• 2019年第49卷第1期文章目次
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    • >综述
    • 石墨烯/环氧树脂多功能复合材料研究进展

      2019, 49(1):1-8. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.001

      摘要 (2074) HTML (1413) PDF 0.00 Byte (2608) 评论 (0) 收藏

      摘要:主要介绍石墨烯改性环氧树脂复合材料力学、热学、电学性能的研究进展,以及石墨烯在碳纤维/环氧树脂功能型复合材料中的应用,并展望结构-功能一体化石墨烯改性复合材料在航天领域的应用前景。

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    • 热塑性复合材料原位成型工艺及关键技术

      2019, 49(1):9-14. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.002

      摘要 (2058) HTML (1709) PDF 0.00 Byte (2479) 评论 (0) 收藏

      摘要:介绍了原位成型工艺及其两项关键技术的研究与发展过程,根据原位成型技术应用于航天领域的典型型号,提出了原位成型工艺两项关键技术的指标,并对原位成型工艺未来的发展进行了展望。

    • >计算材料学
    • 无蒙皮复合材料网格结构设计与分析

      2019, 49(1):15-20. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.003

      摘要 (1609) HTML (1041) PDF 0.00 Byte (2041) 评论 (0) 收藏

      摘要:无蒙皮复合材料网格结构是复合材料结构中承载效率最高的结构形式,但其设计成型较其他复合材料网格结构更为困难。本文以工程应用为目的,考虑工艺成型问题,定性与定量分析相结合。按网格形式选择、典型结构工程计算、有限元优化计算、确定工程方案及试验验证五个层次分级优化。最终达到结构形式、设计计算、工艺成型等各方面综合最优的效果。生产出的无蒙皮复合材料网格结构满足工程应用要求,同时找到了工艺成型薄弱环节,为制造最优结构创造了条件。

    • 基于萤火虫算法的CFRP材料铣削刀具结构优化

      2019, 49(1):21-25. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.004

      摘要 (1234) HTML (1004) PDF 0.00 Byte (1942) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了提高CFRP零件的加工表面质量和刀具寿命,针对其铣削加工的刀具结构进行了优化。设计了刀具结构参数与CFRP材料铣削加工表面粗糙度、后刀面磨损量之间的正交试验。应用极差分析法分析了刀具结构参数对CFRP材料加工表面粗糙度、后刀面磨损量的影响规律,并应用多元线性回归法建立了刀具结构参数与表面粗糙度、后刀面磨损量之间的数学模型。基于此模型,采用FA萤火虫算法,优化了刀具的结构参数,并进行了实验验证。结果表明:在试验参数范围内,刀具结构参数对于CFRP工件铣削表面粗糙度的影响程度依次为:后角、螺旋角、前角。当刀具的后角、螺旋角和前角增大时,工件的表面粗糙度都呈减小趋势,但减小的快慢程度不同;刀具结构参数对于后刀面磨损影响程度依次为:后角、螺旋角、前角。当刀具后角增大时,后刀面磨损量迅速上升,当螺旋角增大时,后刀面磨损量减小,当刀具的前角增大时,后刀面磨损量先减小后增大。采用FA萤火虫算法优化后的刀具结构对CFRP材料进行铣削实验,实验结果值与建立的模型预测值误差较小,表面粗糙度的误差率为3%,刀具后刀面磨损量的误差率为7.6%。

    • Si3N4结合SiC耐火陶瓷高温抗疲劳断裂设计

      2019, 49(1):26-31. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.005

      摘要 (999) HTML (1359) PDF 0.00 Byte (2067) 评论 (0) 收藏

      摘要:为探究高温氧化条件下材料抗疲劳断裂的相关改进措施,在分析材料高温疲劳断裂过程的基础上,将有效场-子域模型和热-损伤断裂强度模型相结合,对高温氧化条件下Si3N4结合SiC耐火陶瓷的微裂纹尺寸与强度和密度与强度的关系进行了模拟。结果表明:此类材料在高温氧化环境中微裂纹尺寸在(0 mm, 0.5 mm]和密度至少为(0 m-2,104 m-2]的可行性范围内能抗疲劳断裂。这个结果对延长材料的使用寿命和确保设备运行的安全稳定性具有的指导意义。

    • 复合材料面板全高度蜂窝翼面结构分析

      2019, 49(1):32-34. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.006

      摘要 (1246) HTML (879) PDF 0.00 Byte (1948) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对复合材料面板全高度蜂窝夹层翼面结构,基于MSC.Patran/Nastran创建了翼面有限元模型,对均布载荷作用下的结构进行了仿真分析。结果表明:翼面结构最大位移2.79 mm,曲屈载荷33.7 kN。工程方法计算得到翼面结构曲屈应变1 308.6 με。静强度试验中实测翼面最大位移2.81 mm。理论与试验相结合的方式分析夹层翼面结构,最大位移值偏差约0.7%,证明了仿真分析模型的合理性,为该类型结构的工程应用提供了一定的参考。

    • >新材料新工艺
    • RTM用炔基改性苯并噁嗪树脂工艺及力学性能

      2019, 49(1):35-39. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.007

      摘要 (1700) HTML (1148) PDF 0.00 Byte (1900) 评论 (0) 收藏

      摘要:为改善苯并噁嗪树脂对树脂传递模塑(RTM)成型工艺的适应性,并进一步提升苯丙噁嗪基复合材料的耐高温性能。提出利用炔基改性苯并噁嗪树脂,以提高树脂的交联密度,并改善树脂流变特性。结果表明:改性后的炔基苯并噁嗪树脂在81.5 ℃时黏度低至805 mPa·s可满足RTM工艺灌注要求,在110 ℃其工艺窗口高达310 min。同时,炔基苯并噁嗪树脂的起始固化温度低至130 ℃,固化温度为167 ℃,后处理温度为208 ℃,满足低温固化要求。通过DMA与TGA分析,RTM成型低温固化苯并噁嗪/碳纤维复合材料的Tg为411 ℃,在N2环境下800 ℃残留率高达88.6%,表明其复合材料具有良好的耐高温性能。SEM观察发现该树脂与纤维界面粘结强度较高,碳纤维复合材料350 ℃拉伸性能保留率达99%以上,弯曲、层剪性能保留率达70%以上,压缩性能保留率也达60.9%。

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    • TG800碳纤维/双马树脂基预浸料等温固化动力学

      2019, 49(1):40-45. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.008

      摘要 (2230) HTML (832) PDF 0.00 Byte (2206) 评论 (0) 收藏

      摘要:为复合材料成型工艺参数制定提供准确信息,采用动态力学分析法(DMTA)对国产TG800碳纤维/802双马树脂基预浸料等温固化动力学进行研究,根据损耗模量E″在恒温扫描过程中出现的拐点可准确确定固化凝胶点。以储能模量E′相对增长率为固化反应速率指标,考察不同恒温阶段反应程度增长模式,并建立了固化反应动力学模型。分别采用Hsich非平衡热力学涨落理论和Avrami方程对预浸料固化反应过程中活化能变化规律进行分析。结果表明:Hsich理论得出TG800/802预浸料反应活化能为49.5 kJ/mol;Avrami方程得出恒温阶段前期活化能均小于后期,且温度越高对应活化能越低。TG800/802在200 ℃恒温时前期活化能为78.8 kJ/mol,小于后期109 kJ/mol, 温度升高至240 ℃后活化能降至32.4 kJ/mol。通过计算不同恒温阶段固化度佐证了双马树脂固化制度150 ℃/1 h+180 ℃/2 h+200 ℃/4 h的可行性,为TG800/802预浸料的工程化应用提供了技术支撑。

    • 多壁碳纳米管对C/E复合材料力学性能的影响

      2019, 49(1):46-51. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.009

      摘要 (1080) HTML (702) PDF 0.00 Byte (1969) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用多壁碳纳米管(MWNTs)进行环氧树脂的改性,并制备了碳纤维热熔预浸料。研究了MWNTs的改性方法、规格、含量对树脂基体的流变特性和碳纤维复合材料力学性能的影响。结果表明:MWNTs的管径越小,改性树脂的黏度升高越明显,加入相容剂可降低工艺上的成型难度。MWNTs的长径比越大增韧效果越好,长径比较小时增强效果较好。C/E复合材料的0°、90°压缩强度、层剪强度、CAI性能均随着MWNT-NH2(b)含量的提高呈现先增加后降低的趋势,当MWNT-NH2(b)的含量为2%(质量分数)时,上述性能最优,0°、90°压缩模量则呈现逐渐增加的趋势。拔出与断裂、桥联效应、裂纹偏转效应是碳纳米管在C/E复合材料中的主要作用机制。

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    • 聚乙烯基倍半硅氧烷及其可瓷化复合材料的制备与性能

      2019, 49(1):52-57. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.010

      摘要 (1580) HTML (1062) PDF 0.00 Byte (1995) 评论 (0) 收藏

      摘要:以乙烯基三甲氧基硅氧烷(VTMS)为单体,采用水解缩合的方法制备了聚乙烯基倍半硅氧烷(PVSQ),对PVSQ的固化机制、固化温度以及热稳定性进行研究。结果表明以低毒性的乙醇取代甲苯为溶剂、能于150 ℃中温固化的PVSQ可作为硅基可瓷化防热复合材料的基体使用。通过SEM、EDS、XRD对添加TiB2、云母等成瓷填料制备的PVSQ复合材料的陶瓷化性能进行研究。结果表明材料在800~1 200 ℃热处理30 min后失重率仅为0.29%~4.15%,体积收缩率为5.20%~15.08%,高温下成瓷填料与材料热解产物之间发生原位陶瓷化反应,产生大量玻璃相起到基体桥接作用,促进尺寸、形状稳定的陶瓷体形成。

    • 氮化硅短纤维多孔材料制备与性能研究

      2019, 49(1):58-62. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.011

      摘要 (1488) HTML (1116) PDF 0.00 Byte (2089) 评论 (0) 收藏

      摘要:以氮化硼为烧结助剂,采用抽滤成型方法制备氮化硅短纤维多孔材料。通过氮化硼和氮化硅纤维的氧化过程分析,确定了最佳烧结制度。对不同氮化硼含量材料的微观结构、压缩及介电性能进行了测试分析。结果表明:在1 200 ℃时,氮化硼氧化增重达20%,氮化硅纤维表面明显氧化;随着氮化硼含量的增加,氮化硅纤维粘结明显,粘结点主要成分为二氧化硅和硼硅酸盐,氮化硅短纤维多孔材料的ε随着密度的增加从1.36增加到1.62,tanδ从7.8×10-4增加到9.5×10-4,材料10%压缩应变下的压缩强度从0.58 MPa提升到2.03 MPa。

    • 模具表面状态对复合材料构件固化变形的影响

      2019, 49(1):63-67. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.012

      摘要 (1004) HTML (987) PDF 0.00 Byte (2039) 评论 (0) 收藏

      摘要:为查明不同模具表面状态下的复合材料构件应变演变规律及其对固化变形的影响,采用热电偶和光纤光栅传感器对不同模具表面状态下的复合材料构件在热压罐成型工艺过程中的温度和应变进行在线监测,获得不同模具表面状态下构件应变的变化规律。结果表明:升温阶段脱模布的使用能够有效屏蔽模具-构件界面相互作用,使构件在升温阶段的应变很小。三层脱模剂模具表面条件下构件中的应变明显小于一层脱模剂 ;降温阶段三种实验条件下在构件中都出现了较大的压应变,其中一层脱模剂模具表面状态下模具-构件相互作用力最大,在固化工艺完成后构件发生翘曲变形,且翘曲变形以沿纤维方向为主。

    • 三种钻头钻削CFRP的制孔损伤对比

      2019, 49(1):68-71. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.013

      摘要 (1315) HTML (1147) PDF 0.00 Byte (1935) 评论 (0) 收藏

      摘要:采 用二刃双锋角钻头、三刃双锋角钻头和圆弧形钻头在不同加工参数下钻削CFRP,对比分析了孔入出口质量(入口损伤、毛刺和出口撕裂),并采用毛刺存在角度来衡量毛刺的多少。结果表明:随着进给量的增大毛刺存在的角度(范围)α先减小后增大;综合考虑孔入口和出口质量(毛刺和撕裂因子),三刃双锋角钻头最适合钻CFRP。

    • >测试分析
    • 不同温度下丁羟包覆层的横向弛豫时间与拉伸性能的相关性

      2019, 49(1):72-77. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.014

      摘要 (1162) HTML (1295) PDF 0.00 Byte (1942) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了研究不同温度下丁羟包覆层的横向弛豫时间与拉伸性能的相关性,开展了核磁共振和拉伸应力-应变性能测定试验。单因素方差分析表明温度对横向弛豫时间有显著影响;试验温度从30 ℃升到90 ℃,横向弛豫时间呈线性增大;90 ℃升到130 ℃,横向弛豫时间先减小后增大。30~90 ℃,升温使包覆层的拉伸强度下降,断裂伸长率升高;在100 ℃较90 ℃强度得到了提高,断裂伸长率稍有降低;在100~130 ℃时,受复杂化学反应和分子热运动共同影响,断裂伸长率迅速增加,强度降低。断裂伸长率、拉伸强度均与横向弛豫时间存在较好的相关性,利用该关系可以预测丁羟包覆层在不同横向弛豫时间下的拉伸性能。

    • 基于形态学算法的2219铝合金钨极氦弧焊熔池图像特征提取

      2019, 49(1):78-81. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.015

      摘要 (1050) HTML (1434) PDF 0.00 Byte (1920) 评论 (0) 收藏

      摘要:根据2219铝合金氦弧焊特点,构建了焊接过程实时视觉传感系统,获取了熔池清晰图像;为获得2219铝合金氦弧焊熔池尺寸参数,实现对熔池特征的分析,采用了形态学算法,提取了典型熔池图像边缘形状,并获得了熔池宽度特征尺寸;通过试验验证,提取的熔池图像宽度特征能够准确反映出熔池尺寸信息及变化趋势。研究结果表明:形态学算法准确度高、计算速度快,满足2219铝合金氦弧焊熔池图像实时处理需求,不同阈值及结构元素对图像特征提取效果均会产生较大影响,研究阈值自适应算法,可以满足工程上焊缝熔池特征实时视觉监测的复杂需求。

    • 混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能

      2019, 49(1):82-85. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.016

      摘要 (2007) HTML (1203) PDF 0.00 Byte (1978) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了考察混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能,采用碳纤维织物或玻璃纤维织物与芳纶纤维织物复合材料层共固化的方式,利用热压罐成型工艺制备了几种具有不同面密度及铺层结构的混杂纤维复合材料层板,并进行抗弹冲击性能测试、表观形貌观察和无损检测分析。结果表明:纯芳纶纤维及混杂纤维复合材料层板的钢弹冲击破坏模式相同,均为表层剪切破坏,中间层分层破坏,背层拉伸断裂破坏;层间混杂顺序对复合材料层板的分层缺陷面积有较大影响,当碳纤维层作为背层时,层板的分层缺陷面积为12 863.6 mm2小于玻璃纤维层作为背层时(17 400.5 mm2);当芳纶层作为背板时,混杂纤维复合材料层板冲击后分层缺陷面积与纯芳纶的相当( 14 151.0~14 927.0 mm2)。混杂纤维复合材料对层板的抗弹冲击性能有较大影响,混杂后复合材料的弹道极限速度(v50)均有一定程度的提高,其中玻璃纤维/芳纶复合材料的v50从纯芳纶复合材料层板的193.08提高至204.33 m/s。将碳纤维层或玻璃纤维层作为着弹面层的混杂纤维复合材料层板具有更优异的抗弹冲击性能,其贯穿比吸能(BPI)均优于纯芳纶复合材料层板。

    • 碳纳米管薄膜电热特性及其除冰性能

      2019, 49(1):86-90. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2018.06.017

      摘要 (1749) HTML (868) PDF 0.00 Byte (2035) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用碳纳米管薄膜(CNTF)作为电加热元件,研究碳纳米管薄膜对玻璃纤维增强树脂基复合材料结构表面的除冰性能,同时研究其电热性能。SEM发现样品内碳纳米管错综交缠、有较大孔隙率,厚度在14 µm左右。XRD表明CNTF样品为微晶结构,结晶度差且含有少量杂质。空气环境通电,升温速率和最高恒定温度随输入电压增大而迅速提高。输入电压为5 V时,前100 s升温速率为0.91 ℃/s,180 s时到达最高恒定温度95 ℃。在四次电热循环后,其表面电阻略有升高,均值从2.795 Ω到3.870 Ω。在9 V输入电压下,CNTF被迅速烧断,CNTF样品电流承载极限在1.8 A左右。利用其焦耳热性能进行除冰,质量为20 g冰块在树脂基玻璃纤维复合材料样品的表面脱落时间为240 s。表明CNTF在飞机除冰领域具有潜在应用价值。

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    • 复合材料面板阻燃抗菌防霉性能

      2019, 49(1):91-94. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2019.01.018

      摘要 (1535) HTML (1040) PDF 0.00 Byte (1912) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用热熔法制备抗菌防霉预浸料,并对其力学性能、燃烧产物、阻燃性能以及抗菌防霉性能进行了系统的评价。结果表明:复合材料面板的燃烧产物中CO、HF、HCl、NOx、SO2、HCN等6种毒性气体含量均远远低于标准;阻燃性能优异,无火焰穿透,无熔融物滴落,且平均自熄时间大都为0 s;防霉性能均为0级;抗菌性能随着抗菌防霉剂含量的增大而增强,其中当抗菌防霉剂含量≥2%时,能够满足抗菌性能要求。由于力学性能随着抗菌防霉剂的添加呈下降趋势,为了兼顾力学性能与抗菌性能,创新设计不同抗菌防霉剂分布而保持平均含量不变的复合材料面板,对比抗菌性能结果发现将抗菌防霉剂含量高的预浸料分布在表面时得到的复合材料面板拥有最优异的抗菌性能,成功实现结构生物安全一体化。

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