玻璃纤维增强铝合金层板连接孔挤压性能实验研究

为研究玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)在挤压载荷作用下的损伤起始、演化方式和失效特点,采用超声C扫描、断面分析和扫描电子显微镜对三种铺层方式的GLARE层板单钉双剪实验进行观测。对挤压载荷下层板损伤起始和演化进行了观察对比,分析了铺层方式对层板挤压失效过程和破坏模式的影响。对实验中观察到的金属塑性变形、纤维屈曲、基体开裂、分层扩展等现象之间的关系进行了分析和说明。实验表明,挤压初始阶段,GLARE层板主要由铝合金承载,铝合金进入塑性之后,层板承载特性、损伤过程及最终破坏模式主要受纤维铺层方式影响。     

复合材料长桁机械成型工艺

复合材料自动化成型技术在提高复合材料生产效率、降低复合材料制造成本等方面都具有明显优势,为了改进传统生产效率低、质量稳定性差的缺点,利用设计的长桁机械成型设备制备预成型制件,研究了预成型速率以及预成型温度等工艺参数对于成型制件质量的影响,通过尺寸测量、金相分析等方法表征制件拐角厚度、纤维体积分数、孔隙率、纤维偏转变形等参数。结果表明:97℃预成型温度、1~3 mm/min预成型速率、[90°/45°/0°/-45°]2s铺层方式、2. 99 mm成型间距是较优的成型工艺参数,采用此工艺参数制造的制件厚度均匀、孔隙缺陷少、纤维偏转变形小、质量良好,在铺层表面添加聚四氟乙烯布保护层可以有效改善45°方向铺层出现的纤维偏转变形问题。     

碳纳米管/玻纤/环氧层板超声真空灌注工艺及性能研究

针对碳纳米管/玻璃纤维/环氧树脂体系,采用传统的真空灌注工艺和超声波辅助真空灌注工艺制备复合材料层板,分析不同工艺方法下层板缺陷状况,测试层板的弯曲性能和层间剪切性能,考察树脂性能和纤维/树脂界面黏结状况,探讨碳管及工艺方法对层合板性能的影响。结果表明:与传统的真空罐注工艺相比,超声波辅助真空罐注工艺能增强树脂在纤维内部的流动,提高树脂对纤维的浸润,减少层合板的孔隙缺陷;添加0.05%(质量分数)的CNT后层合板的力学性能提高,使用超声波辅助真空罐注工艺制造的层板性能提高得更为明显;制造工艺对层合板性能的影响与纤维织物的结构紧密相关。     

液体树脂灌注成型工艺中树脂流动前沿特性的估测和分析

 近年来树脂浸泡成型工艺(RIP)越来越多地应用到了航空复合材料制造业上。作为树脂浸泡成型工艺中一种新型的有着良好运用前景的液体树脂灌注 (LRI)成型工艺开始进入了人们的视野。为了增加对LRI工艺的认知和提高对其的监控能力,着重介绍如何在LRI工艺进程中监测树脂流体的流动前峰。树脂流体流动前峰的检测将依赖于一组放置在纤维层中的微型热电偶传感器来完成,通过与光纤传感器测量结果的比较,表明微型热电偶传感器可以利用测量纤维层中不同处的温度变化来监测树脂流体到达该处的时间。测量与分析结果大大提高了对LRI工艺中树脂流体在纤维层层面和沿纤维层厚度两个方向上流动特性的认识,并为将来的模拟计算和对此工艺的进一步研究奠定良好的基础。     

混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能

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。     

树脂传递成型工艺中树脂流动和凝固过程的非等温仿真

采用控制体／有限元方法建立了模拟树脂传递成型工艺制造薄壁零件时树脂流动和凝固过程的2．5维非等温仿真数学模型，该模型运用纤维、树脂的能量平衡和树脂凝固的质量平衡方程模拟树脂流动和凝固过程中的热量传递和温度变化过程，研究了树脂传递成型工艺过程中树脂流动、温度变化及树脂凝固的数值求解方法，算例结果表明所提出的仿真模型能有效地模拟树脂传递成型工艺过程中树脂流动、温度变化及树脂凝固程度。     

大开孔结构变角度纤维铺层优化设计研究

变角度纤维铺层能有效地增强结构刚度、减小应力集中，在很多领域得到广泛应用。本文对比了分区域设计直纤维铺层和变角度纤维铺层零件结构的优缺点，基于Patran的PCL语言开发出了纤维轨迹主应力法优化程序，以某飞机襟副翼复合材料层压板树脂传递模塑成形（RTM）支臂为例进行了纤维轨迹优化设计，分析了不同变角度纤维铺层数目和迭代次数对设计结果的影响，并和传统的分区域设计直纤维铺层模型进行了对比，得出了变角度纤维铺层能明显改善模型应变和位移的结论，且通过承载能力试验分析对比了分区域设计直纤维铺层和最外两层更换为变角度纤维铺层的RTM支臂的试验结果，得出了变角度纤维铺层能提高结构孔边强度和整体刚度的结论，验证了变角度纤维铺层的可行性及其优点。大开孔结构变角度纤维铺层优化设计对大开孔复合材料结构设计具有重要意义。     

自动铺放内嵌缺陷构件成型方式对拉伸性能的影响

自动铺丝技术使单向的复合材料丝束铺放轨迹得以优化,但是在应用此技术铺放复杂形状结构时可能会导致缺陷的引入。为解决此问题,利用2丝束自动铺放机器人铺放含有空隙和重叠缺陷的层合板试件,按照[(90°/0°)5/90°]和[(0°/90°)5/0°]的顺序,将缺陷分别置于0°和90°铺层内。在试件成型过程中,无模压板的成型方法会导致试件局部厚度和微观结构的变化,这主要取决于缺陷的类型,这对试件的拉伸性能有很大影响,使用模压板可以很好地改善这一点。试验表明:在0°纤维方向上,含空隙缺陷加模压板成型的试件较不加模压板成型的试件拉伸强度提升了218. 5%,重叠缺陷试件加模压板成型后试件拉伸强度也提高了69%;在90°纤维方向上,由于90°方向铺层不是主承载层,模压板对试件性能影响较小,但加模压板成型后,空隙和重叠缺陷试件的拉伸性能也分别提高了3. 2%和15. 6%。     

不同自动铺丝工艺参数对T800级碳纤维/环氧复合材料孔隙率的影响研究

采用T800级碳纤维/环氧树脂单向带铺丝预浸料,使用自动铺丝工艺制备不同厚度的试验层板,探究固化压力、层板厚度及尺寸、自动铺丝压紧力等各项参数对孔隙率及孔隙分布的影响,采用超声C扫描表征复合材料层板孔隙率区间。研究表明,当固化压力降至某临界点后,孔隙率呈现先快速增加又逐渐减慢增加的趋势;厚铺层的层板的孔隙率高于较薄铺层的层板,靠近中间及底部铺层位置的孔隙较多;尺寸较大的层板,高孔隙率的区域相对集中分布在靠近层板中间的位置,且孔隙率区间较大;固化压力较小时,采用小压紧力铺丝的层板会形成更高的孔隙率;对于大型复杂的复材结构件来说,不同的铺丝工艺参数对孔隙率的影响也具有上述趋势。     

复合材料副翼典型结构件的VARI工艺模拟及试验验证

在复合材料液体成型工艺过程中,通过计算机软件的模拟研究,可以预先判断树脂在增强体中的流动形式和获得树脂的注模时间以及注模压力,进而为实际成型工艺提供参考设计。本文利用PAM-RTM模拟软件对复合材料副翼典型结构件的树脂流动过程进行了模拟计算。根据达西定律推导出树脂在增强纤维中一维流动渗透率计算公式,分别对增强纤维、缝线纤维进行了渗透率测试,在此基础上对渗透率数值进行了修正。利用渗透率修正值采用不同的流道设计方案对树脂注模过程进行了模拟研究,根据模拟结果最终选择合理的注射方式和流道布局。对所选方案进行了工艺试验验证,并对结构件进行了超声无损检测。结果显示:理论充模时间和试验充模时间基本一致,结构件没有内部缺陷,树脂填充完全,模拟工艺计算有效。     

Microacoustic Imaging Technique for Bulk Microstructure Characterization of Woven CFRC Materials

In short wavelength case ultrasound propagation through woven carbon fiber-rein-forced composite (CFRC) materials essentially depends on their microstructure.Fiber bundle and weaving ply can be considered as basic structural elements of woven CFRC laminates.These structural units provide effective reflectors when ultra-short impulse high frequency ultrasound impinges on woven laminates.The reflection coefficient R0 achieves level of 3%-15% at ply-ply interface,0.2-0.4 in resin pocket region.This magnitude of reflection coefficient offers reasonable acoustic contrast to see packing,lay-up and resin pockets in woven laminate body by acoustic imaging methods.Microacoustic imaging technique is based on time-resolved echoes from reflections in woven CFRC laminates.A focal system with low aperture angle is used to generate 20-40 probe ultrasonic pulse wave.Its spatial resolution is up to 60mm at 50MHz in woven CFRC laminate.The results presented in this paper demonstrates the possibility and potentiality of characterization of microstrueture of woven CFRC laminates.Packing,lay-up,weaving nature,fiber bundle,resin pocket as well as their topology are exhibited clearly in the acoustic images by using microaeoustic technique.     

适用自动铺丝工艺的中模高强碳纤维预浸料研究

目前,自动铺丝技术是航天航空大型结构件制备工艺的发展方向,而中模高强碳纤维预浸料适用于航天航空主承力结构件的制备,达到减重的需求,因此,自动铺丝工艺用中模高强碳纤维预浸料的研究至关重要。采用HF40A中模高强碳纤维匹配EH918树脂体系,开展了预浸料的自动铺丝工艺适用性研究。通过与满足自动铺丝工艺的某预浸料对比分析,确定了满足自动铺丝工艺要求的EH918/HF40A;对比手工铺放与自动铺丝制备的板材的力学性能,数据表明,自动铺丝板材的力学性能与手工铺放板材性能相当,无明显差异;采用该材料和自动铺丝工艺制备了典型部件,并进行了无损测试,其质量满足指标要求。     

面向复杂回转体的T700级碳纤维/双马树脂材料铺放适应性

为了研究面向复杂回转体的T700级碳纤维/双马树脂材料的铺放适应性,测试了3种T700级碳纤维/双马树脂材料的T型剥离强度及悬垂性,进行了曲率铺放性能对比研究,确定了最佳的T700级碳纤维/双马树脂材料。针对该材料,研究了不同工艺参数（铺放温度、铺放压力、铺放速度）在不同转向半径下对铺放质量的影响,并提出一种新的铺放质量评定方法。材料对比实验结果表明,在一定范围内,适当提高材料的刚性和层间黏结力对材料的铺放性能有明显改善,其中提高层间黏结力效果更加显著,并最终选用T700级碳纤维/双马树脂材料3作为复杂回转体的铺放材料。工艺优化实验发现,当铺放速度小于32 mm/s时,极限转向半径降低至1 000 mm。结合铺放效率,获得复杂回转体的最佳铺放工艺参数为F=800 N、T=40 ℃、v=32 mm/s,且在2 h内进行下层铺放,从而提高铺放质量及铺放效率,解决工程化应用问题。     

树脂交联结构特征对复合材料纵向压缩性能的影响

通过选择不同官能度的环氧树脂,调节树脂单体配比,获得了不同固化交联结构的环氧树脂基体,并与国产T800级碳纤维复合制备成碳纤维复合材料;研究不同交联结构的环氧树脂基体对其 T800级碳纤维复合材料纵向压缩性能的影响。研究结果表明,随着三官能团树脂含量升高,树脂基体的交联密度增大,树脂基体模量增大,其对应碳纤维复合材料单向层合板泊松比降低;碳纤维复合材料的纵向压缩强度随着树脂基体交联密度的增大而增大;树脂基体交联密度对单向复合材料层合板纵向压缩模量的影响不明显。     

高速流场中变刚度复合材料层合板颤振分析

变刚度复合材料层合板在高速流场中的颤振行为是设计中需要考虑的问题。本文研究了高速流场中的曲线纤维变刚度层合复合材料壁板非线性颤振响应,分析了边界条件和纤维方向对颤振特性的影响。利用von-Karman大变形应变-位移关系,采用气动力活塞理论,根据虚功原理和有限元法建立变刚度复合材料壁板颤振的气动弹性力学模型,采用Newmark法对壁板的颤振方程求解。给出了不同边界条件和纤维方向条件下层合复合材料壁板的颤振特性。计算结果表明：随着纤维在板中心处或在边界±a/2处与x方向夹角（T₀或T₁）的增大,颤振临界动压减小;相同动压下,随着T₀或T₁的增大,极限环振幅增大。研究表明采用曲线纤维进一步提高了复合材料层合板的可设计性,通过调整曲线纤维路径可以改变复合材料壁板的颤振特性。     

石墨纤维/改性氰酸酯复合材料的应用研究

采用环氧树脂对4,4-二氰酸酯基二苯基丙烷(BADCy)进行共聚改性,通过DSC分析,确定了固化工艺参数,并与石墨纤维(UHMCF)复合制成单向板,测试了不同后处理温度制得的单向板力学性能,并与现用UHMCF/树脂基复合材料单向板的力学性能进行了比较,测试了UHMCF/改性氰酸酯的空间环境性能;制备了UHMCF/改性氰酸酯结构件,测试其性能,并与现用UHMCF/树脂基复合材料同类结构件的性能进行了比较。结果表明:UHMCF/改性氰酸酯不论是单向板还是结构件的性能均优于现用UHMCF/树脂基复合材料的性能,且满足空间环境对航天器结构材料性能的要求。     

Effects of surface topography and specimen thickness on high-speed raindrop impact damage of CFRP laminates

Raindrop impact erosion has been observed since early days of aviation, and can be catastrophic for exposed materials during supersonic flight. A single impact waterjet apparatus is established for mimicking drop impacts at the velocities between 350 m/s and 620 m/s. Carbon Fiber Reinforced Polymer(CFRP) laminates with three different surface morphologies and specimen thicknesses are tested here. A central region with no visible damage has been noticed, surrounded by a “failure ring” with common...     

基体含量对复合材料结构稳定性的影响

基体含量影响着复合材料结构的性能,针对复合材料结构的稳定性设计,基于复合材料细观力学以及经典层合理论,分析复合材料层合板中的基体含量对于其材料性能,尤其是稳定性的影响.通过计算得出:随着基体含量的增加,材料的性能略有下降,但是由于基体含量增大而导致的单层板厚度增加,使得层合板的稳定性大幅提高.因此,在复合材料结构的稳定性设计中,应该考虑基体含量的影响.     

新型液体成型技术在民机副翼结构的应用研究

基于传统VARI工艺开发了一种可以满足航空复合材料构件大规模生产需求的新型低成本液体成型技术。采用了多种工艺措施确保注胶口和出胶口处树脂压力和树脂流动控制,对比试验表明,采用新型液体成型技术所制备的复合材料层合板厚度均匀性能够接近预浸料/热压罐成型的复合材料层合板的水平。采用新型液体成型技术所研制的民机副翼结构件具有良好的外形和内部质量,可以满足航空复合材料结构的应用需求。     

碳纤维复合材料电导率改性与抗雷击性能

传统碳纤维复合材料(CFRP)中的树脂基体电阻率大,在强电流下会产生大量阻性热从而造成损伤,增强其电导率能够有效提高CFRP的雷击防护性能。在树脂基体中添加银粉颗粒进行电导率改性,通过有限元仿真分析银粉含量对雷击防护性能影响,确定CFRP基体中的最佳银粉含量为38%。沿厚度方向电导率的改性效果最佳,提高了217.3倍。使用不同峰值的D波形雷电流对改性CFRP层压板进行模拟雷击实验,并对未改性以及表面铺设铜网的层压板进行相同能级的对照实验,通过目视损伤观察和透视超声扫描比较损伤特征和损伤面积,评估基体改性CFRP的抗雷击性能。结果表明:基体改性可以阻碍表面铺层被击穿,降低纤维断裂翘曲以及分层损伤;峰值电流20 kA、40 kA和60 kA下,铜网防护能使雷击透视损伤面积分别下降100%、86.61%和37.46%,基体改性整体防护能使雷击透视损伤面积分别下降84.02%、81.03%和40.91%。