内埋光纤光栅碳纤维增强复合材料层压板力学性能及拉伸应变监测

将不同数量的光纤光栅埋植于复合材料层压板层间部位,研究了光纤光栅的埋植数量对层压板拉伸和压缩性能的影响及光纤光栅埋入对层压板层间结构的影响。此外,利用埋植在层压板内部的光纤光栅监测了层压板在拉伸过程中的应变变化,并与应变片监测结果进行了对比。试验结果表明,当在复合材料层压板中沿纤维方向埋入光纤光栅时,复合材料0°拉伸强度和模量略有降低。而当光纤光栅垂直于纤维方向埋入复合材料内部时,复合材料的90°拉伸强度和模量略有提高。对于压缩性能而言,由于光纤光栅在压缩过程中发生脆断,在复合材料内部产生损伤源,导致复合材料压缩强度有所降低,但当光纤光栅埋植数量较小时,对压缩模量的影响较小。层间形貌的显微观察结果表明,光纤光栅沿纤维方向埋入复合材料内部,在光纤光栅周围未形成树脂富集区,反之则将出现明显的富树脂区。

典型环境因素对聚合物基复合材料力学行为影响的研究现状与进展

随着聚合物基复合材料在飞行器结构中的大量应用,复合材料的力学行为演变规律及损伤失效问题越来越受到人们的高度关注。环境损伤效应作为材料在服役过程中不可避免的问题,使深入研究环境因素对复合材料力学行为的影响具有重要的理论与工程价值。文中对近年来不同环境因素对聚合物基复合材料力学行为的影响进行了综述,重点探讨了在高温、湿热、真空热循环条件下,聚合物基复合材料力学行为的研究结果与状况,以期为聚合物基复合材料在新型飞行器上的应用提供有益的参考。

纤维增强SiBN陶瓷基复合材料的制备及性能

为了满足不同马赫数飞行器对透波材料提出的集透波、承载、防热、耐蚀、抗冲击于一体的性能要求,本文开展了不同耐热区间纤维增强陶瓷基复合材料的研究。采用PIP工艺分别制备了氧化铝、莫来石、石英、氮化硅纤维增强SiBN陶瓷基复合材料,并对其介电和力学性能进行了测试与评价。结果发现莫来石纤维增强SiBN陶瓷基复合材料的介电常数和介电损耗分别为4.1~4.2和1.0×10^-2~9.7×10^-3,抗弯、拉伸、压缩强度分别为95.12、34.95和80.92 MPa,具有最佳的综合性能。

QW220/5284RTM复合材料的介电性能研究

采用RTM工艺制备了四种不同纤维体积含量的石英纤维增强环氧树脂基复合材料层板。研究了温度、吸湿、频率、纤维体积分数和后固化等因素对该复合材料体系介电性能的影响。结果表明,在30～150℃温度范围内,QW220/5284RTM复合材料的介电常数和介电损耗均随温度升高而增大;纤维体积分数为53%时,该复合材料体系的饱和吸湿率较低,约为0.44%,吸水后,介电常数和介电损耗都有一定程度的增加;室温下,7～18GHz频率范围内,该复合材料体系的介电常数和介电损耗随频率改变没有表现出明显和规律的变化;该复合材料体系的介电常数和介电损耗随着纤维体积分数的提高而分别增大和减小;后固化使该复合材料体系的介电常数和介电损耗均减小。QW220/5284RTM复合材料具有良好的介电性能,且介电性能具有较好的耐环境特性,可用于飞机透波结构。

一体化成型耐磨复合材料的磨损性能研究

将耐磨涂层与树脂基复合材料采用RTM工艺一体化成型,并对一体化成型复合材料的耐磨性能进行了测试分析,采用三维白光干涉表面形貌仪测试了磨损试样的表面形貌,采用激光粒度分析仪对所使用的硬质粉体进行了粒度分析,采用电子显微镜观测了耐磨复合材料的内部结构。结果表明,复合材料试样的摩擦系数与磨痕深度情况相一致,即试样的摩擦系数越小,其磨痕深度也越小。一体化成型耐磨复合材料表面涂层的连续相为树脂基体,限制了该种复合材料在高速摩擦条件下的使用。

先进聚合物基复合材料疲劳性能测试与分析方法的研究现状

随着复合材料在航空航天等重要领域的广泛使用,复合材料的疲劳性能备受人们关注。环境损伤效应作为材料在服役过程中不可避免的问题,使深入研究环境因素对复合材料疲劳行为的影响具有重要的理论与工程价值。对多种疲劳模拟试验方法和疲劳性能的分析研究手段进行了归纳分析,总结了材料性能和高低温、湿热、热循环等多种环境因素对复合材料疲劳性能的影响,以期为今后复合材料疲劳性能的研究提供有益的参考。

陶瓷防护树脂基复合材料的磨损性能及机理研究

为了提高树脂基复合材料的耐磨损性能,采用Al2O3陶瓷贴片制备了陶瓷防护复合材料,通过往复式摩擦磨损试验机对陶瓷片材和复合材料进行了磨损性能试验,得到了防护复合材料在不同加载参数下的磨损形貌,进一步采用三维白光干涉表面形貌仪测试了磨损试样的表面形貌、磨痕深度与宽度,并据此建立了磨损性能数据分析与评价模型,分析了防护复合材料的耐磨损机理。结果表明:复合材料采用陶瓷贴片进行防护可大大提高其耐磨损性能,经陶瓷防护后,复合材料的可承受加载载荷从40 N提高至100 N;随着载荷的进一步增加,陶瓷防护复合材料的磨痕深度大大增加,而钢球的磨损程度迅速下降,其磨损机制发生了变化。分析了造成复合材料磨损性能发生变化的原因。

碳纳米管膜层间改性碳纤维/环氧树脂复合材料

采用碳纳米管膜作为碳纤维/环氧树脂复合材料的层间改性材料,应用液态成型树脂传递模塑工艺制备了碳纳米管膜/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料,利用Ⅰ型层间韧性与Ⅱ型层间韧性表达了其韧性相关性能,并分析了改性机理.碳纳米管膜在混杂复合材料层间仍然保持其原有连续网格结构形式,这种形式对张开型Ⅰ型层间断裂韧性没有明显的改性作用,但对于滑移型Ⅱ型层间断裂韧性具有显著的改性效果.碳纳米管膜/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料的Ⅱ型层间断裂韧性从碳纤维/环氧树脂复合材料的1292 J/m2提高到了2869 J/m2,提高了120%.材料微观形貌分析表明,这种由碳纳米管相互交叠、缠结而形成的网络结构有效地阻碍了层间微裂纹的扩展.

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测

针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅(FBG)传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。

VARI成型高性能环氧树脂基复合材料性能研究

采用真空灌注工艺(VARI)制备了高性能环氧树脂/碳纤维复合材料,并进一步研究了该树脂基复合材料的基本力学性能,湿热环境性能及冲击损伤性能。结果表明:该复合材料制造成本低,力学性能良好、耐湿热环境性能优异,达到韧性级复合材料的水平。

基于ANSYS的复合材料螺旋桨叶片有限元建模与分析

针对船用复合材料螺旋桨叶片,分别采用壳单元赋予不同截面参数和实体单元赋予不同等效材料参数两种建模方法进行了有限元分析,对比了壳单元和实体单元模型的模态、均布压力载荷下的响应以及均匀温度场中的热变形。结果表明:对于从桨根到桨尖各位置铺层不同的叶片来说,两种建模方法在建模时间和铺层调整便捷性方面各有利弊;模态分析中两种模型的固有频率和振型计算结果存在一定差异,它们均可在一定条件下用于复合材料螺旋桨叶片模态计算;两种模型中,模拟均布压力载荷下的响应时应采用壳单元模型,而分析叶片在均匀温度场中结构的热变形应采用实体单元模型。

纤维增强轻质热防护材料隔热性能仿真研究

对陶瓷纤维增强气凝胶复合材料试验件建立有限元传热模型,对试验件非线性高温环境系的隔热性能进行研究。将计算结果与实验数据进行了对比,验证了此数值模拟方法的有效性。讨论的非线性边界条件下热传导模型为轻质隔热材料的安全设计提供了参考依据。

VARI工艺用海因环氧树脂性能研究

本文以海因环氧树脂和胺类固化剂为基础设计了一种高温固化环氧体系,通过流变仪分析了树脂的粘度特性,并对树脂及复合材料的力学性能进行了测试,最后研究了该树脂的湿热环境性能。结果表明,该树脂体系具有良好的工艺性能和优异的力学性能,适合用作液态成型工艺,但该树脂及其复合材料也存在吸湿率高,耐湿热环境性能差的问题。

刚玉-莫来石多孔透波材料的制备及性能研究

多孔莫来石陶瓷具有优良的隔热性、良好的介电性及质轻等优异性能,是良好的高温透波材料。但纯莫来石陶瓷力学性能欠佳,为了改善其力学性能,采用凝胶注模技术与发泡工艺相结合的方法,制备不同相含量的刚玉-莫来石多孔复相陶瓷材料。研究结果表明,当物相含量为莫来石/氧化铝=1/1时,抗弯强度达最大值64.45 MPa,得到的多孔陶瓷材料孔结构均匀、力学性能良好、热性能与电性能优越,有望成为综合性能优于石英陶瓷的新型透波天线罩材料。

一种VARI工艺用高温环氧树脂性能研究

开发了一种VARI工艺用高温环氧树脂5284VARI,通过DSC(差示扫描量热仪)测试了该树脂的固化反应特性,利用流变仪分析了该树脂的成型工艺特性,并通过力学试验机测试了树脂及其复合材料的力学性能。结果表明,该树脂体系在成型温度下具有粘度低和成型时间长的特点,适用于液态成型工艺,且该树脂具有良好的耐湿热环境性能。

预浸料在RTM工艺中的应用研究

采用共固化RTM工艺制备了碳纤维增强环氧树脂5284RTM/5228A复合材料层板。通过超声C扫描和显微分析法评价了层板的内部质量,通过短梁剪切强度和弯曲性能研究了层板的力学性能,利用DMA评价了层板的耐热性能。结果表明,所制备的层板内部质量良好,预浸料层的预处理对层板的内部质量、力学性能和耐热性能都没有明显影响,而热固性中介层的引入虽然不会影响体系的内部质量和力学性能,但会使层板的耐热性能降低。

酚醛型氰酸酯树脂性能研究

通过对酚醛型氰酸酯树脂及其改性树脂的FTIR、DMA等的研究,并对比树脂固化物的介电性能,结果表明:改性剂对氰酸酯树脂反应特性与介电性能具有较大影响,酚类改性剂通过改变酚醛型氰酸酯的反应特性,尤其是弱化固化后期的空间位阻效应,在200℃固化后,可将氰酸酯固化物的介电损耗从0.016 7降低至0.011 8。

基于FBG应变监测的环氧树脂固化收缩及工艺参数优化

采用布拉格光纤光栅(FBG)传感器,对一种典型液态成型环氧树脂在不同固化工艺以及后固化过程中的温度及应变进行了实时在线监测。通过将树脂内部应变变化转化为树脂线性体积变化,得到不同工艺过程中树脂的固化收缩规律,以此作为依据对树脂的经验固化及后固化工艺参数进行验证和优化。结果表明:所选液态成型树脂在80℃下固化,其固化度和玻璃化转变温度分别为90%和85℃,高于75℃固化树脂,但其总固化体积收缩只比75℃固化时略为增加了约5%;树脂在120℃下进行后固化处理时,恒温180min后FBG传感器监测到的树脂内部应变已不再变化,此时树脂已基本完全固化,无需再延长后固化时间。

z向流动RTM工艺树脂的流动浸润行为

研究了层间"离位"附载多孔薄膜结构形式增韧层的大厚度纤维预成型体中等代流体(树脂)沿预成型体厚度方向(z向)的流动行为,通过压力传感器监测z向流动RTM(z-RTM)工艺注射过程中进、出胶口压力的变化规律,进一步反推树脂在层间"离位"增韧与非增韧预成型体中的宏观流动及微观浸润模式。结果表明,在zRTM工艺注射过程中,树脂在沿纤维束间z向快速流动的同时完成对纤维丝束内部的浸润。层间"离位"附载的增韧层虽延缓了树脂的宏观流动,但使流动前锋曲面更加平滑。层间"离位"增韧预成型体z向渗透率为3.5×10-15 m2,与非增韧预成型体的z向渗透率2.9×10-14 m2相比,降低约一个数量级。

苯并噁嗪改性液体成型环氧树脂的研究

采用具有低固化收缩特性的苯并噁嗪树脂(benzoxazine,BOZ)对液体成型环氧树脂进行改性,以期在不改变液体成型树脂耐热性、工艺性及力学性能的前提下,大幅度降低树脂的固化收缩率.对比研究了不同BOZ含量改性树脂的固化收缩特性、固化反应特性、液体成型工艺性及力学性能.并采用真空辅助树脂浸渗(vacuum assisted resin infusion,VARI)工艺制备了单向碳纤维织物增强复合材料,研究了复合材料的力学性能.结果表明,加入BOZ对液体成型树脂的反应性、工艺性及耐热性影响不大,改性树脂的固化收缩随BOZ含量的提高逐渐减小,其中BOZ质量分数为15 wt%的改性树脂,较未改性树脂的固化收缩减小约80%,拉伸强度提高约19%,冲击强度提高约148%.以此改性树脂作为基体的复合材料相对于未改性树脂复合材料的拉伸强度提高约23%,层间剪切强度提高约9%,具有良好的力学性能和界面结合性能.