玻璃纤维增强聚丙烯基叠层复合材料的力学性能

玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(GRPP)具备优异的刚性,但韧性较差;而聚丙烯(PP)的韧性好,在机械外力作用下不易损伤变形。把PP和自增强聚丙烯(SRPP)两种材料分别用作夹芯结构,GRPP用作蒙皮结构,采用真空袋压工艺制备“三明治”叠层复合材料。利用万能试验机等设备测试夹芯同厚度占比下GRPP/PP和GRPP/SRPP两种复合材料的拉伸性能、弯曲性能和层间剪切性能。试验结果表明,全PP材料的引入增强了GRPP的整体韧性,但都会损伤GRPP的原有刚性。同厚度占比下,SRPP对GRPP拉伸模量的保留率比PP高15%;SRPP对GRPP弯曲模量的保留率比PP高5%;但GRPP/SRPP的层间剪切强度(13 MPa)低于GRPP/PP的层间剪切强度(17 MPa)。

热压罐成型典型制造缺陷对复合材料的力学性能影响研究

利用热压罐成型制备了含有不同参数的面外褶皱试验件和分层试验件,分别对试验件进行拉伸、压缩、短梁剪切和三点弯曲试验,并对试验后样件的断裂形貌进行观察分析,探究了面外褶皱和分层对复合材料综合力学性能的影响和破坏机理。结果表明,面外褶皱使复合材料的拉伸强度、压缩强度、层间剪切强度和抗弯强度分别至多下降了约47%、77%、23%和49%,且面外褶皱的起皱层数对力学性能的影响要比尺寸显著;分层会使复合材料的压缩强度、层间剪切强度和抗弯强度分别至多下降了24%、38%和15%,而对拉伸强度的影响不大。

碳纤维增强环氧树脂三维编织/单向织物混杂复合材料力学性能

为研究层间混杂碳纤维三维编织/单向(3D/UD)织物增强环氧树脂复合材料的力学性能,采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型工艺制备混杂复合材料层合板,通过试验研究分析了不同混杂比、铺层角度以及铺层顺序对混杂复合材料静、动态力学性能的影响。结果表明,单向碳纤维的加入显著提高了混杂复合材料的层间静态力学性能,其层间剪切性能随织物铺层分散性的增加而提升。而随着UD织物铺层比例的增加,混杂复合材料的弯曲性能和储能模量先升高后降低,压缩性能则不断下降。单向碳纤维的铺层角度对混杂复合材料力学性能的影响也较大,0°单向铺层混杂复合材料的静、动态力学性能均优于30°单向铺层混杂复合材料;在相同混杂比下,铺层顺序的不同对混杂复合材料的力学性能也有较大影响,0°单向铺层的三明治结构U6/3D/U6,其弯曲强度和弯曲弹性模量最高,分别为1210 MPa和117 GPa。此外,混杂复合材料3D编织层的失效以丝束与树脂的界面破坏为主,而单向层的失效以纤维断裂和分层破坏为主,不同的失效形式导致了混杂复合材料力学性能的差异。

基于熔融沉积成型的连续纤维增强复合材料3D打印研究进展

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)工艺具有无模自由成型、可设计性强、快速成型等特点,进一步扩大了连续纤维增强复合材料的应用范围,是当前受到广泛关注和研究的3D打印成型工艺。本文针对连续纤维增强复合材料的FDM工艺成形原理、工艺方法及设备、打印原材料等方面进行综述;分析了工艺参数、浸渍状态以及路径规划算法对连续纤维增强复合材料3D打印样件的力学性能及表面质量的影响。针对当前FDM工艺以及技术发展所遇到的问题进行总结并对今后发展的重点方向提出建议。

3D打印连续纤维增强尼龙复合材料冲击性能

连续纤维增强热塑性复合材料中增强相纤维起承载作用,增强相在打印层内部的填充状态及层间的分布位置会对产品的力学性能产生重要影响。为探究不同纤维状态下增材制造件的抗冲击能力,采用熔融沉积工艺制备纤维增强热塑性复合材料,并对复合材料进行冲击性能测试,对断裂表面的扫描电子显微镜图进行分析,深入研究了熔融沉积成型过程中纤维填充方式、纤维叠层顺序、纤维种类以及不同纤维堆叠方向对复合材料抗冲击性能及破坏机制的影响。结果表明,玻璃纤维增强复合材料0°填充的抗冲击性能最佳,冲击强度为197.54 kJ/m^(2),约为抗冲击能力最差的90°填充方式的5倍;三种叠层顺序中包裹式分布的抗冲击能力最佳,冲击强度可达230.56 kJ/m^(2),约比均匀式分布试件的冲击强度高16.7%。玻璃纤维试样冲击强度最优,略高于高强度高温玻璃纤维,垂直堆叠试样的抗冲击性能普遍高于水平堆叠试样,最高冲击强度可达282.76 kJ/m^(2)。对3D打印过程中纤维状态进行研究,为提高3D打印连续纤维增强热塑性复合材料的冲击性能提供参考。

Ⅳ型高压储氢气瓶用碳纤维复合材料界面表征与分析

Ⅳ型高压储氢气瓶的结构载荷主要由外层碳纤维复合材料(CFRP)承载。良好的碳纤维(CF)与环氧树脂(EP)界面性能有助于载荷传递,使CF强度发挥至最大化,提高压力容器的安全性能,另外可以减少CFRP用量,降低成本,从而打破高昂价格带来的应用局限。通过扫描电镜、原子力显微镜、X射线电子能谱仪、动态接触角、微脱黏测试仪及万能试验机对CFRP界面进行了系统的表征与分析。通过分析CF的表面形态、化学成分、润湿性、表面能及界面结合力,揭示了CFRP力学性能与界面性能的相关性。研究表明,CF表面利于形成机械互锁的表面粗糙度、利于化学键结合的含氧活性官能团、利于润湿的极性组分表面能等因素可以增强其与EP的界面结合,最大程度发挥CF的力学性能,使高压容器承载复合材料具有稳定的力学性能。

聚氨酯泡沫填充碳纤维三向织物复合材料薄壁管的吸能特性研究

本文对聚氨酯泡沫填充的碳纤维三向编织管进行吸能性能研究,采用准静态轴压的试验方法研究了三向编织管的破坏模式及不同经纬纱的叠层配比对复合管耐压性的影响,通过对压缩过程、经纬纱受力及破坏形貌的观察,分析经纬纱在吸能过程中的作用,并引入权重评价分析。结果发现:纬纱的增多可以显著提高总吸能与比吸能,但载荷效率明显下降;经纱增多可以提供横向束缚,且可以延长三向编织管的压缩行程,但比吸能有不同程度下降。不同经纬纱配比对交织点处破坏模式有着显著影响,其中C_(2)C_(2)与C_(3)C_(2)交织点几乎不参与压缩破坏;C_(2)C_(4)与C_(3)C_(4)参与破坏程度更高,且C_(3)C_(4)有着更为稳定的变形失效过程。

弹性聚合物基吸波复合材料的研究进展

随着雷达探测技术在军事领域的大规模应用,航空飞行器等军事作战武器在复杂多变的作战环境中受到了严重的威胁。发展具有压缩弹性和吸波性能一体化的复合材料,使其在雷达探测内达到高机动、高巡航和隐身特性是提高其生存能力和军事作战能力的关键措施之一。本文重点综述了弹性聚合物基吸波复合材料的吸波机制,分析了影响吸波性能和压缩性能的各种因素,并对未来弹性聚合物基吸波复合材料的发展方向进行了展望。

先进复合材料研究现状及其在机载武器上的应用展望

材料技术是武器装备更新换代的物质基础,先进复合材料具有轻质、高强、可设计、耐腐蚀、耐高温等优点,将其应用于机载武器的结构中可获得优异的减重效果。本文根据机载武器的服役要求,综述了航空航天用热固性复合材料、热塑性复合材料和陶瓷基复合材料的研究进展及应用现状,并对其在机载武器上的应用前景进行了展望。

聚丙烯自增强复合材料力学性能的温度效应研究

聚丙烯自增强复合材料(All-PP)的增强体和基体为同一种聚合物聚丙烯,其力学性能对温度极为敏感,研究其力学性能的温度效应对该材料的使用和热冲压成型具有重要的指导意义。本文采用差示扫描量热仪(DSC)表征了All-PP材料的热性能,测试了–40~120℃范围内All-PP材料力学性能,并利用扫描电子显微镜(SEM)表征了不同温度条件下材料破坏界面,对其温度效应进行了综合分析。结果表明,All-PP的玻璃化转变温度(T_(g))为–11.5℃,拉伸强度随着温度的上升呈现出先增后减的趋势,在–20℃时达最大值118.5 MPa,低于该温度时发生界面脱黏,导致拉伸强度下降;断裂伸长率随温度的上升而增大;玻璃态时弹性模量始终维持在4.86 GPa左右,几乎不受温度影响,温度提升至–10℃时弹性模量开始随着温度上升而减小;弯曲模量随温度的升高而降低,在–10℃时降幅突增;层间剪切强度在20~120℃温度范围内呈线性下降,但在低温环境(–40~0℃)下受温度影响不大;微观形貌显示随着温度的上升,剪切破坏模式由界面脱黏转变为以基体破坏为主。

复合材料C形梁结构的固化变形控制研究

针对民机复合材料C形梁结构的固化变形问题,建立了包括传热分析模型、固化动力学分析模型、弹性模量模型、树脂收缩模型在内的仿真预测模型,对C形梁缩比件结构的固化变形进行了预测,预测结果与试验结果相比,具有较小的误差。本文将固化变形的仿真预测结果用于指导C形梁缩比件的模具型面修正调节,用型面调节后的模具制备C形梁的变形测量结果满足结构精度要求,实现了对C形梁结构固化变形的有效控制.

碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)航空复合材料的结晶行为及力学性能

通过非等温结晶方法研究了基于碳纤维表面修饰的连续碳纤维增强聚苯硫醚(Carbon fiber reinforced polyphenylene sulfide,CF/PPS)复合材料的结晶行为,并对不同降温速率结晶的复合材料样品进行弯曲和冲击等力学性能测试,探讨了CF/PPS复合材料加工条件与结晶特性以及宏观性能之间的联系。研究表明,在降温速率为10K/min^70K/min,CF/PPS的结晶峰温度与起始结晶温度均随着降温速率的增大而降低;其球晶生长速率和结晶速率也随之增大,但结晶度随着降温速率的增大而减小;PPS的晶核数量随着降温速率的增大而增多,平均球晶尺寸随之减小。当降温速率从10K/min增大至70K/min时,复合材料的弯曲强度从719.2MPa降低至689.4MPa,下降了4%;弯曲模量从70.0GPa降至63.5GPa,降低了9%;缺口冲击强度却随之增强,从62.0kJ/m^2提高至72.3kJ/m^2,提高了15%。

汽车轻量化用碳纤维复合材料国内外应用现状

在节能减排、开发清洁能源汽车的背景下,车用材料轻量化是目前全球汽车工业技术研发的主要目标之一。本文对国内外主要汽车制造商在汽车轻量化用碳纤维复合材料的应用现状进行概述,指出了我国汽车轻量化技术发展存在的问题。

纺织结构碳纤维增强尼龙基复合材料的成型加工及力学性能

纺织结构碳纤维增强尼龙6（CFF/PA6）复合材料的力学性能优于短、长纤增强材料,但成型加工较困难。文中提出一种基于碳纤维（CF）表面改性的CFF/PA6成型方法,研究了多种CF表面改性处理法及模压成型压力对材料力学性能的影响。发现在氮气氛围中400℃高温处理4h可有效去除CFF表面浆料,通过饱和的尼龙/甲酸溶液处理24h可使CF表面活化、与PA6形成氢键,并使PA6以黏度较低的溶液状态渗透CFF丝束内部,孔隙率从8.05%降至0.81%。进而采用薄膜叠层模压法制备CFF/PA6,在250℃,2.5~3.0 MPa下加载10min,所得材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别达到464.48 MPa,698.47 MPa和95.3kJ/m2,较未经表面处理的材料提高40%~50%。利用扫描电子显微镜可以看到,所制备的复合材料具有良好的基体-增强体浸润性和较强界面。

复合材料C型梁回弹变形影响因素权重分析

复合材料C型梁制造回弹变形的主要影响因素有几何结构、铺层间剪切效应和模具作用等。在复材固化过程中,这些因素共同作用,导致构件发生变形,对构件的几何精度产生不利影响。针对大飞机结构中常用的复合材料C型梁,通过理论分析、有限元计算和试验测量等方法,研究了上述因素对回弹变形的影响机理及其作用的权重,为精确预测和控制C型梁的回弹提供了依据。

复合材料湿法模压成型工艺参数研究

采用湿法模压成型(WCM)工艺制备碳纤维复合材料层合板,对浸润时间和固化压力两个工艺参数进行了设计,制备了不同参数的层合板。利用金相显微镜观察了不同参数制备层合板截面的微观形貌,对层合板成型质量进行表征,主要包括层合板厚度、纤维体积含量、短梁剪切强度(ILSS)、压缩强度以及拉伸强度的测试和计算。结果表明,当浸润时间4min、固化压力1MPa时,层合板的成型质量最好,截面缺陷较少,力学性能优良,力学强度相对提高5%~11.45%左右;随着浸润时间的增加,力学性能先迅速增大后趋于平缓,随着固化压力的增加,层合板的纤维体积含量和力学性能都逐渐增加,在浸润时间10min/固化压力1.5MPa时,纤维体积分数和拉伸模量达到最大值,为66.12%和86.50GPa。

工艺间隙对气囊法成型复合材料圆管性能影响

设计并加工了气囊法成型复合材料圆管的不锈钢模具,并利用硅橡胶圆管作为加压气囊,制备了不同工艺间隙条件下的碳纤维复合材料圆管。利用金相显微镜观察了圆管横截面的微观形貌,对圆管的压缩性能进行了测试,并与同种材料和固化制度条件下热压罐成型平板的压缩强度进行了比较。结果表明,工艺间隙与圆管设计壁厚比值为34%时,圆管的成型质量最好,管壁的单层厚度相对较小且比较均匀,管壁内部缺陷较少,压缩强度为634MPa,与热压罐成型平板的压缩强度647MPa相当;工艺间隙增大后,成型质量逐步变差,压缩强度逐步下降,工艺间隙比值为86.7%时,出现了明显的分层和孔隙缺陷,且单层厚度明显偏大且不均匀,圆管的压缩强度下降到427MPa,相比最高值下降34%左右;工艺间隙减小后,成型质量和压缩强度也出现减小的趋势,但减小幅度相对不大。

吸湿条件下可剥布处理对复合材料胶接性能的影响

采用T300/Cycom970预浸料,选取R60、R60s、P60001和EA9895 4种可剥布,利用热压罐分别制备不带有可剥布以及表面带有不同可剥布的复合材料层合板;在(80±2)%RH(相对湿度)和(70±1)℃环境下对其进行吸湿处理,时间分别为0、10 d、20 d和40 d。采用Henkel航空PL7000型号胶膜对处理后的层合板进行胶接并制备试验样品。对试样的单搭接剪切强度、剥离强度进行测试,并分析胶接破坏形式,探讨吸湿条件下,可剥布处理对复合材料胶接性能的影响;通过环境扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪测试分析吸湿条件下不同类型可剥布对复合材料胶接界面的影响因素。结果表明:随着吸湿时间的增加,聚酰胺类可剥布吸湿率最终为0.8%左右,而聚酯类可剥布为0.6%左右。随着吸湿度的增加,复合材料的单搭接剪切强度下降40%~50%;吸湿时间为40 d时,四种可剥布处理的试样性能非常接近。未经处理试样始终发生黏附破坏,可剥布处理试样吸湿前期,破坏模式逐渐向黏附破坏转变,最终全部变为内聚破坏。吸湿处理后复合材料表面相比未吸湿形成了较多的空腔及缺陷,表面存在柔性聚合物残留,聚酰胺类可剥布处理后复合材料表面氮元素较之前提升了25%左右,影响了胶接面的化学性质。

复合材料与工程专业理论与实践深度融合课程的建设与思考

为适应高等工程教育对学生工程实践能力培养的要求,传统的专业课程体系、课堂教学方法及手段等必须进行改革与创新。本文主要围绕理论与实践深度融合的专业课程建设与实践,从教学内容、教学团队建设、教学效果等方面着重进行了探讨,为提升复合材料与工程专业学生的工程实践能力、掌握与运用专业知识与技能的能力,提高人才培养质量提供了一条积极有益的思路。

干纤维铺放真空辅助成型复合材料的性能

模拟干纤维铺放原理,将连续热塑性纤维作为定型材料铺放在碳纤维无皱褶织物中间,在热压条件下制备复合材料预成型体,并采用真空辅助工艺制备复合材料试样。测定了采用不同预成型压力、预成型温度以及热塑性纤维含量等预成型条件下制备的复合材料试样的纤维体积含量、力学性能以及微观结构等。结果表明,预成型压力越大,纤维体积含量越高,当预成型压力达到1 MPa以后,纤维体积含量趋于稳定,最高可达65%;在相同预成型压力下,随着定型材料用量的增加,纤维体积含量降低,力学性能随之降低;预成型温度对复合材料的性能影响主要取决于定型材料本身是否发生熔融,若发生熔融,定型材料会对复合材料性能产生不利影响。