复合轻墙结构抗震性能试验研究

文中主要针对低周反复荷载作用下装配式轻钢框架-复合轻墙结构的力学特性进行了分析,并与常规轻型钢框架进力学特性进行了对比,深入探析粉煤灰层厚度对装配式轻钢框架-复合轻墙结构的抗震性能的影响。结果表明,与轻型钢框架相比,装配式轻钢框架-复合轻墙结构的破坏荷载提升85.5%,破坏刚度提升18.5%,累计耗散能提升83.2%;填充粉煤灰后,装配式轻钢框架-复合轻墙结构的破坏荷载18.5%,破坏刚度变化不大,累计耗散能提升28.6%。总体上,填充粉煤灰可增强装配式轻钢框架-复合轻墙结构的抗震性能。

铜/钢爆炸焊接复合界面的显微组织及晶粒结构演化机理

采用光滑粒子仿真、先进表征和理论分析相结合的方法,对铜/钢复合材料爆炸焊接过程中的界面瞬态行为进行深入研究,并详细阐述其显微组织演化机制。根据仿真数据重构波形完整的演化过程,并揭示各种界面特征的形成机制。多尺度EBSD分析表明,界面附近区域呈多样性的晶粒结构,其演化机制主要受塑性流动、动态再结晶和凝固形核三个过程的控制。最后,通过纳米压痕实验建立晶粒结构与力学性能之间的关系。

CFRP-PCPs复合筋加固钢-混组合梁负弯矩区抗裂试验与理论计算

为解决钢-混组合梁负弯矩区混凝土板易开裂而造成刚度减弱的行业难题,以预制的CFRP-PCPs(carbon fibre reinforced polymer-prestressed concrete prisms)复合筋作为中支座的腹筋,并以复合筋的数量、预应力张拉水平和截面尺寸为主要参数设计制作了五根复合筋钢-混组合连续梁和一根普通组合连续梁,研究其在单跨单点荷载下负弯矩区的抗裂性能。结果表明:复合筋能显著增强中支座截面刚度,对负弯矩区的裂缝控制能力提升显著;与普通组合梁相比,复合筋梁的开裂荷载提高近30%,裂缝数量与裂缝宽度减少近50%;复合筋面积是提高裂缝控制能力的主要因素,预应力水平和截面尺寸对开裂荷载的影响较弱;复合筋的开裂荷载与预应力水平、面积正相关,其中预应力水平是影响复合筋效用时长的关键因素。基于现有理论和试验数据,本文提出CFRP-PCPs复合筋钢-混组合梁负弯矩区开裂荷载和复合筋的开裂荷载计算公式,计算结果与试验值较为吻合,可为复合筋在钢-混组合梁桥实际工程中应用提供参考。

具有定向结构的钨-铜复合材料研究进展

钨-铜复合材料兼具两相的优异性能,广泛应用于工业领域。定向结构可以实现其功能的各向异性,更具有应用前景。首先,简要介绍了具有定向结构的钨-铜复合材料的发展状况;其次,介绍了具有定向结构钨-铜复合材料的主要制备方法和该复合材料的增强增韧机理;最后,讨论了该种材料的潜在应用领域、制备方面的主要困难和将来的重点研究方向。

仿生高韧水泥基复合材料制备技术及增韧机理

为了提升混凝土基体的韧性,基于贝壳珍珠层独特“砖-泥”结构,采用水泥石与有机聚合物制备出具有仿生“砖-桥-泥”结构的高韧水泥基复合材料.通过三点弯曲试验、扫描电子显微镜及有限元模拟方法研究了仿生水泥基材料的抗折强度、韧性及增韧机理.结果表明,相较于传统水泥的脆性断裂模式,仿生水泥基材料表现出明显的延性断裂特征,包括峰后曲线渐进下降、跨中挠度大幅增加等.基于有机聚合物的多尺度桥接-伸展效应,仿生水泥基材料内部呈现明显的裂纹偏转及分支现象,体现了仿生“砖-桥-泥”结构的内外协同增韧机制.仿生水泥基材料能够在保证95%抗折强度的基础上,将水泥基体的韧性提高179.45%,可为解决混凝土增韧降脆问题提供新的技术路径.

壳聚糖接枝PGMA增容PLA/PBAT复合材料的结构与性能

采用离子交联和表面引发接枝聚合法(SIP)制备了壳聚糖接枝聚甲基丙烯酸缩水甘油酯改性纳米粒子(CSPGMA),使用傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜(SEM)对合成的CS-PGMA进行了表征。结果表明,通过离子交联和SIP成功制得CS-PGMA改性纳米粒子,且分散情况得到明显改善。以CS-PGMA为增容剂,通过熔融共混法制备聚乳酸(PLA)/聚(对苯二甲酸-己二酸丁二酯)(PBAT)/CS-PGMA三元复合材料,采用SEM、拉伸性能测试、差示扫描量热、动态热机械分析、热重和降解试验等考察了CS-PGMA含量对复合材料微观结构、力学性能、熔融结晶行为、界面相容性、热稳定性和降解性能的影响。结果表明,PLA和PBAT为热力学不相容体系,CS-PGMA能有效增容PLA/PBAT共混物。随CS-PGMA含量增大,复合材料拉伸强度呈先增大后降低的趋势,降解率呈先下降后增大的趋势,热稳定性逐渐下降。少量CS-PGMA可促进冷结晶,但当其质量分数超过2%时,冷结晶逐渐受限。当CS-PGMA质量分数为4%时,拉伸强度最高为47.85 MPa,断裂伸长率为225.03%,满足柔性包装材料的使用要求。

热处理温度对SiC-MgAl_(2)O_(4)-Al复合材料性能的影响

为提高煤气化炉用碳化硅-尖晶石复合材料的力学性能,以SiC颗粒(≤2.5 mm)、尖晶石细粉(≤90μm)、α-Al_(2)O_(3)微粉(d_(50)≈5μm)和金属Al粉(≤74μm)为主要原料,在氮气气氛中进行热处理,制备了SiC-MgAl_(2)O_(4)-Al复合材料。分析了200~1600℃不同热处理温度对复合材料显微结构、物相组成和力学性能的影响。结果表明:1)当热处理温度大于1000℃时,复合材料中的Al开始逐渐反应生成Al-O-C-N晶须,可显著提升材料的力学性能。2)常温和热态抗折强度随着复合材料内Al-O-C-N晶须含量的增多和尺寸的增大而提高。通过调整热处理温度可调控材料内Al-O-C-N晶须的物相组成、含量和形貌等,从而实现对复合材料物相组成与显微结构的调控,提升材料的力学性能。

波纹钢厚度对复合结构损伤特性及抗爆性能的影响

为探究不同厚度波纹钢加固混凝土板的抗爆性能,采用FEM-SPH耦合方法建立接触爆炸荷载下波纹钢-混凝土板复合结构三维精细化数值仿真模型,对比分析爆炸试验模拟结果与试验结果;探究波纹钢厚度变化对复合结构动力响应、损伤演化特征及毁伤模式的影响,揭示复合结构中冲击波的传播机理,并对复合结构毁伤预测并评价。研究结果表明,波纹钢-混凝土板复合结构中混凝土板爆坑直径的模拟结果与试验结果高度吻合;复合结构中波纹钢跨中位移、峰值应力和应变随波纹钢厚度增加而减小,而能量吸收值随波纹钢厚度增加而增大;复合结构的损伤范围随波纹钢厚度增大逐渐缩小,其破坏模式为混凝土板的爆坑和贯穿破坏;预测公式可以很好地算出混凝土板爆坑直径和深度,复合结构抗爆性能随波纹钢厚度增加而提高。研究成果可为波纹钢-混凝土板复合结构在结构抗爆防护领域的应用提供理论基础。

浅析木质复合材料在装配式钢木结构建筑中的实践应用

近几年来,我国的经济发展取得了举世瞩目的成就,同时也给建筑行业带来巨大机遇和挑战,而在这种背景下装配式钢木结构作为一种新型材料被应用于房屋建设中已成为必然趋势,由于其优越性已经得到广泛应用并逐渐走向成熟化道路。因此,本文首先对木质复合材料这种新型的建筑材料进行了介绍,然后分析其关键技术,然后以清凉湾项目游客中心为实际案例,分析木质复合材料在装配式钢木结构建筑中的应用优势,多维度论述该种材料在装配式钢木结构建筑中的具体实践应用,旨在助力我国现代化建筑行业的健康可持续发展。

主梁腹板偏置及复合材料铺层的大型风力机叶片结构性能分析

为研究大型风力机叶片内部结构偏转及表面偏轴蒙皮纤维共同作用下的叶片结构性能,基于NX二次开发建立NREL5MW叶片CAD模型,通过CFD方法求解叶片气动载荷,结合有限元方法对其进行模态、静力学及屈曲稳定性计算。结果表明:各叶片一阶固有频率均有下降,腹板偏转角θ对叶片模态影响高于纤维偏转角α;在气动载荷作用下,叶尖最大形变量均大于传统叶片;叶片最大应力位于近叶根最大弦长处,叶片表面应力随偏转腹板角θ增加而增大,且θ>0叶片均大于θ<0叶片;θ<0叶片易屈曲失稳区域于前段气动区,而θ<0位于近叶根区靠近前缘处,同一偏转角度下,θ<0叶片一阶屈曲因子均大于θ>0叶片,抗屈曲能力较好;综合分析,θ=-15°,α=15°叶片模态降幅小,屈曲因子增幅及表面应力降幅较为显著,降低叶片结构应力效果良好。

内压下轴编碳/碳复合材料喉衬细观结构与宏观应力状态的关联模型

针对内压作用下的中空轴编C/C复合材料设计问题,提出依据复合材料均匀化理论,将中空结构简化为功能梯度材料圆筒的构想,构建了轴编C/C复合材料细观结构与宏观应力分布的理论关联模型。以中空结构等应力分布为设计目标,采用所建立的关联模型设计获得轴编C/C复合材料的编织工艺方案,并通过有限元仿真验证了方案的正确性。结果表明,建立的关联模型为轴编C/C复合材料喉衬的编织工艺设计提供了理论支撑,通过对碳棒和纤维束排布规律等细观结构的设计,喉衬内外周向应力差减小了24.58%。