Z-pin增强复合材料加筋构件连接性能研究

通过横向三点弯曲试验研究Z-pin直径和体积分数对复合材料加筋类简化构件连接性能的影响。随着Z-pin体积分数的增加,Z-pin增强试件相比于空白对照试件,有效载荷提升48.41%~96.97%,总能量耗散提升661.88%~748.72%,本试验组研究结果表明高Z-pin体积分数可以有效提高加筋试件的承载能力。在Z-pin体积分数同为0.4%的情况下,Z-pin直径为0.5 mm的试验组的承载能力略高于Z-pin直径为0.3 mm的试验组的承载能力,但Z-pin直径为0.3 mm的试验组具有更好的稳定性。试验结果表明Z-pin的植入能够提高复合材料加筋类简化构件的有效载荷及能量耗散,很大程度上提高了加筋试件的连接性能。

湿热条件下Z-pin增强复合材料层合板性能研究

对湿热条件下Z-pin增强复合材料层合板的力学性能进行了研究,考虑温度、湿度以及pin的插入造成微观结构改变对材料弹性模量的影响,建立了Z-pin增强复合材料层合板在湿-热-力耦合作用下的本构模型。利用有限元对在湿热条件下Z-pin增强复合材料单层层合板的损伤破坏进行了模拟,并与现有文献的实验结果进行对比。结果表明:模拟结果与文献实验结果吻合较好,Z-pin增强复合材料的强度随着温度的升高而降低;吸湿率增加也会降低Z-pin增强层合板的强度;相比于拉伸强度,湿热对压缩强度的影响更显著。

基于黏聚区模型的Z-pin增强复合材料T型接头分层损伤研究

复合材料T型接头Z-pin增强就是将直径非常细的金属或复合材料pin针植入筋条-蒙皮截面,通过Z-pin的桥接牵引提高接头力学性能。采用ABAQUS有限元软件分别建立了T型接头与Zpin增强T型接头的三维数值计算模型。基于黏聚区模型,采用新的简化后Z-pin桥接牵引关系模拟Z-pin增强作用过程。模拟了T型接头的拉伸失效模式,计算了其拉伸强度和总耗散能,对比分析了有无Z-pin增强2种接头的载荷-位移曲线和损伤耗散能-位移曲线。数值计算结果与文献中数据符合较好。结果表明:Z-pin增强T型接头的极限载荷与极限位移相比于无增强T型接头分别提高了66%和304%;2种接头的载荷-位移曲线斜率相同,初始损伤载荷一致;Z-pin增强T型接头在拉伸破坏过程中相比于无增强接头吸收能量多13.74倍。

Z-pin增强复合材料层合板缺陷的红外检测技术研究

针对Z-pin增强碳纤维复合材料层合板在制造中产生的典型缺陷,本文在分析其对温度场的作用的基础上,研究了Z-pin结构中缺陷热特征提取的方法。用有限元法分析了不同尺寸Z-pin植入后产生的富树脂区缺陷、不同深度的Z-pin断裂缺损缺陷、不同角度的Z-pin倾斜缺陷与可检测信息参数之间的关系,对富树脂区缺陷的检测进行了实验验证。研究结果表明:最大温差与最大对比度随着富树脂区面积的增大而增大,随着Z-pin缺损深度的增大而减小,随着Z-pin倾斜角度的增大而增大,增大或减小的程度均呈非线性关系;红外热像实验与仿真结果一致。研究结果为Z-pin增强复合材料层合板缺陷与损伤的红外热像检测与评估提供了理论依据与技术支持。

Z-pin增强复合材料T型接头拉伸数值模拟与参数分析

利用内聚力模型建立了Z-pin增强复合材料T型接头拉伸破坏过程的数值分析模型,并对Z-pin的分布进行参数分析.通过Z-pin桥联试验得到Z-pin拔出的位移-载荷曲线,再将该曲线转化为Z-pin所在区域的界面单元属性,从而模拟Z-pin对T型接头性能的增强效果.通过静力拉伸试验验证了该模型的可靠性.在此基础上分析了不同Z-pin分布对T型接头拉伸性能的影响,结果表明:Z-pin列距越小则拉脱载荷及极限位移越大,Z-pin行距的变化对结构承载能力影响较小,而Z-pin与中轴面的距离增大会使拉脱载荷呈线性减小的变化趋势.

Z-pin增强复合材料冲击性能及损伤容限研究进展

本文总结了碳纤维复合材料Z-pin增强的联桥机制、Z-pin植入产生的面内纤维屈曲效应以及富树脂区的形成,重点分析了Z-pin植入密度、直径、植入角度及不同复合材料层合板厚度和铺层对冲击性能和冲击后剩余力学性能的影响。研究表明:Z-pin在较低冲击能量下对冲击阻抗的影响不明显;Z-pin对于分层损伤起始影响不大;Z-pin的存在会提高中等厚度(4.5 mm)板抗分层性能;Z-pin并不会改变冲后压缩试验的失效形式,在一定冲击能量范围内Z-pin会极大地提高剩余压缩强度;试件在低速冲击表面不可见损伤情况下,Z-pin对复合材料疲劳性能基本没有影响;在较高冲击能量下Z-pin体积分数越高,疲劳性能增益效果越明显。

RTM成型Z-Pin增强复合材料T型元件拉脱性能研究

采用RTM工艺制备了复合材料Z-Pin增强与未增强的T型元件,并进行了拉脱破坏对比试验,结果表明,Z-Pin增强的T型元件的拉脱破坏载荷较未增强的提高了64.8%,本文从试验现象和破坏模式上分析了这种情况产生的原因。

微细金属Z-pin对复合材料开孔板压缩性能的影响

通过开孔板压缩试验和建立的参数化多尺度有限元模型,获得微细(φ0.11 mm)金属Z-pin植入体积分数和排布方式对开孔板压缩力学性能和失效行为的影响规律.采用离散实体单元代表Z-pin,选用3D Hashin失效准则判断面内起始损伤,可以有效地模拟结构失效过程中扭结现象的不稳定扩展.结果表明,所有加Z-pin开孔板的压缩强度均低于无Z-pin试样.随着Z-pin植入体积分数的增加,Z-pin与层合板之间的桥联作用增强,加Z-pin开孔层合板压缩强度增加,开孔周围分层损伤区域受到抑制,损伤区域面积最高减小了67%.在相同的体积分数下,Z-pin排布变化对开孔板压缩强度没有显著影响.加Z-pin开孔板有限元模型的模拟结果与试验结果之间的最大相对误差为8.6%.

增强体表面改性在高导热金属基复合材料中的应用

随着电子技术的高速发展和电子器件的更新换代,电子封装材料的性能需求越来越高。金属基复合材料,尤其是铝基和铜基复合材料具有高导热、低膨胀、高稳定性等特点,是具有广阔应用前景的电子封装材料。然而,金刚石、石墨烯、硅等增强体与基体的润湿性差,或者在高温下与基体发生有害的界面反应,限制了此类高导热金属基复合材料的开发和应用。本文简述了金属基复合材料的界面研究进展,结合影响金属基复合材料界面结合的因素,提出了几种改善界面结合的方法。增强体表面改性是改善金属基复合材料界面的重要途径之一,常用工艺有磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、化学镀法等;最后,对增强体表面改性在高热导金属基复合材料中的应用进行分析和展望。

航天器复合材料桁架连接增强方法与验证

大型航天器主承载复合材料桁架局部承受过大的轴向拉伸载荷时,存在接头与杆件拉脱破坏的风险。基于胶接桁架碳纤维分层破坏机理,提出了外套管增强胶接、锥面配合增强胶接和组合增强胶接3种连接增强方案,通过优化传力路径达到降低层间应力的目的。针对3种连接增强方案,投产了相应的试件开展性能测试。经试验验证,胶接增强设计方法能够有效提高承载能力33%~66%,极限拉脱力达到200 kN,可为大型航天器主承载桁架研制提供参考。

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。

混杂颗粒增强Ni基复合材料的冲蚀磨损性能研究

煤炭开采、石油化工等极端工况条件下的机械装备对部分关键零部件材料的磨损性能提出了更高要求。本研究设计制备了大尺寸氧化锆颗粒(ZTAp)承载与小尺寸碳化钨颗粒(WCp)强化基体相结合的混杂颗粒增强金属基复合材料,研究了介质、冲蚀角度、ZTAp尺寸、WCp含量对复合材料冲蚀磨损性能的影响及其机理。结果表明,适量ZTAp、WCp的添加能够显著提高复合材料的抗冲蚀磨损性能。固定体积分数的ZTA颗粒,尺寸越大,复合材料冲蚀磨损性能越好,其主要失效形式为脆性剥落和疲劳断裂。WC颗粒通过第二相增强、固溶强化以及析出强化的方式,提高了基体的硬度和耐磨性,抑制了酸性介质中腐蚀与磨损的交互作用,冲蚀过程中主要失效形式为脆性断裂剥落。

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.

铝酸盐体系中氧化时间对碳化硅颗粒增强铝基复合材料微弧氧化膜层的影响

[目的]探究氧化时间对碳化硅颗粒增强铝基(SiC_(p)/Al)复合材料微弧氧化膜层的影响。[方法]选用铝酸盐体系作为电解液,对SiC_(p)/Al复合材料进行微弧氧化处理,分析氧化时间对膜层组织结构、物相、厚度、粗糙度、结合力、电绝缘性及耐蚀性的影响。[结果]随着氧化时间延长,膜层逐渐变得连续均匀,厚度增加。若氧化时间过长,膜层会出现层叠现象,形成大尺寸微孔及裂纹,且生长速率越来越低。膜层结合力随氧化时间延长先增大后减小,在60 min时最大,达到39.85 N。氧化时间为10 min时,膜层的电绝缘性及耐蚀性最优,100 V和500 V电压下的绝缘电阻分别达到3.11×10^(12)Ω和1.41×10^(12)Ω,腐蚀电位为-0.6298 V,腐蚀电流密度为1.332×10^(-7)A/cm^(2)。[结论]SiC_(p)/Al复合材料表面微弧氧化膜层的连续性、均匀性及生长速率均与氧化时间有关。需选择合适的氧化时间,才能制备出连续、均匀且综合性能优异的膜层。

玻纤增强尼龙复合材料车门拉手座热流道模具设计

在车门拉手座塑件模具设计中,为解决高含量玻璃纤维增强尼龙复合材料成型时容易出现浮纤、收缩各向异性带来的翘曲变形大等潜在品质缺陷问题,运用CAE辅助分析对塑件的成型方案进行了优化分析。将浇注系统优化为潜伏式双浇口浇注系统,浇口的进胶直径为1 mm,流道结构由三级冷流道+一级热流道组成。所获得的浇注效果为:引起浮纤发生的内外壁模温差控制在38℃以下(标准值≤50℃);主要外观面盖面的纤维取向张量范围为0.7373~0.9986,能有效保证盖面的结构强度;塑件最大翘曲变形量为1.024 mm,能保证塑件关键尺寸的成型精度满足MT3级A类精度要求;基于玻纤增强的模腔成型收缩率各向差异化设置分别为X向0.3%,Y向0.1%,Z向0.2%。与优化结果对应的注塑工艺参数为:模温89.4℃,料温292.4℃,注射压力92 MPa,冷却水温度25℃,注塑周期38 s。模具结构为一种两板式热流道模具,一模两腔布局,模具中采用脱模方向集成法设计了3种脱模机构,其中的定模推板斜顶机构和油缸推板型斜抽芯机构对同类塑件脱模机构设计有较好的参考作用。

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。

预处理对TiB_(2)增强铝基复合材料电弧增材影响

以TiB_(2)/6056铝基复合材料丝材为焊材,采用冷金属过渡焊接技术,研究TiB_(2)增强铝基复合材料丝材的电弧增材,重点分析预热处理对增材层成形及接头质量的影响。结果表明:当焊接电流为140 A、送丝速度为8 m/min、焊接速度为5 mm/s、基板预热温度为200℃时制备的增材层与基板未预热制备的增材层相比,外观成形更好,气孔数目降低,气孔尺寸减小,晶粒更细小,TiB_(2)颗粒分散更好,且增材层硬度与拉伸性能均得到了提高。

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。

芯片用金刚石增强金属基复合材料研究进展

随着电子设备集成化程度越来越高,对高导热封装材料的需求也越来越大,金刚石增强金属基复合材料凭借其高导热性能成为研究焦点。然而,由于金刚石颗粒与金属基体之间的不润湿特性,具有高导热性的金刚石增强金属基复合材料难以制备。文中综述了金刚石增强金属基复合材料的研究进展,包括界面改性、工艺参数优化和复合材料制备方法,并指出了金刚石增强金属基复合材料目前存在的问题和今后的研究方向。