PMI 泡沫夹层结构性能研究

对聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫碳环氧复合材料夹层结构进行了平拉、平压、侧压、弯曲、剪切等性能试验,并对试样破坏模式进行了分析.结果表明:泡沫夹层结构平拉、平压、剪切性能取决于芯材的性能,表现为芯材的破坏,弯剪试样更能表征泡沫的剪切性能,泡沫夹层结构具有优越的侧压和弯曲性能,碳面板( 1.05 mm)/泡沫(30 mm)夹层结构侧压强度为26.5MPa、模量为5.88 GPa,弯曲刚度为3.05 kN·m2、模量为97.5 GPa.     

PMI 泡沫夹层结构整流罩冯卡门锥段成型技术研究

对PMI泡沫夹层结构整流罩冯卡门锥段成型技术进行了研究,通过对玻璃钢面板及其泡沫夹层结构性能、面板成型、泡沫热成形、泡沫拼接、玻璃钢泡沫夹层结构成型及无损检测等技术研究,确定了玻璃钢外面板、预先固化,然后与泡沫等复合组装,最后铺覆内面板,整体进罐固化的成型工艺。结果表明,玻璃钢面板纵、横向拉伸强度为602、593 MPa,模量为26.0、27.2 GPa,满足设计强度≥350 MPa、模量≥25 GPa的要求;玻璃钢/PMI泡沫夹层结构泡沫密度为(110±10)kg/m3,厚度28 mm,纵、横向侧压强度为32.9、30.5 MPa、模量为2.31、2.38 GPa,满足设计指标侧压强度≥25 MPa、模量≥2.0 GPa的要求,采用玻璃钢/PMI泡沫夹层结构分步固化成型工艺研制的首件新型号整流罩冯卡门锥段,满足设计使用要求。     

X-cor夹层结构压缩性能研究

X-cor结构是一种采用拉挤复合材料细杆（Pin）以三维网架结构形式增强泡沫的新型夹层结构材料,该夹层结构与传统泡沫夹层结构和蜂窝夹层结构相比,具有很高的比强度和比刚度。为了研究Pin植入角、Pin直径对X-cor夹层结构压缩强度和压缩模量的影响,压缩性能试样采用Rohacell 31泡沫作为芯材,Pin采用0.5 mm和0.7 mm两种不同直径的T300/FW 63碳/环氧拉挤细杆,并将实验结果与不含Pin增强的泡沫夹层结构进行了对比。研究结果表明,Pin的存在极大提高了X-cor夹层结构的压缩强度、压缩模量,同时密度仅小幅度提升;Pin对X-cor夹层结构压缩性能的增强效率随Pin植入角的减小而提高,采用小直径的Pin更利于提高X-cor夹层结构压缩性能。     

X-cor增强泡沫夹层结构力学性能试验

 研究了碳纤维X-cor销钉增强泡沫夹层结构的常规力学性能。自行设计工艺,制造了X-cor增强泡沫夹层结构复合材料,并进行了多种材料/几何参数下的平压、三点弯曲和芯子剪切试验,得到了系列试验数据,并观察记录了较全面的结构破坏模式;倾斜的X-cor销钉对夹层结构性能的增强效果大大优于垂直销钉的增强效果,倾斜X-cor增强泡沫夹层结构的抗弯刚度和破坏载荷大幅提高;X-cor增强泡沫夹层结构在弯曲载荷下具有较强的二次承载能力;X-cor增强泡沫夹层结构在弯曲和剪切载荷下均呈现明显的渐进失效过程,在初始裂纹出现后,直到最终破坏发生还有较长的损伤扩展过程,这一过程是增强相限制芯材裂纹大规模扩展的结果,表明X-cor增强泡沫夹层结构在初始裂纹出现后还具有较强的持续承载能力。     

X-cor夹层结构低速冲击实验和数值模拟研究

X-cor泡沫夹层结构是一种通过Z-pin技术增强泡沫夹芯的新型高性能夹层结构。在低速冲击下,X-cor夹层结构损伤失效机制复杂,通过在不同能量阶段对X-cor夹层结构失效行为进行分析,讨论Z-pin植入体积分数和泡沫芯材密度对失效行为的影响。低速冲击试样规格为Z-pin直径0.5 mm、植入角度为22°,分别改变泡沫类型和Zpin植入体积分数进行实验,结果表明:6 J冲击能量下,冲击能量主要由面板分层承担,相对于未植入Z-pin试样,随着Z-pin植入体积分数的升高,面板分层面积最多减少了45.1%,而泡沫密度对分层面积影响不大;12 J冲击能量下,部分Z-pin发生失效,通过剩余压缩强度比发现,随着Z-pin植入体积分数的增加,剩余压缩强度比先增大后减小,植入体积分数为0.42%时最高,而此时泡沫密度增加,剩余压缩强度比也随之增加;当能量到达18 J时,芯材开始出现剪切裂纹,同时吸收大部分能量,较弱的芯材剩余压缩强度比大,而Z-pin植入体积分数越大,剩余压缩强度比反而越小。采用数值模拟的方法建立低速冲击模型,并将冲击后的结果直接传递应用于剩余压缩强度模型中,得到的结果比实验值偏高25%~29%。     

X-cor夹层结构剪切性能

研究了Pin植入角、直径对X-cor夹层结构剪切强度、模量的影响,并同泡沫夹层结构进行对比。结果表明:Pin对X-cor夹层结构的纵向剪切强度、模量的增强效率很高,而对X-cor横向剪切性能的增强作用相对可忽略;Pin对X-cor夹层结构纵向剪切性能的增强效率随Pin植入角的减小而降低。     

Z-pin植入参数对X-Cor夹层复合材料力学性能的影响

 X-Cor夹层复合材料是一种新型的Z-pin增强泡沫夹层结构,具有突出的比强度、比刚度。采用热压成型工艺,在不同的Z-pin植入参数下制备了X-Cor夹层复合材料,并对这种结构材料的平压和剪切力学性能进行了研究,考察了植入角度、植入密度、植入方向等参数的影响规律。结果表明,Z-pin植入参数对X-Cor夹层复合材料的平压性能和剪切性能影响显著。X-Cor夹层复合材料平压性能随Z pin植入角度和植入密度的增大而增加,植入角度达到90°时,X-Cor夹层复合材料平压强度及模量最大;剪切性能随Z-pin植入角度的增大而减小,实验范围内,植入角度为45°时,剪切强度和模量最大;同时,X桁架的植入方向对剪切性能也有很大影响,相同Z-pin植入密度下,沿试样长度方向植入的X桁架含量增加时,夹层复合材料的剪切模量增加;X-Cor夹层复合材料的平压性能和剪切性能随Z-pin植入角度的变化规律相反,Z-pin植入角度在60°~70°之间时,X-Cor夹层复合材料平压性能与剪切性能均达到较高值。     

国产中温固化热破胶膜性能

考察了一种适用于卫星太阳翼基板的国产中温固化胶膜的胶接性能和热破工艺性,并分别采用国产和进口胶膜,利用胶膜热破施胶方法制备了碳纤维网格面板/铝蜂窝芯夹层结构,对其弯曲性能进行评价。结果表明,国产胶膜的室温拉伸剪切强度（铝基材）为34.9 MPa,150 ℃时拉伸剪切强度降为10.2 MPa,-150 ℃时拉伸剪切强度降为30.4 MPa。碳纤维复合材料作为胶接基材时,室温拉伸剪切强度为17.5 MPa,破坏模式为基材分层破坏和胶黏剂内聚破坏的混合破坏模式。国产胶膜具有良好的热破工艺特性,在合适的工艺条件下,破孔率优于99.9%,90°板-芯剥离强度为15.4 N/cm;采用国产胶膜制备的蜂窝夹层结构的弯曲性能与采用进口Redux312UL的接近,弯曲刚度为1.94×10⁸ N·mm²,弯曲强度为35.7 MPa。     

复合材料缝合结构的力学性能及湿热效应

试验研究了国产复合材料缝合结构的吸湿特性、基本力学性能及湿热效应，层板缝合后的吸湿量大约提高30％左右，弯曲强度下降20％左右，层间剪切强度提高大约20％；吸湿对缝合结构的性能影响不大，仅对压缩强度有15％左右的影响；高温严重影响缝合及未缝合结构的性能，特别是压缩性能，对缝合层板的影响大于未缝合层板，在170℃高温下，未缝合层板压缩强度保持率为17．8％，而缝合层板仅为14．6％，设计高温环境使用的缝合结构应特别注意。研究结果可供结构设计参考。     

蜂窝夹层结构的灌注修补工艺研究

在对蜂窝夹层结构的缺陷／损伤形式、修补方法以及修补时对设备、材料及工艺的要求等进行分析总结的基础上，着重对灌注修补工艺进行了研究，研究表明，采用适当的灌注修补材料如G7A－20，可室温固化，适于操作，密度≤0．8g/cm^3，剥离强度≥29．4N／cm、拉离强度≥3．4MPa；修补后压缩强度和模量原结构设计许用值的80％以上。     

含穿透损伤泡沫夹层结构的修补及拉伸性能

建立了复合材料泡沫夹层结构含穿透损伤挖补维修的三维有限元模型,对其在单、双向拉伸载荷作用下进行了有限元分析,根据各铺层的材料主方向的应力分布,采用最大应力强度准则计算了挖补维修前后结构的单、双向拉伸强度。结果表明:单向拉伸载荷状态下,维修后结构强度恢复系数为88.1%,初始损伤为面内剪切失效;双向拉伸载荷状态下,维修后结构强度恢复系数为97.6%,初始损伤为纤维拉伸断裂。最佳表面额外贴补层数量为1至2层,过多贴补层会导致局部应力集中,使维修后结构强度下降。     

泡沫夹层结构在飞机次承力结构中的应用

讨论了使用高强度闭孔刚性聚甲基丙酰亚胺泡沫(PMI)作为夹层结构夹芯材料的优、缺点,并与NOMEX蜂窝从力学性能、冲击后压缩强度、鸟撞、吸湿性能以及制造工艺性和无损检测等方面进行了比较.认为高强泡沫材料比强度基本能够达到NOMEX蜂窝水平,且在制造工艺性、耐吸湿性等方面优点突出.同时介绍了泡沫在某些飞机次承力结构总的应用以及在结构设计中泡沫材料的一些注意事项.     

复合材料构件的结构效率及其应用设计

复合材料最有利于提高构件的结构效率。但是,复合材料的压缩性能与拉伸性能不一致,因此,复合材料构件的刚度限定于材料的弯曲模量;在设计低应变构件时,弯曲模量取值和拉伸模量近似相同,在设计高应变构件时,则应采用相应的模量,如拉伸、压缩和剪切模量,对材料结构效率的评估也应取相应的模量计算。     

低速冲击对K-cor夹层结构力学性能的影响

K-cor夹层结构是应用Z-pin技术增强的一种新型高性能夹层结构,本文基于落锤冲击实验对低速冲击下K-cor夹层结构的力学性能进行了研究,结合红外无损检测和冲击后压缩强度（CAI）试验,对不同Z-pin植入参数和芯材厚度对K-cor试样的冲击损伤阻抗进行了深入研究。研究结果表明：K-cor夹层结构的芯材越厚,则其冲击损伤面积越大,但剩余压缩强度比越高;在不超过植入间距的前提下,增加Z-pin的折弯长度能显著的降低K-cor结构冲击后的损伤面积,提高压缩强度;在相同芯材密度的情况下,提高Z-pin的折弯长度比增大植入密度更有利于减少K-cor试样冲击后的损伤面积,提高试样的压缩强度和其剩余压缩强度比。     

X-cor夹层结构的剪切性能

通过X-cor夹层结构与相同材料同尺寸的未增强件和去除泡沫的Z-pin夹层结构进行剪切性能试验对比,考察Z-pin对泡沫夹层结构的增强效果.通过剪切刚度和剪切强度试验值和理论值的对比分析研究,得到了修正后的夹层结构剪切刚度和剪切强度理论计算公式.研究结果表明:夹层结构的剪切性能与剪切刚度折减系数M、表征加载过程中Z-pin开始从面板拔出的时间系数T有关,而系数M,T决定于工艺水平.      

湿热环境下K-cor夹层复合材料的力学性能

K-cor夹层结构是应用Z-pin技术增强的一种新型高性能夹层结构,本文研究了Z-pin不同植入密度对K-cor夹层结构试样吸湿特性的影响规律,在此基础上对不同Z-pin植入参数对试样湿热前后三点弯曲性能和压缩性能的影响规律进行了深入研究。研究结果表明：夹层结构中Z-pin的植入能提高试样的尺寸稳定性,且不会对其吸湿率造成明显影响;Z-pin植入密度的增加能明显提高湿热前后试样三点弯曲强度和压缩强度,且具有较高的强度保持率,Z-pin密度为12 mm×12 mm的K-cor夹层结构湿热处理试样的三点弯曲强度比未湿热处理空白试样的要高11.1%,8 mm×8 mm湿热处理K-cor试样的芯部压缩强度比未湿热处理空白夹层结构试样要高17.5%,体现出K-cor夹层结构优异的抗湿热性能;而Z-pin植入角度的减小能明显提高试样湿热处理前后的压缩强度,0°植入K-cor试样湿热处理后的芯部压缩强度与40°植入K-cor试样未湿热处理的基本相同,但植入角度对三点弯曲强度影响较小。     

Z-pin增强泡沫夹层结构面压缩性能研究

Z-pin增强泡沫夹层结构作为一种新兴的复合材料夹层结构形式,能够克服传统蜂窝夹层结构的诸多缺陷。采用预浸碳纤维增强Rohacell夹芯,进行Z-pin角度为15°和25°,夹芯厚度分别为12.7mm和8mm两种Z-pin增强泡沫夹层结构的面内压缩性能试验,并与相同批次和尺寸的未增强件进行对比,考察其对传统泡沫夹层结构的增强作用。试验发现X状Z-pin增强能够大幅度提高夹层结构的压缩强度与刚度。同时,增强材料表现出与传统泡沫夹层结构不同的压缩变形与破坏模式。证实Z-pin的弹性屈曲控制着结构的压缩强度,夹芯厚度和Z-pin角度影响Z-pin屈曲的计算长度,从而成为材料压缩强度的控制因数。在此基础上,考虑面板对Z-pin的有限转动约束,通过引进约束修正系数改进现有的压缩强度预测模型,预测值与试验结果更加接近。     

环氧—聚醚砜基体复合材料的研究

本文探讨了聚醚砜增韧环氧基体／单向玻璃纤维复合材料的工艺及性能。实验结果表明，层板剪切强度和断裂韧性ＧＩＣ明显提高，弯曲强度和模量变化不大，耐热性得到了改善。     

RFI工艺成型两种环氧树脂基复合材料性能比较

采用RFI工艺分别成型了648和5228A环氧树脂基复合材料层合板,其增强材料为碳纤维无屈曲织物,铺层方式为[(0,90)/( 45)]s;测试了两组层舍板的拉伸性能、弯曲性能和层间剪切性能并做了比较分析;对破坏形式和机理进行了探讨.结果表明:5228A相对于648环氧树脂膜有较宽的低黏度区域,较长的凝胶时间;5228A与648层合板相比,拉伸强度高106%,拉伸模量、泊松比接近;弯曲强度高58%,弯曲模量高16%;层间剪切强度高62%.     

PMI泡沫收缩率及胶接性能试验研究

通过对PMI泡沫芯密度、厚度及外置时间、干燥处理、固化压力等5个参数系统研究,摸索了其与泡沫芯收缩率之间的关系,给出了降低泡沫芯收缩率、提高其尺寸稳定性的方法。同时,通过强度性能试验,研究了不同固化压力(0.2MPa和0.3MPa)对PMI泡沫夹层试验件胶接性能的影响。试验结果表明,泡沫芯厚度越小,密度越低,吸湿量越大,固化压力越大,则泡沫芯收缩率越高。利用烘箱在130℃下干燥处理2h,可降低泡沫芯的收缩率;0.3MPa胶接的PMI泡沫夹层结构试验件的滚筒剥离强度略优于0.2MPa固化压力。剪切强度、平面拉伸强度及弯曲强度无明显差别。