陶瓷纤维复合材料的应用研究进展

陶瓷纤维复合材料是当今科技的研究热点。陶瓷纤维复合材料具有良好的特性,可用于航空航天、汽车、建筑、体育和生物医学等多个领域。陶瓷复合材料显示出非凡的结构和机械特性,如高强度质量比、耐化学性、防火、耐腐蚀和耐磨损。在此,概述了陶瓷复合材料的分类、制造和应用,重点介绍了陶瓷纤维复合材料在高温绝热保温、污水处理、高温烟气过滤、吸声领域中的应用,最后对陶瓷纤维及其复合材料未来发展方向进行了展望。

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%。

纤维增强复合材料增强胶合木受弯构件研究综述与展望

针对纤维增强复合材料(FRP)增强胶合木受弯构件研究进行综述,系统梳理了现有增强技术,详细阐述了界面黏结性能、抗弯性能、蠕变性能的影响因素与分析方法。研究表明:FRP增强技术能更有效地利用胶合木受弯构件中木材的强度,提高构件抗弯承载力、控制弯曲变形并改善脆性破坏模式。针对FRP增强胶合木受弯构件在工程应用上的制约因素,提出了在预应力增强技术、长期性能、抗火性能和可靠性方面研究中亟需解决的关键问题。

纤维增强树脂基复合材料在船舶领域的应用综述

纤维增强树脂基复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)因其具有耐化学腐蚀和耐候性好等优异性能,其大面积使用能够实现船舶的高航速、低排放、远续航,进而成为现代造船的理想材料之一.文中主要从成型工艺、应用现状及其发展趋势三个方面对FRP在船舶领域的应用前景进行概述与分析.首先,基于对多类型船用FRP复杂制备工艺的概述,统计了最常用的船舶FRP性能参数及分析了各类型FRP的应用优势;然后,根据FRP在船舶上的不同应用场景,对其在船体制造的应用现状进行了详细概述.最后,依据现代船舶装备发展需求,从船舶制造技术发展方向、应用场景及结构化发展等方面对船舶FRP应用发展趋势进行了全面分析.

纳米颗粒填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能

为探究纳米颗粒[纳米氧化铁(NFe)、纳米二氧化硅(NS)、多壁碳纳米管(MWCNT)]填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GFRP)的力学性能,对纳米颗粒质量分数分别为0.1%、0.2%、0.5%、1.0%的纳米颗粒/GFRP材料开展了拉伸、压缩、弯曲及冲击力学性能试验,并结合扫描电镜(SEM)分析了纳米颗粒的种类及质量分数对试件力学性能的影响规律。结果表明,随着纳米颗粒质量分数的增加,试件拉伸强度均先增大后降低,纳米颗粒的良好分散性及与树脂间的黏聚力能够提升试件的拉伸强度,但过量纳米颗粒的掺入会形成积聚现象,使得试件拉伸强度降低。相较于GFRP试件,掺入纳米颗粒的质量分数为0.1%、0.2%、0.5%和1.0%时,MWCNT/GFRP抗压强度的增幅分别为25.31%、36.04%、26.84%和27.25%,弯曲强度的增幅分别为58.74%、63.21%、40.89%及43.11%,纳米颗粒的掺入使得试件抗压强度、弯曲强度、冲击强度均得到改善,颗粒种类及质量分数的不同使得试件力学性能提升效果存在差异。SEM试验结果表明,外荷载作用下纤维出现断裂、分层现象,纤维与纳米颗粒间存在的摩擦效应增强其力学性能,颗粒的积聚使得试件力学性能降低。

玄武岩纤维增强复合材料拉挤圆管抗弯性能研究

为使玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)拉挤圆管在桥梁工程中得到更广泛地应用,对其抗弯性能进行试验及有限元分析。对2根长度为750 mm的BFRP拉挤圆管进行三点抗弯试验;采用LS-DYNA有限元软件对试验过程进行模拟,验证有限元模拟的正确性;在保持BFRP拉挤圆管总厚度不变的条件下,研究内、外层双向纤维布的铺设厚度和角度对抗弯性能的影响。结果表明:试件从加载至破坏分为线弹性阶段、下降阶段和残余阶段,试件破坏后残余强度较大且卸载后迅速回弹恢复几何形状;有限元模拟试件的荷载~滑移曲线、失效现象和试验结果吻合较好,有限元模拟正确;布置适量厚度的内、外层双向纤维布可以提高试件的抗弯承载力;将内、外层双向纤维布铺设方向由90°变为45°后,抗弯承载力进一步提高,随着外层45°纤维布厚度增加,破坏时的挠度下降。建议制作BFRP拉挤圆管时,布置适量厚度的双向纤维布,角度以45°为宜。

桥梁工程中的纤维增强树脂基复合材料应用进展

为满足恶劣环境条件下现代化桥梁工程高质量建造所需材料的力学性能、耐腐蚀性及耐疲劳性等要求,基于纤维增强树脂基复合材料的优异性能,从公路桥、观赏桥、梁式桥以及超大跨度悬索桥等不同工况要求下的桥梁建设出发,总结了纤维增强树脂基复合材料的发展与应用现状。指出纤维增强树脂基复合材料在桥梁工程应用中仍存在应力损失、受风力影响大及回收处理难等弊端,并提出了主要的解决思路。

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。

纤维增强热塑性复合材料拉挤成型工艺研究进展

拉挤成型作为一种连续生产固定截面的热塑性复合材料成型工艺,具有原材料利用率高、生产效率高、废品率低、产品复制性强、可设计等优点,已在轻量化汽车、建筑建材、风电叶片等领域内广泛应用。热塑性树脂基体存在室温下呈固态、熔融状态下流动性差的问题,导致纤维浸渍困难,成为此类成型工艺发展的瓶颈,因此改进拉挤成型工艺的关键集中在纤维浸渍技术上。本文综述了纤维增强热塑性复合材料拉挤成型工艺的研究进展,并根据浸渍方式的不同将热塑性复合材料拉挤成型工艺分为非反应型拉挤成型工艺和反应型拉挤成型工艺,介绍了每种成型工艺的浸渍特点、制备流程以及工艺优化方案,阐述了拉挤成型工艺中不同的纤维浸渍方式对制件质量的影响规律,最后对拉挤成型工艺现存的问题进行了讨论,展望了未来纤维增强热塑性复合材料拉挤成型工艺的发展趋势,为今后拉挤成型工艺的深入研究和开拓创新提供参考。

基于数据库的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度计算方法

玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验主要研究弯折半径与直径之比对弯拉强度的影响,直线段抗拉强度对弯拉强度的影响研究较少。本文基于ACI 440.3R-12中B.5试验方法,开展3组(9个弯拉试件)不同直线段抗拉强度的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验研究。3组试件直线段抗拉强度分别为530(A组)、850(B组)和1100 MPa(C组),弯折半径与箍筋直径之比均为3。试验结果表明:所有试件均发生玻璃纤维增强复合材料箍筋弯折段被拉断的破坏模式;A、B、C组试件弯拉强度分别为325、445和530 MPa。本文系统收集了国内外已有93个弯拉试件,并结合本文9个弯拉试件建立了玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验数据库。基于数据库统计分析,提出了保证率不小于95%的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度计算方法。

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料永久模板叠合RC单向板短期刚度计算方法

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料(HFRCC)具有良好的受拉韧性和耐久性能,是永久模板的理想材料。首先探究了PVA纤维掺量对HFRCC工作性能和抗折强度的影响,随着PVA纤维掺量增加,HFRCC的工作性能显著减弱,抗折强度先增大再减小,最终选用含有1.5%钢纤维和0.25%PVA纤维的HFRCC来制作永久模板。随后对六个HFRCC永久模板叠合RC单向板和一个RC单向板进行了四点受弯试验,探究了HFRCC-RC界面处理方式和配筋率对叠合板受弯性能的影响。试验结果表明:抹平、等距凹槽和钢钉拉毛三种界面处理方式对叠合板受弯性能的影响可以忽略;HFRCC模板能够有效限制裂缝发展,减小裂缝宽度和间距,叠合板的开裂弯矩相比于普通混凝土板提高了20.1%~31.7%。分别采用刚度解析法和有效惯性矩法建立了HFRCC-RC叠合板短期刚度计算方法,两种方法均有较高的计算精度且离散性较小。

纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程数值模拟研究进展

纤维增强热固性树脂基复合材料在高端制造领域应用广泛,其固化过程涉及树脂流动、固化反应发生、残余应力引发固化变形等多个步骤。数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料的工艺成型过程是一个多场耦合的复杂问题,建立完善的数值模拟方法用来预测其成型过程中的固化行为对于工艺类型选择、工艺参数设计和复合材料构件性能优化具有重要的理论与实践意义。本文归纳了数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程的主要研究进展,并讨论了不同数值模型的适用条件,通过分析同一问题不同模型的适用条件可以为复合材料固化工艺及参数设计的选择提供指导。提升精度和降低成本是数值模型迭代优化的主要研究方向。在此基础上,本文对数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程进行了总结,并认为未来可以从复合材料的树脂流动多尺度建模、机器学习与材料基因组方法在复合材料的构件优化设计中的应用和残余应力对复合材料的性能及使用寿命的影响等方面开展研究。

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。

玄武岩纤维增强复合材料现状及发展前景研究

玄武岩纤维(BF)具有绿色环保、高强耐腐、隔音隔热等优点,广泛应用于各类玄武岩纤维复合材料(BFRP)的研发中。目前BFRP还存在制备工艺不足、产品质量不稳定、改性混掺工艺不足等问题,针对上述问题的研究缺乏系统性总结。为此,研究了当前BFRP的制备与生产工艺、增强机理及应用现状,总结并提出了BFRP的发展及应用困境,并给出了相应的建议和研究展望。研究表明:当前基于最优单掺纤维的BFRP不断应用于土建交通、石油运输、航空航天等领域中,并呈增长趋势;但高性能BF生产、纤维混掺、BF界面改性等新型BFRP制备工艺还存在生产成本高和成品质量不稳定等问题,制约了高性能低能耗BFRP研发;BFRP生产应用全过程的规范标准仍然不健全,限制了BFRP的推广应用。随着新工艺不断发展和高性能BF的陆续研发,BFRP性能将更优异、能耗更低,未来将是BFRP深度应用的时代。研究对于高性能低能耗BFRP的研发及应用具有一定参考价值。

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。

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。

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%。

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。