• 2021年第51卷第3期文章目次
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    • >综述
    • 2195铝锂合金弧焊技术研究现状

      2021, 51(3):1-7. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.001

      摘要 (265) HTML (74) PDF 2.68 M (782) 评论 (0) 收藏

      摘要:铝锂合金具有密度低、比模量高、比强度高、抗疲劳及腐蚀性能良好等特点,被认为是航空航天领域最有应用前途的结构材料之一。本文回顾了铝锂合金的发展历程,介绍了新一代2195铝锂合金的成分、组织结构及可焊接性,分析其焊接过程出现的主要问题,概述了国内外机构通过优化2195铝锂合金配用焊丝及弧焊工艺,改善接头组织结构及力学性能的研究工作,展望国内铝锂合金弧焊技术的发展趋势。

    • 柔性二氧化硅气凝胶综述

      2021, 51(3):8-16. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.002

      摘要 (248) HTML (366) PDF 2.34 M (679) 评论 (0) 收藏

      摘要:二氧化硅气凝胶具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低导热性等特点,但存在强度低、韧性差等缺陷。在此基础上,柔性二氧化硅气凝胶通过改进传统二氧化硅气凝胶的制备工艺表现出了更优的力学性能与适用性。本文综述了国内外柔性二氧化硅气凝胶的最新研究进展,分析对比了不同类型气凝胶的性能参数;重点介绍了柔性二氧化硅气凝胶常用的制备方法,如前驱体改性法、聚合物改性法和纤维增强法。其中前驱体改性法通过对硅源种类的选择和组合,较容易实现气凝胶材料的微观结构与性能的设计,是目前制备柔性二氧化硅气凝胶的主要方法以及研究的热点内容。此外,总结了柔性二氧化硅气凝胶在保温隔热、油水分离、高效隔音领域的应用;同时对其发展前景进行了展望。

    • >计算材料学
    • 基于改进Johnson-Cook模型的5083P-0铝合金动态本构关系研究

      2021, 51(3):17-24. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.003

      摘要 (136) HTML (52) PDF 1.34 M (722) 评论 (0) 收藏

      摘要:为研究5083P-0铝合金在高应变率下的力学行为及本构模型,通过RPL100材料试验机和分离式霍普金森压杆 (SHPB),对5083P-0铝合金进行了准静态及应变率范围950~3 000 s-1的冲击动态压缩实验。结果显示随着应变率的增加,5083P-0铝合金的屈服强度、流动应力增加,应变硬化率减小,具有应变硬化效应,正应变率效应以及热软化效应。对其塑性变形原理进行分析发现,滑移系的作用导致材料发生较大的塑性变形,同时由于绝热温升的产生,材料表现出应变硬化与热软化机制相竞争的情况。在Johnson-Cook模型的基础上对应变率项进行改进,并引入绝热温升,改进的Johnson-Cook模型能够能较好地描述该材料的应变率效应并能准确地描述其流动应力。最后采用新的应变率进行补充实验,通过对比验证了模型的合理性。

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    • 基于有限元模型的三维随机纤维材料微结构设计

      2021, 51(3):25-31. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.004

      摘要 (199) HTML (145) PDF 2.39 M (718) 评论 (0) 收藏

      摘要:为研究三维随机纤维材料服役环境下的力学性能,提高热防护系统安全服役性能和结构寿命。利用有限元建模软件,建立三维随机纤维材料微结构模型,研究其面内和厚度两个方向的三维随机纤维材料宏观力学性能与几何参数(纤维方向、纤维长度和纤维直径)的关系,获得了三维随机纤维材料厚度和面内宏观力学性能演化规律。结果表明:三维随机纤维材料内部偏移纤维比重越大,厚度方向压缩强度就越高,面内方向压缩强度就越低;压缩强度随纤维长度增加呈上升趋势,在0.9 mm左右时达到临界值;压缩强度随纤维直径增加呈下降趋势。该研究结果可为三维随机纤维材料制备提供理论基础。

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    • N2O4在氟醚橡胶中扩散和吸附行为的分子动力学模拟

      2021, 51(3):32-37. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.005

      摘要 (94) HTML (48) PDF 3.60 M (468) 评论 (0) 收藏

      摘要:利用全原子分子动力学与巨正则蒙特卡洛模拟方法,研究不同四氧化二氮(N2O4)含量、温度和压力对N2O4在氟醚橡胶中扩散和吸附行为的影响。结果表明,随着N2O4含量增加,体系自由体积越大,因而增加了N2O4的扩散速率。当体系压力增大时,体系自由体积逐渐变小,N2O4扩散速率减小。此外,温度的上升既提高了自由体积又增大了原子的运动速度,因此提高了N2O4的扩散速率,并表现出阿伦尼乌斯关系。进一步地,N2O4在氟醚橡胶中的溶解度系数随着温度的上升迅速下降。所以,N2O4在氟醚橡胶中的渗透系数随着温度的上升先微弱上升然后迅速下降。

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    • 高温吸波涂层的多目标优化模型设计

      2021, 51(3):38-43. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.006

      摘要 (130) HTML (57) PDF 1.47 M (765) 评论 (0) 收藏

      摘要:大多数高温吸波材料都属于非磁损耗型,单层往往很难达到理想的吸波性能。为解决此问题并优化涂层厚度,通过差分进化算法建立了多层高温吸波涂层的多目标优化模型,重点以8.2~12.4 GHz内反射率RL<-10 dB频率带宽和涂层总厚度d为优化目标。设定三种高温吸波材料,研究表明,单层涂层很难达到理想的吸波性能;在单目标优化中,以频率带宽为优化目标,得到了3.2 GHz的有效带宽,吸波性能显著提升;在多目标优化中,同时对涂层总厚度d进行优化,优化结果同单目标相比,在保持良好吸波性能的同时,涂层厚度下降30%,结果表明模型能够优化吸波性能,并最大限度降低厚度。本文建立的模型适用于多种材料,不局限于文中设定的三种材料,能够达到理想的优化结果。

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    • 磁场作用下的TIG电弧行为分析

      2021, 51(3):44-48. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.007

      摘要 (99) HTML (74) PDF 2.22 M (628) 评论 (0) 收藏

      摘要:在磁流体动力学理论的基础上,针对外加纵向磁场作用下的钨极氩弧焊(TIG)电弧在旋转圆柱坐标系中建立了不同电流密度的数学模型。通过Fluent用户自定义函数进行编程开发,对其流场和电磁场进行耦合求解,得到了外加纵向磁场作用下的TIG电弧热场和流场的分布规律。结果表明,纵向磁场作用下的TIG电弧温度场呈现空心钟罩形态,并表现为双峰分布,在近阳极表面位置出现“低温腔”,且电流密度越大,“低温腔”越大;其次,纵向磁场的作用造成阳极表面的压力变化也呈现双峰分布,其峰值压力较无磁场作用时下降了约70%,且电流密度越大下降的越多。

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    • >新材料新工艺
    • 层状Ti3C2Tx/水性聚氨酯复合双层薄膜的制备及电磁屏蔽性能

      2021, 51(3):49-53. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.008

      摘要 (103) HTML (35) PDF 2.18 M (453) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用交替真空抽滤制备Ti3C2Tx MXene/WPU复合双层薄膜,用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征了微观形貌,X射线衍射仪(XRD)测试了晶体结构,通过矢量网络分析仪测试了电磁屏蔽性能。结果表明,可以通过超声离心制备出少层Ti3C2Tx;复合双层薄膜具有高韧性、高导电性以及优异的电磁屏蔽性能,表面电阻为3.57 Ω;电磁屏蔽性能结果表明,MWPU3:1的复合薄膜屏蔽性能为37.9 dB。在X波段与K波段,MWPU3:1复合薄膜性能较为优异,且复合薄膜是吸收型电磁屏蔽材料。

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    • 熔融渗硅对不同类型C/C复合材料微观结构及性能的影响

      2021, 51(3):54-59. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.009

      摘要 (109) HTML (42) PDF 5.61 M (699) 评论 (0) 收藏

      摘要:选用了三种不同结构的C/C多孔体进行液硅熔渗,采用扫描电镜、X-射线衍射、微纳CT、压汞等方法表征了熔渗前后材料的微观形貌、物相组成及孔隙结构。结果表明,熔渗后材料显气孔率均小于2%,实现了较好的致密化,C/C多孔体熔渗过程中可以采用高残碳树脂裂解形成的树脂碳或化学气相沉积形成的裂解碳进行保护,熔渗后其弯曲强度分别提高到1.5倍与2.5倍,而纤维未被保护的C/C多孔体熔渗后弯曲强度降低41%。

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    • 石墨填料对浸渗热解-熔融浸渗方法制备的C/SiC复合材料结构和性能的影响

      2021, 51(3):60-65. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.010

      摘要 (105) HTML (46) PDF 16.05 M (705) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用石墨树脂浆料浸渍三维针刺碳毡增强体,热解后得到C/C多孔体,并采用反应熔体浸渗法制备C/SiC复合材料。研究了石墨填料对C/C多孔体的结构以及C/SiC复合材料力学性能的影响。结果表明,石墨树脂浆料浸渍时树脂填充束间小孔形成结构致密的亚结构单元,而石墨可以有效填充胎网层等大孔隙,一次浸渍热解后碳产率有效提高。所得C/SiC复合材料包括C、SiC和Si三相,由于亚结构单元的存在,熔融Si并未渗入纤维束内部,束内碳纤维未受损伤。片层石墨的存在使碳基体/石墨和纤维结合强度提高、纤维脱粘拔出阻力增大,从而使材料强度提高;而且石墨可以使裂纹在扩展时发生偏转,从而避免了复合材料脆性断裂,使其呈现出类似金属的伪塑性断裂行为。制备出的C/SiC复合材料的弯曲断裂强度为118 MPa,最大应变可达1.0%。

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    • 真空成型碳纤维/环氧树脂基复合材料性能研究

      2021, 51(3):66-71. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.011

      摘要 (152) HTML (90) PDF 1.12 M (625) 评论 (0) 收藏

      摘要:对固化温度、保温平台及隔离材料对真空成型碳纤维/环氧树脂基复合材料(CCF300/BA9913)的孔隙率和力学性能的影响进行了研究。结果表明,在较高的固化温度(125 ℃保温2 h)条件下,CCF300/BA9913固化后力学性能和耐湿热性能更加优异。同时在树脂最低黏度所处温度附近(85 ℃),增加0.5 h的保温平台,有利于降低CCF300/BA9913固化后的孔隙率,提高材料力学性能。封装时,采用有孔聚四氟乙烯膜和半透膜,可提高固化过程中的导气效率,有利于材料力学性能的提高。其0°拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度分别达到1 896、1 387、1 668、89.0 MPa

    • C/C-ZrC复合材料的制备及结构性能研究

      2021, 51(3):72-76. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.012

      摘要 (149) HTML (36) PDF 3.50 M (589) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用针刺及细编穿刺结构分别引入热解碳和沥青碳的多孔C/C坯体,通过反应熔渗工艺(RMI)与熔融金属Zr反应制备了C/C-ZrC复合材料。研究了预制体结构和基体碳类型对C/C-ZrC复合材料微观结构及力学性能的影响。结果表明:材料熔渗后只由C,ZrC两相组成,孔隙率5%~10%,ZrC质量分数53%~63%。针刺结构的C/C坯体熔渗效果更好,制得的C/C-ZrC复合材料密度最高达到3.21 g/cm3;ZrC质量分数达到62.8%。热解碳基体在熔渗过程中对纤维保护作用更好,C/C-ZrC复合材料的弯曲强度达到148 MPa,压缩强度达到408 MPa。

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    • 频率选择表面(FSS)柔性屏铺覆工艺对透波窗口透波性能的影响

      2021, 51(3):77-81. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.013

      摘要 (99) HTML (89) PDF 1.36 M (503) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了研究工程中柔性FSS屏铺覆工艺对透波窗口通带插损的影响,设计并制备了几种不同工艺缺陷的平板,采用自由空间传输反射法研究了平板在不同入射角下的通带损耗。结果表明:拼接缝隙使通带损耗在0°和60°入射角下增加了0.3 dB;拼接褶皱使通带损耗在0°入射角下增加了0.77 dB,在60°入射角下增加了1.55 dB;多层间FSS错位使通带损耗在0°入射角下增加了0.3 dB,在60°下入射角增加了1.05 dB。拼接褶皱对周期结构破坏最大,因此使通带损耗增加更大,在大入射角下通带损耗增加更加明显,在铺覆工艺时应尽量避免破坏柔性FSS屏的完整性。

    • 小型无人机复合材料圆管的成型工艺

      2021, 51(3):82-85. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.014

      摘要 (105) HTML (45) PDF 448.71 K (602) 评论 (0) 收藏

      摘要:小型固定翼无人机的尾撑制件为一种大长径比碳纤维复合材料薄壁类层压圆管结构,该制件除要求具有较高的内外质量、满足无人机机体结构使用要求外,其内形尺寸还应保证后续装配尺寸控制要求,因此使用传统的预浸料卷制成型方式较难以满足上述使用要求。为满足上述要求并得到一种成型工艺简便、成型质量良好的产品,利用丙烯酸酯橡胶及金属芯模制备了一种适用于预浸料成型的热膨胀芯模,并利用该芯模及组合模具通过真空袋压法实现了大长径比碳纤维复合材料薄壁类层压圆管结构制品的工艺成型。结果表明,采用丙烯酸酯橡胶作为热膨胀材料,可以良好地实现预浸料成型过程中的热膨胀加压,得到的产品不仅内、外质量良好,满足无人机机体结构使用要求外,其内形尺寸还满足了装配尺寸公差控制要求,是一种针对大长径比碳纤维复合材料薄壁类层压圆管制造较为良好的工艺成型方式。

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    • 铝合金回填式搅拌摩擦点焊工艺及组织特征分析

      2021, 51(3):86-90. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.015

      摘要 (99) HTML (74) PDF 7.01 M (639) 评论 (0) 收藏

      摘要:对2219+5A06铝合金进行了回填式搅拌摩擦点焊试验,研究了搅拌头旋转速度,下压-回抽速度和压入量等工艺参数对点焊接头力学性能的影响。对不同参数焊接的点焊接头进行了剪切拉伸抗力试验。结果表明:搅拌头旋转速度和下压-回抽速度对点焊接头的力学性能影响较大,而压入量对力学性能的影响较小。对点焊接头的微观组织分析表明,焊点接头可分为焊核区、竖直面热机影响区和水平面热机影响区三个部分。焊核区及水平面热机影响区为细小的等轴晶粒,水平面热机影响区形成与板材平行的结合面,竖直面热机影响区及焊点根部的hook缺陷是焊点力学性能的薄弱区域。

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    • >测试分析
    • 双基推进剂包覆层界面脱粘敲击检测系统设计

      2021, 51(3):91-98. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.016

      摘要 (95) HTML (41) PDF 5.12 M (578) 评论 (0) 收藏

      摘要:双基推进剂橡胶包覆层界面脱粘降低了推进剂工作性能,使其运行存在潜在的安全隐患。针对此问题,设计并开发了一套由信号处理组件、自动化控制组件和智能诊断组件构成的敲击检测系统,旨在通过自动化控制与智能敲击诊断技术相结合,更加全面的获取待测件的状态,提高检测的准确性和可靠性。实验结果表明,敲击检测系统可以识别橡胶包覆层脱粘缺陷,并且当敲击检测分辨率为3~10 mm时,脱粘缺陷检测准确率≥87.5%;BP神经网络隐含层神经元数设置6或7时,故障识别效果良好,K-means聚类算法对敲击检测数据故障确诊率≥90%。综上所述,敲击检测系统具有较高的检测分辨率和准确率,可以实现对双基推进剂包覆层粘接质量的客观评价。

    • >工程实践
    • 全封闭中空异型薄壁复合材料结构成型

      2021, 51(3):99-102. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.03.017

      摘要 (130) HTML (43) PDF 1.11 M (815) 评论 (0) 收藏

      摘要:以某航天器复合材料一体化摇臂为实例,针对其全封闭、非线性、变截面、变壁厚、细长中空的薄壁结构进行成型工艺方案研究。通过以可溶性芯模为铺层芯模,解决了铺层和脱模问题;选用气囊加压方式,解决了加压和成型问题。结果表明:经过4次-65~60 ℃的高低温循环试验,摇臂结构内部无分层、裂纹等缺陷产生;制备的复合材料摇臂顺利通过鉴定级力学试验,力学性能满足设计要求。采用气囊加压和可溶性芯模相结合的工艺方案,实现了低成本、短周期制备航天器复合材料主承力构件的目标,对类似的全封闭异型复合材料结构的研制具有一定借鉴意义。

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