碳纤维电聚合表面处理

本文研究了碳纤维电聚合表面处理工艺,以及处理后碳纤维表面性质的变化,及其对复合材料性能的影响。结果表明,电聚合表面处理方法工艺简单、成本低、易操作。碳纤维经过电聚合表面处理之后,表面活性官能团增加,与基体的浸润性得到改善。大幅度地提高了复合材料的层剪强度、横向拉伸强度;改善了复合材料的压缩性能,并具有良好的耐环境性能。因此,电聚合表面处理方法是适合碳纤维生产中推广使用的一种表面改性的新方法。     

厚度和环境对复合涂层导电性能的影响

为了给数字化刻铣曲面频率选择表面(FSS)结构的制作和加工提供参考和依据,对比研究了含片状银粉颗粒的聚氨酯基和环氧树脂基2种复合导电涂层的基本性能,并通过环境加速试验,重点研究了温度、湿度以及腐蚀气氛对2种导电涂层的界面强度、微观结构和导电性能的影响.通过电桥法测量涂层表面电阻的变化,并通过扫描电境观察环境试验前后,涂层表面和剖面的微观结构和形貌变化.试验结果表明:聚氨酯基涂层的综合性能优于环氧树脂基涂层;在实验所涉及的参数变化范围内,环境因素对2种涂层与基体的界面结合影响不大,但对其导电性能的影响比较明显.环境因素对导电性能的削弱作用,源于相应过程中导电涂层的微观结构损伤.     

A100钢表面粗糙度与HVOF碳化钨涂层结合强度

采用超音速火焰喷涂方法在AerMet100钢(A100钢)基体上制备了WC10Co4Cr涂层,研究了不同喷砂条件对AerMet100钢表面粗糙度变化及对涂层与基体结合强度的影响.之后将涂层使用化学方法退除,观察涂层制备对AerMet100钢基体表面状态的影响,分析了粗糙度与涂层结合强度之间的关系.结果表明:AerMet100钢基体不同吹砂工艺产生的表面粗糙度 S_a=0.994~4.983 μm时,超音速火焰喷涂WC10Co4Cr涂层的结合强度均不低于72 MPa.喷涂涂层过程对基体表面状态没有较大影响:基体粗糙度 S_a<2 μm时,喷涂后,基体表面的粗糙度略有降低;基体粗糙度 S_a>3 μm时,喷涂后,基体粗糙度略有升高.超音速火焰喷涂的碳化钨钴涂层与AerMet100钢基体的结合同时存在物理与机械力结合,以前者为主要结合力.     

氧化物涂层对航天器材料原子氧剥蚀的防护

采用磁控溅射方法在航天器常用材料聚酰亚胺(Kapton)表面沉积无机氧化物涂层(TiO₂和SiO₂),来提高材料的抗原子氧剥蚀性能.通过选择试验材料和参数,优化了沉积涂层的工艺,以克服容易产生裂纹的缺点.对材料进行了原子氧效应地面模拟试验,结果表明,在Kapton上沉积涂层后,质量损失下降了2个数量级.另外,有涂层的Kapton表面基本没有变化并且没有出现裂纹.其中,TiO₂由于热膨胀系数更接近Kapton,比SiO₂的防护效果更好.     

固化方式对粘结固体润滑涂层摩擦学性能的影响

为了探究不同固化方式下复合粘结固体润滑涂层的摩擦学特性.以环氧树脂为粘结剂，二硫化钼、石墨、氧化铝、氟化铈为固体填料，制备复合粘结固体润滑涂层.分别对复合粘结固体润滑涂层在微波固化和热固化下进行固化，使用白光干涉仪分析涂层表面磨损后的表面磨痕.使用扫描电子显微镜(SEM)对涂层磨损与未磨损区域表面进行观察，使用能量色散X射线光谱仪(EDS)对磨痕区域的元素进行分析.当微波固化与热固化时间均为10分钟时，微波固化的摩擦系数为0.17，低于热固化的0.24；当热固化时间提升到30分钟时，与微波固化10分钟的摩擦系数基本接近.观察热固化涂层表面，发现填料团聚，对磨后表面比较粗糙且呈片状剥落；微波固化涂层表面呈片状分布，磨损后表面比较光滑.SEM形貌分析表明热固化涂层磨损形式主要为磨粒磨损；微波固化涂层磨粒磨损较轻微，在对磨过程中能形成转移膜.EDS元素分析表明固化方式对涂层的分散性没有影响.     

基于涂层传感器的金属结构疲劳裂纹监测

针对飞机金属结构在服役过程中的裂纹扩展实时监测需求,提出一种现代表面技术与电位法原理相结合的疲劳裂纹监测研究方案.在结构易出现裂纹的热点部位制备了一种具有绝缘隔离层、导电传感层和封装保护层3层结构的裂纹监测涂层传感器.然后进行了疲劳裂纹监测试验,结果表明:通过分析涂层传感器电阻(电位)的变化可以实现对2A12-T4铝合金连接结构多个部位的裂纹同时进行有效监测.此外,还对表面制备涂层传感器的试样与原始试样的疲劳特性进行了对比研究.结果表明:应用现代表面技术在2A12-T4铝合金表面制备涂层传感器,对其疲劳性影响甚微.     

不饱和聚酯树脂与双马来酰亚胺的共聚改性

利用双马来酰亚胺(BMI)作为共聚单体与不饱和聚酯(UP)树脂进行共聚反应,使其玻璃化转变温度、弹性储能模量、拉伸和弯曲性能都有大幅度的提高,尤其是70?℃下力学性能有明显改观.利用红外光谱法测定了上述共聚树脂体系中不饱和聚酯、苯乙烯、双马来酰亚胺各自双键的聚合反应程度,分别为70.83%,95.46%和97.69%.实验结果表明由于BMI的参与,大大提高了UP树脂的固化反应活性.试样的断口形貌表明上述共聚树脂呈均相组织结构.     

盐雾腐蚀对NiCoCrAlY涂层性能的影响

利用中性盐雾试验对物理气相沉积制备的NiCoCrAlY防护涂层进行常温腐蚀,研究了常温盐雾腐蚀对NiCoCrAlY涂层的微观形貌以及高温性能的影响.试验结果表明:经过盐雾腐蚀的涂层表面的均匀性和完整性均被破坏,涂层表面产生了大量的腐蚀坑;高温循环氧化以后,表面形成的Al₂O₃氧化膜变得粗糙、破碎且不连续,而且氧化膜容易剥落,降低了涂层的高温抗氧化能力,缩短了涂层的使用寿命.      

Cr对ZrO2/Ni热障涂层界面结合的影响

热障涂层广泛用于航空、航天领域,涂层与基体的界面结合强弱是决定涂层寿命的一个关键因素.为了提高其使用寿命,必须要求涂层与基体的界面有较好的结合.利用密度泛函理论框架下的第一性原理离散变分(DV)方法研究了ZrO₂Ni热障涂层界面的能量学和电子结构,讨论了替位型掺杂的Cr在ZrO₂Ni热障涂层界面中的作用.结果表明:Cr容易偏聚于界面处(偏聚能达6.03eV),Cr使得体系结合能增加,体系更稳定,有利于界面的结合;界面处原子电荷占据数和电荷密度计算表明:加入Cr后跨界面方向的电荷密度增加,同时也使得界面内电荷密度增加,这有利于跨界面方向的以及沿界面方向的成键,从而加强了涂层与基体材料的结合.     

含磷聚酰亚胺的合成与抗原子氧性能

利用自行合成的含磷芳香族二胺单体--二(3-氨基苯基)苯基氧化磷(DAPPO),制备了一系列含磷聚酰亚胺薄膜.在原子氧地面模拟设备中对该薄膜进行了原子氧暴露实验,并采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段对原子氧暴露前后薄膜表面的聚集态结构和化学结构演化进行了分析.结果表明,原子氧暴露后,引入含磷二胺单体的聚酰亚胺薄膜表面形成了富磷保护层,剥蚀率减小,抗原子氧性能明显提高, 磷质量分数为5.47%的聚酰亚胺薄膜在原子氧作用20h的总剥蚀率分别降低为Kapton^和Upliex-R型聚酰亚胺的13%和20%.     

CFRP旋转超声辅助钻削的缺陷抑制 机理及实验研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在普通切削（CD）过程中因切削力及扭矩较大而产生的分层撕裂、孔壁纤维损失等缺陷,采用了旋转超声辅助钻削（RUAD）制孔方法。首先,分析了CFRP CD的孔缺陷类型及产生机理,并结合超声振动加工的特性,给出了RUAD的孔缺陷抑制机理。然后,搭建了包含非接触式感应供电旋转超声振动系统、立式加工中心和测力系统的实验平台。最后,在相同的工艺参数下,对比了CD和RUAD两种工艺下的切削力和扭矩、孔缺陷及孔壁质量。实验结果表明:相对CD,RUAD的切削力和扭矩分别降低41.46%~46.32%和41.61%~48.94%,且CFRP孔出入口及孔壁分层撕裂、纤维损失等缺陷得到了有效抑制,极大地改善了CFRP的钻孔质量。实验结果有效地验证了CFRP钻孔缺陷产生机理及超声振动抑制机理的正确性,RUAD可以用于CFRP低损伤制孔。      

溶胶-凝胶法提高树脂抗原子氧性能的试验

为提高航天器用树脂基材料的抗原子氧剥蚀性能,将正硅酸乙酯(TEOS,Tetraethyl Orthosilicate)加入环氧树脂溶液中,采用溶胶-凝胶法,制备出SiO₂／环氧杂化材料.在空间环境原子氧效应地面模拟设备中,对材料试样开展了抗原子氧剥蚀性能评估试验,总结了试验前后试样的质量、表面形貌和表面成分的变化特点,并分析了溶胶-凝胶所得杂化材料抗剥蚀性能提高的机理.分析认为:溶胶-凝胶反应过程中在树脂基体内生成的聚硅氧烷和SiO₂,以及原子氧作用下杂化材料表面生成的SiO₂保护层,是杂化材料抗剥蚀性能得以提高的主要原因.     

CFRP超声振动套磨钻孔高效排屑机理和实验

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）在普通套磨钻孔（CCD）过程中，切屑粉尘粘刀和料芯堵刀导致的排屑效果较差而影响套磨加工效率和加工质量的问题，采用超声振动套磨钻孔（UVCD）新技术进行了CFRP高效套磨钻孔的基础理论和实验研究。从理论上分析了CFRP超声振动套磨钻孔原理和高效排屑机理，同时结合所设计的超声振动气钻和车床平台实验验证了CFRP超声振动套磨钻孔的高效排屑钻孔效果。结果表明:相比于CFRP普通套磨钻孔，超声振动套磨钻孔极大提高了切屑粉尘和料芯的排屑效果，有效防止了切屑粉尘粘刀和料芯堵刀现象，明显降低了12%~20%的钻削力、16%~24%的切削温度和33%~39%的孔表面粗糙度，明显改善了CFRP孔加工质量并且延长了套磨刀具使用寿命。      

树脂基碳纤维复合材料的热物理性能之一——热膨胀

本文讨论了碳纤维复合材料的热膨胀机理及热膨胀系数的理论计算,总结归纳了CFRP材料中纤维排布方式、温度等因素对热膨胀系数的影响,最后给出了一些CFRP材料的热膨胀系数。     

基于神经网络遗传算法的CFRP拉挤工艺优化

根据固化动力学和传热学理论,建立了碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP,Carbon Fiber Reinforced Polymer)拉挤成型非稳态温度场与固化动力学数学模型.采用有限元与有限差分相结合的方法,结合ANSYS求解耦合场的间接耦合法,对CFRP拉挤过程非稳态温度场和固化度进行数值模拟.使用特殊设计制作的铝毛细管封装的布拉格光栅光纤(FBG,Fiber Bragg Gratings)传感器,对温度场进行实时检测;并采用索氏萃取实验测定CFRP制品固化度.模拟与实验结果基本吻合.以数值模拟结果为样本建立反向传播神经网络,训练得到固化炉温度与CFRP固化度之间的非线性相关关系.采用神经网络与遗传算法相结合的方法,优化得出拉挤固化炉三段最佳温度值,结果表明神经网络结合遗传算法优化拉挤工艺参数快捷有效.     

复合材料开孔层压板压缩长期强度预测

Accelerated testing methodology (ATM) predicts long-term strength in low temperature with short-term in high temperature, which is based on the viscoelasticity of matrix and the time-temperature superposition principle (TTSP). The strain invariant failure theory (SIFT) was modified by using micro maximum strain criteria to judge fiber tensile and compressive failure. Master curve of storage modulus of epoxy resin and the time-temperature shift factors were tested from dynamic mechanical analysis(DMA). Master curves of SIFT critical parameters were constructed by tension and compression test for unidirectional carbon fiber reinforced plastics (CFRP) under various temperatures with the time-temperature shift factors of matrix resin. Long-term compression strength of open-hole composite laminates was predicted based on SIFT/ATM combined method. The damage process of fiber and matrix was simulated by progressive damage analysis as well. Good agreement between numerical results and experiments was observed, which demonstrates the applicability of this method.     

复合材料的冲击吸能与动态黏弹特性

考察了玻璃纤维、炭纤维、芳纶和UHMWPE纤维复合材料(分别称为GFRP,CFRP,AFRP和DFRP)层板的低速冲击吸能,并采用高载动态热机械分析仪EPLEXOR500分析了其纤维复丝的动态黏弹性的载荷敏感性.结果表明:冲击吸能明显受纤维性能及层板破坏模式的影响,呈韧性破坏的AFRP和DFRP的冲击吸能明显高于呈脆性破坏的GFRP和CFRP.在动态热机械分析中,静载增大使得储能模量升高但损耗角正切减小,动载增大时正好相反,且在这些影响中有机纤维复丝动态黏弹性较无机纤维复丝表现出更显著的载荷敏感性和非线性.4种层板的吸能大小与其纤维复丝储能模量载荷敏感性的强弱以及损耗角正切大小的顺序相同:DFRP>AFRP>GFRP>CFRP,反映出材料宏观冲击性能与表征其微观结构特征的黏弹性能的相关性.      

基于电阻抗层析成像的CFRP结构损伤检测

电阻抗层析成像（EIT）是一种新兴的碳纤维增强复合材料（CFRP）结构状态评估方法。通过将EIT技术应用于一种商用各向异性CFRP层合板,初步研究了EIT的结构损伤检测能力。利用COMSOL软件建立CFRP多种损伤模型,有限元分析获取三维场空间电势分布信息。为改进EIT技术对各向异性CFRP结构损伤的图像重构效果,采用嵌入式电极有效采集材料内部电信号;同时,提出一种改进的基于L1稀疏正则化的图像重建算法。另外建立一套基于数字万用表的嵌入式16电极的EIT硬件系统,利用EIT系统检测平台对简单CFRP损伤进行检测,结果显示损伤材料图像重建效果良好,证明EIT方法在CFRP结构损伤检测中的可行性。      

CFRP孔板拉伸疲劳环境效应的正交试验

为研究环境因素对CFRP孔板疲劳性能的影响,针对T300/QY8911含中心孔层压板设计并开展了正交试验研究.试验中采用标准试件在给定环境条件下测试其拉伸疲劳寿命,并通过对正交试验结果的方差分析研究了有无涂层、紫外辐射、环境湿度等环境因素及其交互作用对T300/Y8911复合材料孔板拉伸疲劳寿命影响的显著性.研究表明:在紫外、涂层、湿度及任意二者的交互作用中,有无涂层对复合材料孔板的拉伸疲劳寿命影响高度显著,有无紫外及涂层与湿度的交互作用对复合材料孔板拉伸疲劳寿命影响显著;而湿度、紫外与涂层的交互作用及紫外与湿度的交互作用对复合材料孔板拉伸疲劳寿命的影响均不显著.     

基于可靠性的CFRP螺栓连接优化设计方法

螺栓连接是复合材料结构的薄弱环节。因此，螺栓连接部位的设计是先进复合材料结构设计的关键之一。将修正特征曲线方法和随机参数统计模型结合，建立了碳纤维增强复合材料（CFRP）螺栓连接失效载荷的概率分析模型，进而以关键影响参数为设计变量，以可靠度指标为约束，以连接结构质量为设计目标，发展了基于可靠性的CFRP螺栓连接优化设计方法。采用正交试验设计方法建立基于可靠性的螺栓连接优化设计计算方案，优化结果表明:关键影响参数X_C为2 450 MPa、t_ply为0.174 mm、E₁₁为225 GPa时的设计方案为螺栓连接最佳设计方案，该方案使得外载荷为17.5 kN时，螺栓连接可靠度由0.998提高到0.999 999以上，同时使得连接结构的质量下降了6.44%。